有機雷射二極體從夢想變成現實！來自日本的研究人員證明，一種基於有機半導體雷射二極體確實是可能的，這為雷射在生物傳感、顯示器、醫療和光通信等領域的進一步擴展鋪平了道路。有機雷射二極體長期被認為是發光器件領域的聖杯，它使用碳基有機材料來發光，而不是傳統器件中使用的無機半導體，如砷化鎵和氮化鎵。這種雷射器在許多方面類似於有機發光二極體(oled)。
在有機發光二極體中，一層薄薄的有機分子在通電時發光。有機發光二極體因其高效率和充滿活力的顏色而成為智慧型手機顯示屏的熱門選擇，通過設計新的有機分子很容易改變這種顏色。有機雷射二極體能產生更純淨的光，從而實現更多應用，但它們需要比有機發光二極體中使用電流大得多的電流才能實現產生雷射過程。
這些極端條件導致先前研究的器件在雷射被觀測到之前就被破壞了。更複雜的進展是，先前關於由有機材料產生的電致雷射的說法在很多情況下都被證明是錯誤的，由於沒有充分的表徵，其他現象被誤認為是雷射。
一種有機雷射二極體發出藍色雷射，圖片：Atula S. D. Sandanayaka
但是現在，九州大學有機光子學和電子學研究中心(OPERA)的科學家們在《應用物理學》上發表報告稱，他們有足夠的數據令人信服地表明，有機半導體雷射二極體終於實現了。論文的第一作者Atula S. D. Sandanayaka說：我想社區裡的很多人都在懷疑我們是否真的有一天會看到有機雷射二極體的實現。但是通過減緩對改進材料和新設備結構的各種性能限制的削減，我們最終做到了。
雷射激射的一個關鍵步驟是向有機層注入大量電流，以達到一種稱為粒子數反轉的條件。然而，許多有機材料的高電阻使它們很難在加熱和燃燒之前獲得足夠電荷。最重要的是，大多數有機材料和設備在高電流下固有的各種損耗過程會降低效率，將必要的電流推得更高。為了克服這些障礙，由Chihaya Adachi教授領導的研究小組使用了一種高效有機發光材料(BSBCz)。
（博科園-圖示）有機半導體雷射二極體在電刺激下產生藍色雷射發射的原理圖。圖片：Center for Organic Photonics and Electronics Research, Kyushu University
這種材料對電的電阻相對較低，損耗也很小——即使注入了大量的電。但是僅僅有正確的材料是不夠的。
還設計了一種設備結構，其中一個電極上有一個絕緣材料網格，用於將電注入有機薄膜。這種網格結構被稱為分布式反饋結構，已知可以產生雷射發射所需的光學效果，但研究人員又向前邁進了一步。通過優化這些網格，不僅可以獲得所需的光學性能，還可以控制設備中的電流，並將觀察有機薄膜雷射發射所需的電量降到最低。
研究人員對這些新設備的前景充滿信心，為此成立了初創公司，以加速研究，並克服在商業應用中使用有機雷射二極體的最後障礙。公司的創始成員Chihaya Adachi教授，Jean-Charles Ribierre博士，Fatima Bencheikh博士和Takashi Fujihara博士，正在努力改進他們的有機雷射二極體的性能，致力於將這一最先進的有機發光技術推向世界。
博科園｜研究/來自：九州大學
參考期刊《應用物理學》
DOI: 10.7567/1882-0786/ab1b90
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