先導專項成果⑤｜有機微納雷射：許「視覺革命」一個未來

2020-12-15 中國科學報

作者 |李丹 甘曉

2014年起，中國科學院啟動戰略性先導科技專項（B類）「功能pi(π)-體系的分子工程」（以下簡稱「先導專項」）。

在先導專項支持的5年工作裡，由中國科學院院士朱道本、萬立駿擔任首席科學家，來自中國科學院化學研究所、長春應用化學研究所、上海有機化學研究所以及微電子研究所等多家單位的科研人員通力合作，產生一批原創性的具有世界領先水平的創新成果。

從12月11日起，《中國科學報》盤點該項目支持下，科學家在6個不同領域取得的成果。

領域一| 有機熱電材料：未來綠色能源新翹楚

領域二| 石墨炔：開闢碳材料新世界

領域三| 有機半導體：從新分子邁向傳感器

領域四| 有機光伏：讓「萬物互聯」夢想照進現實

領域五

有機微納雷射：許「視覺革命」一個未來！

全色域、高亮度、極限高清、真3D……這是雷射顯示即將掀起的一場「人類視覺史上的革命」，微納雷射將扮演重要角色。

微納雷射是指納米結構中的受激發射，它們產生強烈的相干光信號，在光通信、集成光子迴路（PIC）和顯示技術中展現出了廣闊的應用前景。

有機共軛分子的納米組裝結構可以實現與傳統的無機半導體材料顯著不同的雷射行為，是微納雷射的「未來之星」。

2008年，中科院化學所研究團隊報告了世界首例有機納米雷射，展示了有機材料在光子學領域的獨特優勢。

該所研究員趙永生介紹，想要更有效地利用有機微納雷射，必須首先從激發態層次理解不同有機材料中的電子從基態到激發態再發出雷射再回到基態的動力學過程。

在中國科學院戰略性先導科技專項（B類）「功能pi(π)-體系的分子工程」的支持下，研究團隊首先開展了有關激發態動力學的理論研究。

研究小組研究了有機材料特有的Frenkel激子與光子的耦合行為。

耦合形成一種新的量子態——激子極化激元（Exciton Polaritons），這種半光半物質的準粒子為調控材料的光電性質帶來了新的機會。

研究團隊圍繞光捕獲體系中有機半導體微晶中的「激子漏鬥效應」，實現了具有連續可調雷射波長的微雷射器。

圖1 大面積有機集成光子迴路的可控加工

同時，研究團隊提出了有機「列印光子學」功能器件和集成迴路，可以像用光刻技術加工矽基材料那樣，高精度地得到大面積的光學結構，解決了有機光子學材料走向集成化過程中面臨的關鍵瓶頸問題。

2015年發布的「自然指數」（Nature Index）將這項成果作為中國科學家的代表性工作進行了介紹。

圖2 基於有機微納雷射陣列的雷射顯示

在理論研究及器件製備的基礎上，用有機材料實現雷射顯示的目標越來越近。

研究團隊克服了傳統半導體材料在同一基板上生長和圖案化的困難，製備了具有像素化微雷射陣列的全彩色雷射顯示面板。

「這項工作是基礎研究的良好示範，可能會很快闡釋重要的新產品。」國際評估專家評價。

「當前，一個難度係數超高的問題仍未解決。」

趙永生表示，「有機納米材料只能通過雷射激發後才能發射雷射，這限制了其真正大規模應用。」

有機電泵浦雷射是幾十年來全世界科學家爭相攻克的難題，經過該領域研究人員的共同努力，近期已經取得了關鍵突破。

科研人員相信，有機電泵浦雷射的實現，將為這場「視覺革命」開創嶄新的未來！

編輯 | 趙路

排版 | 志海 郭剛

相關焦點

  • 先導專項成果⑥｜有機薄膜電晶體：給全世界貼上「標籤」
    作者 |李丹 甘曉2014年起，中國科學院啟動戰略性先導科技專項（B類）「功能pi(π)-體系的分子工程」（以下簡稱「先導專項」）。在先導專項支持的5年工作裡，由中國科學院院士朱道本、萬立駿擔任首席科學家，來自中國科學院化學研究所、長春應用化學研究所、上海有機化學研究所以及微電子研究所等多家單位的科研人員通力合作，產生一批原創性的具有世界領先水平的創新成果。從12月11日起，《中國科學報》盤點該項目支持下，科學家在6個不同領域取得的成果。
  • 先導專項成果③｜有機半導體：從新分子邁向傳感器
    作者 |李丹 甘曉2014年起，中國科學院啟動戰略性先導科技專項（B類）「功能pi(π)-體系的分子工程」（以下簡稱「先導專項」）。在先導專項支持的5年工作裡，由中國科學院院士朱道本、萬立駿擔任首席科學家，來自中國科學院化學研究所、長春應用化學研究所、上海有機化學研究所以及微電子研究所等多家單位的科研人員通力合作，產生一批原創性的具有世界領先水平的創新成果。從12月10日起，《中國科學報》盤點該項目支持下，科學家在6個不同領域取得的成果。
  • 「明星」pi-分子養成記｜「率先行動」計劃
    勇攀科學高峰2014年5月22日，中國科學院戰略性先導科技專項（B類）「功能pi-體系的分子工程」（以下簡稱先導專項）在化學所啟動，由中國科學院院士朱道本和萬立駿擔任首席科學家。當時，「率先行動」計劃啟動實施不久，先導專項是其中一項重點工作。「從事基礎研究要勇於開展原始創新，瞄準別人沒有做過的新方向。」
  • 全色雷射顯示面板的一種通用技術:有機核殼異質結印刷陣列
    以從材料基元及微納結構為材料可控與加工的立足點，探究新型現代物理化學創新的表徵技術與手段，以深入理解光功能材料中關鍵性的物理化學機理。其中，利用一系列摻雜、異質結等有機和無機低維複合結構，結合複雜體系的協同自組裝合成方法與柔性列印的技術經驗，首次提出並實現了「列印光子學」功能器件和集成迴路，向有機納米光子學集成化、實用化邁出了關鍵性的一步。
  • 上海光機所等在鈣鈦礦量子點微納雷射性能提升方面取得進展
    近日，中國科學院上海光學精密機械研究所強場雷射物理國家重點實驗室與重慶大學合作，在實現鈣鈦礦量子點穩定發光的合成控制及微納雷射性能提升領域取得新進展。相關研究成果以封面文章發表於Advanced Science（2019, DOI: 10.1002/advs.201900412）。鈣鈦礦量子點具有優異的光學性能，如窄帶發光、單色性好、螢光量子產率高等特點，在多個領域具有巨大的應用潛力。然而，滷化物鈣鈦礦量子點對極性溶劑和高溫比較敏感，限制了其進一步應用。
  • 漲知識|讀懂雷射微納加工未來,這篇就夠了
    華工科技核心子公司華工雷射精密事業群總經理王建剛應邀參加會議，並就「微納加工的應用趨勢」一題發表演講，從行業應用和材料變化的角度切入，解讀微納加工廣泛應用的必然趨勢，深入分析現有技術和市場需求之間的差距，展望未來微納加工發展方向。
  • 中科院啟動「衰老的生物學基礎和幹預策略」戰略先導專項
    中新網北京9月8日電 (記者 孫自法)記者8日從中國科學院(中科院)獲悉，該院戰略性先導科技專項(B類)「衰老的生物學基礎和幹預策略」專項啟動會，近日通過線下和線上相結合的方式召開，正式啟動該戰略先導專項。啟動會上，中科院前沿科學與教育局副局長張永清介紹「衰老的生物學基礎和幹預策略」專項立項背景，並宣讀專項立項通知和諮詢專家組名單。
  • 有機熱電材料:未來綠色能源新翹楚
    2014年起，中國科學院啟動戰略性先導科技專項（B類）「功能pi(π)-體系的分子工程」（以下簡稱「先導專項」）。在先導專項支持的5年工作裡，由中國科學院院士朱道本、萬立駿擔任首席科學家，來自中國科學院化學研究所、長春應用化學研究所、上海有機化學研究所以及微電子研究所等多家單位的科研人員通力合作，產生一批原創性的具有世界領先水平的創新成果。
  • 中科院A類先導專項「空間科學(二期)」啟動
    中科院副院長、黨組成員、專項領導小組組長、空間科學衛星工程總指揮相裡斌出席會議。　　會上，空間科學（二期）先導專項負責人、中科院國家空間科學中心主任王赤匯報了專項實施方案。在「悟空」、「墨子」、「慧眼」和實踐十號等科學衛星相繼取得重大科學成果和社會影響後，專項瞄準宇宙和生命起源與演化、太陽系與人類的關係兩大科學前沿，在時域天文學、太陽磁場與爆發的關係、太陽風-磁層相互作用規律、引力波電磁對應體等方向部署一批新的空間科學任務，力爭取得重大科學成果。此外，專項還部署了概念研究、預先研究、背景型號、科學衛星任務規劃與數據分析等項目。
  • 飛秒雷射輻照在有機溶劑中製造碳化複合的微納超表面以實現仿生減...
    江蘇雷射聯盟導讀： 古人對人的要求為三個層次，即「師古」、「師自然」、「師心」的三個階段。本文報導了研究人員受到歌利亞鳥翼鳳蝶翅膀的啟發，採用飛秒雷射在有機溶劑中製造複合的微納超表面以實現仿生減反射超表面的案例。
  • 中科院青促會第一屆青年微納傳感技術論壇舉辦
    在當前「萬億傳感器革命」的背景下，只有主動創新才能在傳感技術領域佔據先導地位。青促會作為中科院人才戰略的重要組成部分，是未來科研工作的主力軍。他勉勵與會人員要發揮先鋒作用，立足國內、放眼全球，加強交叉融合、勇於打破常規，保持創新的熱情和激情，以一流的科研工作推動科技發展。
  • 中科院先導專項(A/C類)2019年度工作會舉行
    白春禮在總結講話中指出，戰略性先導科技專項是國務院常務會議批准、中科院牽頭組織的經費體量最大的科研項目，是推進實施「率先行動」計劃的重要抓手，也是解決「卡脖子」問題、實現關鍵核心技術自主可控的重要抓手。先導專項啟動以來，專項團隊努力拼搏，砥礪前行，取得了可喜成績，突破的一批關鍵核心技術，為解決國家相關重大戰略需求、推動產業轉型升級、提升核心競爭力提供了有力支撐。
  • 中科院先導專項(A/C類)2019年度管理工作研討會召開
    12月16日至17日，中國科學院戰略性先導科技專項（A/C類）2019年度管理工作研討會在深圳召開。會議由「地球大數據科學工程」專項總體組辦公室、深圳先進技術研究院承辦。　　此次研討會旨在進一步加強先導專項過程管理，宣貫政策規定，搭建專項間交流平臺，促進各專項相互學習借鑑，從而提升先導專項管理水平，促進重大科技成果產出。
  • 雷射清洗在矽表面製備超低反射率的表面微納結構
    江蘇雷射聯盟導讀：你沒有看錯，雷射清洗不僅僅是可以用來進行清洗！學者利用雷射清洗的辦法來輻照Si的表面，不僅僅清洗了表面沉積的氧化物，還實現了微納多尺度表面結構的製備，使得Si表面的抗反射性能進一步提高，這一成果發表在期刊《Applied Surface Science》上。
  • 光電器件微納加工技術——光刻工藝與雷射直寫
    飛秒高峰值功率雷射於有機聚合物的介質的作用具有很多科學上很吸引人注目的特點，其中，雙光子作用下的聚合作用（two-photon polymerization, 2PP）已被成功運用於三維納米結構製作，可以製作出非常複雜、特殊的三維微細結構。 圖5.
  • 智能微納雷射器，可輸出多種雷射信號，讓信息存儲更安全有效
    研究表明，隨著激發功率的增加，諧振腔可發射不同的光信號：當Kr＜KET時，微納諧振腔發射受體分子的螢光信號或雷射信號；當Kr ≈ KET時，發射受體分子與給體分子的雙重雷射信號；當Kr＞KET時，發射給體分子的雷射信號
  • 雷射清洗在矽表面製備超低反射率的多尺度微納結構
    江蘇雷射聯盟導讀：你沒有看錯，雷射清洗不僅僅是可以用來進行清洗！來自西安交通大學的學者利用雷射清洗的辦法來輻照Si的表面，不僅僅清洗了表面沉積的氧化物，還實現了微納多尺度表面結構的製備，使得Si表面的抗反射性能進一步提高，這一成果發表在期刊《Applied Surface Science》上。