有机激光二极管：梦想终于成真！
导读
据日本九州大学官网近日报道，该校研究人员的研究证明，一种长期以来难以实现的、基于有机半导体的激光二极管确实有可能实现。这项研究为进一步拓展激光器在生物传感、显示器、医疗保健和光学通信领域的应用铺平了道路。
背景
半导体激光器，具有体积小、重量轻、寿命长、运转可靠、能耗低、电光转换效率高、易于大规模生产以及价格低廉等优势。
封装好的半导体激光二极管（图片来源：维基百科）
有机激光二极管，被认为是发光器件领域长期以来的一个梦想。它的发光是采用碳基有机材料，而不是传统器件中使用的无机半导体，例如砷化镓和氮化镓。
这种激光器，在许多方面类似于有机发光二极管（OLED）。在有机发光二极管中，一层薄薄的有机分子在通电时发光。由于效率高和色彩鲜明，OLED 成为了智能手机显示屏最受欢迎的选择之一，而这些颜色很容易通过设计新的有机分子来改变。
基于OLED技术的显示器（图片来源：Fraunhofer FEP）
有机激光二极管能产生更纯净的光线，以实现更多的应用。但是，为了激发激光，它们需要的电流比OLED中所使用的电流高得多。这些极端条件导致之前研究的器件，在激光被观察到之前就被破坏了。
更进一步的复杂进展是，之前声称由有机材料产生的电致激光的说法，在某些情况下是错误的。由于没有充分的表征，其他现象被误认为是激光。
创新
近日，日本九州大学（Kyushu University）有机光子与电子研究中心（OPERA）的科学家们在《应用物理快报（Applied Physics Express ）》期刊上报告称，他们通过足够多的数据令人信服地表明，有机半导体激光二极管终于实现了。
论文领导作者 Atula S. D. Sandanayaka 表示：“我认为业界中许多人都在怀疑，我们是否真正有一天能实现有机激光二极管。但是，通过改进材料和创新器件结构，慢慢突破各项性能极限，我们最终还是做到了。”
技术
发射激光的一个关键步骤，就是向有机层中注入大量电流，以达到一种称为“粒子数反转（population inversion）”的条件。然而，许多有机材料的高电阻，使得它们在加热和燃烧之前，难以在材料中获取足够的电荷。
有机激光二极管在电激下产生蓝色激光发射的原理图（图片来源：九州大学）
最重要的是，在高电流的情况下，大多数有机材料与器件所固有的各种损耗过程会降低效率，使得必要的电流变更高。
为了克服这些障碍，Chihaya Adachi 教授领导的研究小组使用了一种高效的有机发光材料（BSBCz）。即使在注入大量电流的情况下，它还是具有相对较低的电阻以及较少量的损耗。但是仅仅拥有正确的材料还是不够的。
他们也设计了一种器件结构，其中一个电极顶部有一个绝缘材料网格，用于将电流注入到有机薄膜中。这种网格也称为“分布式反馈结构”，可以产生发射激光所需的光学效应。但是，研究人员又更进了一步。
（图片来源：参考资料【1】）
Adachi 表示：“通过优化这些网格，我们不仅可以获取期望的光学特性，而且可以控制器件中的电流，并将观察有机薄膜发射激光所需的电量最小化。”
价值
这项研究为进一步拓展激光器在生物传感、显示器、医疗保健和光学通信领域的应用铺平了道路。
研究人员对这些新器件的前景感到很有信心，因此，2019年3月22日，他们创立了一家初创公司（KOALA Tech Inc.），以加速研究和克服有机激光二极管商用的最后障碍。
该公司的创始成员 Chihaya Adachi 教授、Jean-Charles Ribierre 博士、Fatima Bencheikh 博士、Takashi Fujihara 博士，目前正在努力改善他们的有机激光二极管，从而将这一最先进的有机发光技术带给全世界。
关键字
参考资料
【1】Atula S. D. Sandanayaka, Toshinori Matsushima, Fatima Bencheikh, Shinobu Terakawa, William J. Potscavage, Chuanjiang Qin, Takashi Fujihara, Kenichi Goushi, Jean-Charles Ribierre, Chihaya Adachi. Indication of current-injection lasing from an organic semiconductor. Applied Physics Express, 2019; 12 (6): 061010 DOI: 10.7567/1882-0786/ab1b90
【2】http://www.kyushu-u.ac.jp/en/researches/view/126
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