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如圖所示，一束紅色激光照射在印有賓夕法尼亞州立大學(xué)學(xué)校的標(biāo)志復(fù)制品的卡片上。
自1962發(fā)明以來(lái)，半導(dǎo)體二極管激光器革新了通信技術(shù)，并使CD、DVD和Blu ray器件中的信息存儲(chǔ)和檢索成為可能。這些二極管激光器使用精細(xì)的高真空系統(tǒng)中生長(zhǎng)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體?，F(xiàn)在，一隊(duì)來(lái)自賓州州立大學(xué)和普林斯頓大學(xué)的研究人員已經(jīng)朝著建立從有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料的激光二極管邁出了一大步，將為以后的桌面激光器奠定基礎(chǔ)。
通常不把發(fā)光二極管作為激光器的一個(gè)大的飛躍，Chris Giebink說(shuō)，他是電氣工程助理教授賓州。本質(zhì)上，你只需添加鏡像并更努力地驅(qū)動(dòng)它就可以。有機(jī)發(fā)光二極管在30年前發(fā)明，每個(gè)人都認(rèn)為，只要我們有相對(duì)有效的有機(jī)發(fā)光二極管，有機(jī)激光二極管將很快跟進(jìn)。
結(jié)果證明，有機(jī)二極管激光器確實(shí)很難制造。
有機(jī)激光二極管具有很多優(yōu)勢(shì)。首先，由于有機(jī)半導(dǎo)體相對(duì)柔軟和靈活，有機(jī)激光器可以被納入無(wú)機(jī)元素不可能的新形狀因子中。雖然無(wú)機(jī)半導(dǎo)體激光器在光的波長(zhǎng)或顏色上相對(duì)有限，但有機(jī)激光可以通過(guò)剪裁有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)室中化學(xué)家所關(guān)心的任何波長(zhǎng)。這種可調(diào)性在醫(yī)療診斷和環(huán)境傳感等應(yīng)用中非常有用。
還沒(méi)有人成功地使有機(jī)半導(dǎo)體激光器，但關(guān)鍵可能涉及的相關(guān)材料有機(jī)/無(wú)機(jī)材料已經(jīng)得到了很多研究人員的關(guān)注，在研究界在過(guò)去的幾年里。這種混合材料已經(jīng)負(fù)責(zé)光伏效率表現(xiàn)很突出，Giebink說(shuō)。
鈣鈦礦是相當(dāng)常見(jiàn)的礦物，有著相似的立方晶體結(jié)構(gòu)。有點(diǎn)自相矛盾的是，這些混合鈣鈦礦材料在太陽(yáng)能電池中運(yùn)行良好的原因之一是它們是很好的光發(fā)射器。出于這個(gè)原因，他們也有興趣在LED和激光上的使用。Giebink和他的同事們正在研究是由一個(gè)比較大的有機(jī)分子材料，并把它局限在無(wú)機(jī)鈣鈦礦晶格中。
“最終的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)使電驅(qū)動(dòng)的鈣鈦礦型激光二極管，Giebink說(shuō)。那將是一場(chǎng)改變游戲規(guī)則的進(jìn)展。這是很容易通過(guò)光抽運(yùn)，即使鈣鈦礦材料發(fā)射激光，激光照射另一個(gè)上。然而，這僅僅是因?yàn)槲覀兎Q之為激光死亡的現(xiàn)象不太清楚。讓它繼續(xù)前進(jìn)是朝著最終的電動(dòng)裝置邁出的關(guān)鍵一步。我們?cè)谧罱难芯恐邪l(fā)現(xiàn)的是一個(gè)奇怪的現(xiàn)象。我們可以完全通過(guò)降低材料的溫度來(lái)誘導(dǎo)部分相變來(lái)避免激光死亡。
近期已經(jīng)發(fā)表在《Nature Photonics》雜志網(wǎng)絡(luò)版的論文中，Giebink及其同事報(bào)告了第一個(gè)在有機(jī)-無(wú)機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料的半導(dǎo)體激光連續(xù)波研究。
“當(dāng)我們降低溫度低于相變，我們驚奇的發(fā)現(xiàn)材料最初發(fā)出的光是從低溫相發(fā)出的，但后來(lái)100納秒內(nèi)改變了，并開(kāi)始從高溫相激發(fā)，并持續(xù)超過(guò)一個(gè)小時(shí)，Yufei Jia說(shuō)，她是Giebink實(shí)驗(yàn)室的一名研究生，并且是該論文的主要作者。事實(shí)證明，當(dāng)材料加熱時(shí)，雖然大部分材料仍保持在低溫階段，但高溫相的窗口形成了，這就是激光的來(lái)源。
在一些無(wú)機(jī)激光器中，有一些稱為量子威爾斯的窄區(qū)域，當(dāng)電子和空穴落入威爾斯區(qū)域時(shí)，電荷載流子就會(huì)被捕獲。激光的強(qiáng)度取決于量子威爾斯中可以裝多少電荷載流子。在鈣鈦礦材料中，低溫體內(nèi)部的高溫相包裹體的排列似乎模擬了這些量子威爾斯，并可能對(duì)連續(xù)激光產(chǎn)生作用。
“但對(duì)于這樣的解釋我們還沒(méi)有一個(gè)定論，”Giebink說(shuō)。“期中可能是更微妙的事情。”
然而，這些結(jié)果確實(shí)都指向了一個(gè)機(jī)會(huì)，這種材料或許可以實(shí)現(xiàn)混合相的配置，但不再需要真的冷卻到低溫。當(dāng)前的論文提出了幾點(diǎn)想法，如何可以設(shè)計(jì)這些材料。下一步是嘗試大的光泵浦激光，直接利用驅(qū)動(dòng)電流與鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的激光二極管連接。
