有機半導(dǎo)體材料具有高增益、易加工、機械柔性等優(yōu)點，基于這些材料開發(fā)的有機固態(tài)激光器已在生物化學傳感、光子學通訊和激光顯示等領(lǐng)域展示出應(yīng)用潛力。然而，作為有機固態(tài)激光器邁向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵，有機電驅(qū)動激光器仍未被實現(xiàn)，其核心問題包括載流子遷移率不平衡相關(guān)的極化子損耗以及三重態(tài)累積引起的吸收損耗和單重態(tài)激子湮沒。

中國科學院化學研究所光化學重點實驗室趙永生課題組近年來致力于有機固態(tài)激光器的理論研究（Acc. Chem. Res. 2016, 49, 1691-1700）和應(yīng)用開發(fā)（Nat. Commun. 2019, 10, 870）。針對有機光學增益材料載流子遷移率不平衡帶來的極化子損耗問題，構(gòu)筑了具有平衡雙極傳輸特性的電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物增益介質(zhì)，首次實現(xiàn)了這類材料的受激輻射（Sci. Adv. 2019, 5, eaaw2953），為開發(fā)新型雙極傳輸激光材料提供了有價值的參考。然而，對于最具有挑戰(zhàn)性的三重態(tài)損耗，常規(guī)思路是利用三重態(tài)的化學淬滅來抑制三重態(tài)相關(guān)損耗。如果能夠有效利用三重態(tài)的能量，能夠降低損耗，并將“變廢為寶”，從而顯著提高有機固態(tài)激光的效率。

近日，研究人員受到熱活化延遲熒光（TADF）材料的啟發(fā)，提出利用這些材料中獨特的反向系間竄越（RISC）過程，解決有機固態(tài)激光器中的三重態(tài)損耗難題的策略。研究團隊根據(jù)激光理論篩選出高發(fā)光效率和高RISC效率的TADF體系并與高光學質(zhì)量的微腔結(jié)合，首次在升溫過程中觀察到了獨特的熱活化激光現(xiàn)象（圖1），直接從實驗上證明了體系中的三重態(tài)激子可以被RISC過程捕獲并用于單重態(tài)受激輻射。研究人員進一步將這種獨特的激光機制應(yīng)用于更具有挑戰(zhàn)性的有機準連續(xù)激光領(lǐng)域，實現(xiàn)了準連續(xù)區(qū)間內(nèi)的有機激光（圖2），為最終實現(xiàn)有機電驅(qū)動激光提供了有意義的借鑒。相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學》（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 21677-21682）上，化學所研究員閆永麗、趙永生為論文通訊作者，博士周忠豪為論文第一作者。

研究工作得到國家自然科學基金委員會、科技部和中科院的支持。

圖1.有機固態(tài)激光器中的熱活化機制

圖2.熱活化激光機制實現(xiàn)有機準連續(xù)激光