前沿 | 有機光功能材料與激光器件

▲ 姚建年

中國科學院院士。1953年生於福建省晉江市。1982年本科畢業於福建師範大學化學系，1993年獲日本東京大學工學部博士學位，1995~1999年任中國科學院感光化學研究所研究員，之後到中國科學院化學研究所工作至今。曾任國家自然科學基金委員會副主任，現任中國化學會理事長，中科院光化學重點實驗室主任。長期從事新型光功能材料的基礎和應用探索研究，在低維材料、納米光電子學等方面做出了開創性貢獻。曾獲國家自然科學獎二等獎（2004年、2014年）、何梁何利基金科學與技術進步獎（2015年）和中國科學院傑出成就獎（2016年）。

功能材料是以聲、光、電、磁、熱等物理特性爲特徵的材料，例如半導體材料、液晶材料(liquid crystal materials)、儲氫材料(hydrogen storage materials)、激光材料(laser materials)等。與無機材料相比，有機光功能材料(organic opto-functional materials)具有諸多優越的性能，例如優異的耐熱性和化學穩定性、良好的絕緣性和介電性能、理想的成膜性以及簡單的成型工藝等，在半導體光刻、有機光致發光和電致發光、傳感器、生物熒光探針等領域有着廣泛應用。集成顯示是電子信息產業目前最關鍵、最重要也是最主要的基礎，而有機光功能材料已成爲顯示技術中不可或缺的關鍵性材料。

在20 世紀人類科技進步史上，激光是與原子能、計算機、半導體並駕齊驅的四項重大發明之一，也被認爲是影響全球未來發展的18 項重大關鍵技術之一。隨着科技的進步，激光技術也在向微型化、多功能化、集成化快速發展。尤其是近年來，激光全色顯示技術因其具有色域廣(對人眼識別顏色90%以上的覆蓋)、色飽和度高、亮度高、極限高清、真三維(3D)等顛覆性的優勢，受到業界的廣泛關注。

▲ 全色激光顯示

由於激光顯示技術(laser display technology)在能耗和色域等方面具有優勢，其已成爲當今顯示產業的生力軍。在同等尺寸及顯示條件下，激光顯示器的功耗僅爲普通顯示器的70%，同時激光因其自身超窄光譜特性，可以實現更純的單色顯示和更寬色域，這意味着激光顯示器的色彩質量和能耗較普通顯示器都會有質的飛躍。目前，激光顯示的核心：紅、綠、藍三色激光光源還依賴於GaN、GaAs 等材料作爲增益介質的無機半導體激光器。因此激光顯示器的成本在純有機材料主導的有機發光二極管(organic light emitting diode，OLED)顯示器和有機材料無機複合的薄膜晶體管液晶顯示器(thin film transistor liquid crystal display，TFT-LCD)中處於不利地位，這極大地限制了激光顯示技術的發展和推廣。目前，激光顯示器僅在60 英寸以上的大尺寸市場佔有一定份額，而在電腦、手機等中小尺寸市場缺乏競爭力。而有機激光顯示(organic laser display, OLSD)技術結合了激光顯示低功耗、廣色域以及OLED 低成本、小尺寸的優勢，成爲次世代顯示技術的研究重點。

▲ 含有多色微型激光器陣列的激光顯示面板示意圖

我們相信有機微型激光器在實際應用中的突破也將出現在顯示面板領域，即激光顯示面板。與面板由獨立OLED 構成不同，激光顯示面板每一個像素都是一個有機微腔結構，可以發射出高純度的激光。這可以提高面板的空間分辨率、亮度和顏色範圍等評價顯示質量的關鍵參數。

與傳統的無機半導體材料相比，有機光功能材料具有結構可設計、性能可剪裁、受激輻射截面大、激發態過程豐富、可溶液加工等優點，易於實現激光發射波長的連續可調諧，爲大面積、柔性可穿戴激光顯示提供了全新的解決方案。近年來，有機微納激光材料及其器件取得了突破性進展，在光泵浦和電泵浦激光器件、大面積激光顯示器件應用上展現出巨大潛力。然而，有機電泵浦微納激光是整個有機激光顯示的核心，是研究人員長久以來追求的目標，被認爲是有機光電子學研究領域發展的瓶頸和挑戰性科學問題之一。

爲了實現有機微型激光器作爲顯示面板的目標，我們需要將驅動微型激光器的泵浦源的成本降低到合理範圍。目前，幾乎所有的有機微型激光器都依賴於高強度飛秒/皮秒脈衝激光的光激勵。如果有機微型激光器可以用連續波段半導體激光器進行光泵浦，只需掃描印刷微型激光器陣列上的激發點即可實現光學顯示。迄今爲止，電泵浦有機激光器的實現仍然具有極大的挑戰性。儘管現在OLED 的效率可以與半導體LED 相媲美，但將光學諧振腔結構併入OLED 中仍然是一個難點。