前沿 | 有機光功能材料與雷射器件

2021-02-10 科學出版社

▲ 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、熱等物理特性為特徵的材料，例如半導體材料、液晶材料(liquid crystal materials)、儲氫材料(hydrogen storage materials)、雷射材料(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、生物螢光探針等領域有著廣泛應用。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為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，雷射是與原子能、計算機、半導體並駕齊驅的四項重大發明之一，也被認為是影響全球未來發展的18 項重大關鍵技術之一。隨著科技的進步，雷射技術也在向微型化、多功能化、集成化快速發展。尤其是近年來，雷射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。 

 

▲ 全色雷射顯示

 

由於雷射顯示技術(laser display technology)在能耗和色域等方面具有優勢，其已成為當今顯示產業的生力軍。在同等尺寸及顯示條件下，雷射顯示器的功耗僅為普通顯示器的70%，同時雷射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，這意味著雷射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，雷射顯示的核心：紅、綠、藍三色雷射光源還依賴於GaN、GaAs 等材料作為增益介質的無機半導體雷射器。因此雷射顯示器的成本在純有機材料主導的有機發光二極體(organic light emitting diode，OLED)顯示器和有機材料無機複合的薄膜電晶體液晶顯示器(thin film transistor liquid crystal display，TFT-LCD)中處於不利地位，這極大地限制了雷射顯示技術的發展和推廣。目前，雷射顯示器僅在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。而有機雷射顯示(organic laser display, OLSD)技術結合了雷射顯示低功耗、廣色域以及OLED 低成本、小尺寸的優勢，成為次世代顯示技術的研究重點。

 

▲ 含有多色微型雷射器陣列的雷射顯示面板示意圖

我們相信有機微型雷射器在實際應用中的突破也將出現在顯示面板領域，即雷射顯示面板。與面板由獨立OLED 構成不同，雷射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雷射。這可以提高面板的空間解析度、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，易於實現雷射發射波長的連續可調諧，為大面積、柔性可穿戴雷射顯示提供了全新的解決方案。近年來，有機微納雷射材料及其器件取得了突破性進展，在光泵浦和電泵浦雷射器件、大面積雷射顯示器件應用上展現出巨大潛力。然而，有機電泵浦微納雷射是整個有機雷射顯示的核心，是研究人員長久以來追求的目標，被認為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。

  

為了實現有機微型雷射器作為顯示面板的目標，我們需要將驅動微型雷射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雷射器都依賴於高強度飛秒/皮秒脈衝雷射的光激勵。如果有機微型雷射器可以用連續波段半導體雷射器進行光泵浦，只需掃描印刷微型雷射器陣列上的激發點即可實現光學顯示。迄今為止，電泵浦有機雷射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。

 

▲ 兩種電泵浦雷射結構示意圖

如圖所示，反射層(反射鏡)不能插入電極對之間，也很難在二極體型器件外部集成。另一種類型的有機發光器件是基於電晶體的幾何結構，這種結構中增益材料將比二極體更容易與自組裝微腔結構兼容。

十餘年來，作者在有機雷射材料的分子設計與合成、微納雷射器件中的應用等方面開展了大量的研究工作，取得了有重要影響的研究成果。《有機光功能材料與雷射器件》（姚建年等著. 北京：科學出版社，2020.11）基於作者研究專長、研究成果及研究經驗和心得體會，綜合近期該領域的研究進展，整理撰寫而成。

本書從光功能材料的發光機理、激發態過程及雷射理論基礎出發，討論有機雷射的理論、發展現狀及未來實現雷射顯示的途徑，共分為7 章。

  

本書由中國科學院化學研究所姚建年主持撰寫，參與撰寫的有：首都師範大學付紅兵、廖清，中國科學院化學研究所趙永生，中國科學院化學研究所張闖。需要說明的是，本書一些章節是經過反覆凝練的，展開即可形成相應的獨立專著。

 

希望本書的出版能夠幫助廣大科技工作者把握學科的發展動態，推進學科的交叉與融合，促進原始創新能力的提升，為我國科技事業的發展做出貢獻。

 

本文摘編自《有機光功能材料與雷射器件》（姚建年等著. 北京：科學出版社，2020.11）一書「前言」「第1章  緒論」，有刪減，標題為編者所加。

(光電子科學與技術前沿叢書)

「十三五」國家重點出版物出版規劃項目

國家出版基金項目

ISBN 978-7-03-066391-7

責任編輯：張淑曉 楊新改

 

有機光功能材料與器件在信息、工業、國防、醫療等各個行業都有重要的應用，是未來光子發展以及國際高技術競爭的重要陣地。本書重點介紹了有機光功能材料及其在雷射器件方面的應用，從光功能材料的發光機理、激發態過程及雷射基礎理論出發，討論有機微納雷射發展現狀和未來的雷射顯示應用。

本書可供高等學校材料、化學、物理和信息等相關專業的本科生、研究生以及相關領域的科研或生產工作者參考。

（本文編輯：劉四旦）

一起閱讀科學!

科學出版社│微信ID：sciencepress-cspm

專業品質  學術價值

原創好讀  科學品味

傳播科學，歡迎您點亮★星標，點讚、在看▼

相關焦點

  • 雷射雕刻機光路調整步驟
    於一臺龐大的雷射設備來說,其光路的調整校準的方法是比較複雜一點的,但是,只有有心去理解其中的方法,也不是特別難的了.我公司生產的雷射雕刻機的售後都是要求客戶會自己去校正光路的,客戶也可以根據自己掌握的方法,在我司售後人員在場的情況下,自己做光路的校準,以達到完全掌握的水準,雕刻機光路的調整和校準的方法步驟如下: 　　1,保證雷射器處在水平的位置
  • 有機熱電:從材料到器件
    目前，有機熱電材料的分子種類不斷擴充、摻雜方法持續拓展、熱電轉化機制逐漸明晰、器件性能快速攀升，直接推動有機熱電成為有機光電子學的重要交叉前沿方向。儘管如此，有機熱電總體處於發展初期，在分子理性設計策略、精準摻雜調控、基本工作模型和器件功能拓展的方方面面都面臨挑戰，仍需化學、材料、物理等方面交叉研究。 作為快速發展的新興研究方向，有機熱電缺乏聚焦該方向的專著。
  • 大功率光纖雷射材料與器件關鍵技術研究進展
    因此, 亟待發展新型萬瓦級光纖雷射材料和器件,突破其關鍵技術, 實現擁有自主智慧財產權的國產化高增益光纖、光器件、高亮度泵浦源、高性能種子源等, 打破國外技術封鎖和產品壟斷，為我國單路萬瓦級高功率光纖雷射的國產化提供基礎支撐, 為未來萬瓦以上更高功率光纖雷射鋪平道路, 最終能夠對我國高技術產業和國防建設的可持續化發展產生重大意義.本文主要從構築與制約萬瓦級光纖雷射的關鍵部分——光纖雷射材料與器件出發,
  • 2020全國電子功能材料與器件學術研討會在惠州召開
    12月10日至12月12日，2020全國電子功能材料與器件學術研討會在惠州舉行。
  • 綜述:基於二維材料光電子學信息功能器件的新發展
    其中，利用不同的二維材料結合光纖、光波導和諧振腔等豐富的載體平臺，發展新型光電器件(如雷射、調製器、光電探測器、等離子體發生器和傳感器)，已經成為該領域的研究熱點，並不斷有高質量的工作被報導。近日，電子科技大學姚佰承教授和深圳大學張晗教授團隊合作，在Advanced Science發表文章，綜述了基於二維材料光電子學信息功能器件的新發展。
  • 天美公司助力第一屆光學材料與器件物理學國際學術會議亞洲論壇
    「第一屆光學材料與器件物理學國際學術會議亞洲論壇」於2020年12月10日-14日在重慶市召開。本次會議由重慶郵電大學理學院主辦，中國科學技術大學發光材料實驗室、重慶文理學院光電功能材料研究中心、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所和塞爾維亞貝爾格勒大學維察核科學研究所等單位協辦。
  • 雷射脈衝退火提高先進器件的性能
    業界已經證明，雷射脈衝退火（LSA）作為具有突破意義的新技術，對於先進的結工程，LSA可以實現無擴散的結，具有最低的電阻。採用LSA可以製造出更高性能的器件，具有更高的驅動電流，更低的漏電流，這樣設計工程師就有更多的產品提升機會。目前，LSA工藝已被大多數高性能邏輯器件製造商所採用。
  • 光電器件微納加工技術——光刻工藝與雷射直寫
    (2)納製造 納製造是指具有特定功能的納米尺度的結構、器件和系統的製造技術，包括納米壓印技術、刻劃技術、原子操縱技術等。 微納器件與系統是在集成電路製作上發展的系列專用技術，研製微型傳感器、微型執行器等器件和系統，具有微型化、批量化、成本低的鮮明特點，對現代生活、生產產生了巨大的促進作用，並催生了一批新興產業。
  • 用飛秒雷射製造三維微流體器件
    微流體器件中設有亞毫米級通道用於控制液體的微小流量, 這給臨床診斷用高性能生物分析帶來了希望。傳統的微流體器件是模壓在塑料基底上的,其製造過程是一種固有的二維加工過程, 限制了這種廉價器件的複雜性。
  • 電子科技大學基礎與前沿研究院信息材料與器件團隊招收碩士和博士生
    歡迎具有材料、物理和化學背景的學子加入。要求對科研工作有熱情；具有紮實的理論基礎；具有良好的團隊合作和奉獻精神。具體情況如下。一、團隊負責人介紹：王志明教授是國家領軍人才、電子科技大學基礎與前沿研究院院長、國家重點研發計劃首席科學家、納米研究快報期刊創始主編、英國皇家化學學會會士、英國工程技術學會會士、英國物理學會會士、英國材料/礦物/礦業學會會士、四川省突出貢獻優秀專家、九三學社省委委員、四川省政協委員。
  • Feature Article|聚集誘導發光材料在有機光電器件中的應用
    ，郭晶晶，趙祖金，唐本忠Maoxing Yu, Ruishan Huang, Jingjing Guo, Zujin Zhao* and Ben Zhong Tang*ISSN: 2662-1991 (electronic)導讀信息化社會的發展離不開光電器件的迭代更新，而半導體材料是光電器件的基石。
  • 東華大學聯合實驗室取得纖維材料與器件領域研究突破
    供圖中新網上海2月14日電 (楊升元 許婧)東華大學14日發布消息稱，該校先進纖維與低維材料國際聯合實驗室(以下簡稱「聯合實驗室」)在纖維材料與器件相關領域取得重要研究進展，相關成果以《可穿戴電化學儲能纖維電極的挑戰與要求》為題，發表於國際頂級期刊《能源與環境科學》，並獲選為當期封面。
  • 清華SIGS材料研究院正式揭牌成立,致力於引領前沿新材料方向
    見圳客戶端•深圳新聞網2020年11月13日訊（深圳特區報記者 李麗 通訊員 周建華 張潔 劉樂 丁超 文/圖）11月12日下午，清華大學深圳國際研究生院（以下簡稱「國際研究生院」，英文縮寫SIGS）材料研究院（iMR）舉行成立大會並正式揭牌。
  • 《Science》:超快雷射焊接溫度敏感的陶瓷材料
    江蘇雷射聯盟導讀：來自加利福尼亞大學的研究人員發展了一種新的陶瓷焊接技術，他們採用一個短脈衝的，超快的雷射來熔化待焊接材料之間的界面處的陶瓷而將其焊接在一起。焊接時所產生的熱量僅僅在焊接的界面處積累，因此熔化是局部的。研究人員將其稱之為「超快脈衝雷射焊接。
  • 【材料】雷射雕刻超薄過渡金屬碳化物薄膜在能量存儲和能量收集中的應用
    二維（2D）結構可以通過顯著增加表面積與體積比來顯著改變材料性質和功能。
  • 雷射領域中國領先世界的技術盤點|雷射脈衝|院士|聲子|雷射|非線性...
    小睿今天為大家列舉在雷射領域中，中國有著（或有過）哪些世界領先的技術：1氟代硼鈹酸鉀晶體（KBBF）氟代硼鈹酸鉀晶體（KBBF）是一種非線性光學晶體材料，能夠將雷射轉化為史無前例的176nm波長（深紫外）雷射，從而可以製造出深紫外固體雷射器。
  • 低維材料與器件盛會LDMAS2020圓滿閉幕 2021相約北京
    如石墨烯、六方氮化硼、過渡金屬硫族化合物等二維材料，以及 Be、Mg、Ti、MgB2 、 Bi2Se3等眾多三維材料都具有六元環結構，儘管這些材料中的一部分已經在其各自領域內成為研究前沿，但很少有人關注六元環這一基本結構單元。報告中，成會明將具有六元環結構單元，由單一元素或化合物構成的新材料大家族定義為六元環無機材料；並對此新材料的共性和獨特性質進行分析。
  • 飛秒雷射的「妙手」之下,微光學元件實現功能多樣化
    因此，飛秒雷射輔助刻蝕的工藝就進入了人們的視野，研究人員利用此方法在多種材料表面以及內部製備出了功能多樣的微光學元件，使得微光學領域得到了迅猛的發展。此外，飛秒雷射加工還有一重要的特點是能夠引發非線性吸收，使原本對於光透明的材料發生強烈的光吸收。多光子吸收過程使得飛秒雷射不僅可以對透明材料表面進行加工，還可以對其內部進行三維加工。圖1展示了誘導材料電子激發的單光子和多光子吸收過程。
  • 麻省大學生物電子材料與器件實驗室招收博士生
    該課題組近期致力於利用生物電子材料或者仿生材料研發新型電子器件，探索其在生物醫學、可穿戴電子等交叉前沿方面的應用。近期的代表性工作有: 生物材料發電 (Nature 578, 550–554 (2020)), 極低功耗生物材料憶阻器件(Nature Commun. 11, 1861 (2020)), 超敏感仿生傳感器(Nature Commun. 9, 5161 (2018)), 等等。