近日，日本九州大學(xué)（Kyushu University）有機(jī)光子與電子研究中心（OPERA）的科學(xué)家們?cè)凇稇?yīng)用物理快報(bào)（Applied Physics Express ）》期刊上報(bào)告稱(chēng)，他們通過(guò)足夠多的數(shù)據(jù)令人信服地表明，有機(jī)半導(dǎo)體激光二極管終于實(shí)現(xiàn)了。論文領(lǐng)導(dǎo)作者 Atula S. D. Sandanayaka 表示：“我認(rèn)為業(yè)界中許多人都在懷疑，我們是否真正有一天能實(shí)現(xiàn)有機(jī)激光二極管。但是，通過(guò)改進(jìn)材料和創(chuàng)新器件結(jié)構(gòu)，慢慢突破各項(xiàng)性能極限，我們最終還是做到了?！?

半導(dǎo)體激光器，具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、能耗低、電光轉(zhuǎn)換效率高、易于大規(guī)模生產(chǎn)以及價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。

封裝好的半導(dǎo)體激光二極管（圖片來(lái)源：維基百科）

有機(jī)激光二極管，被認(rèn)為是發(fā)光器件領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)的一個(gè)夢(mèng)想。它的發(fā)光是采用碳基有機(jī)材料，而不是傳統(tǒng)器件中使用的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，例如砷化鎵和氮化鎵。這種激光器，在許多方面類(lèi)似于有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）。在有機(jī)發(fā)光二極管中，一層薄薄的有機(jī)分子在通電時(shí)發(fā)光。由于效率高和色彩鮮明，OLED 成為了智能手機(jī)顯示屏最受歡迎的選擇之一，而這些顏色很容易通過(guò)設(shè)計(jì)新的有機(jī)分子來(lái)改變。

基于OLED技術(shù)的顯示器（圖片來(lái)源：Fraunhofer FEP）

有機(jī)激光二極管能產(chǎn)生更純凈的光線，以實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用。但是，為了激發(fā)激光，它們需要的電流比OLED中所使用的電流高得多。這些極端條件導(dǎo)致之前研究的器件，在激光被觀察到之前就被破壞了。

更進(jìn)一步的復(fù)雜進(jìn)展是，之前聲稱(chēng)由有機(jī)材料產(chǎn)生的電致激光的說(shuō)法，在某些情況下是錯(cuò)誤的。由于沒(méi)有充分的表征，其他現(xiàn)象被誤認(rèn)為是激光。

發(fā)射激光的一個(gè)關(guān)鍵步驟，就是向有機(jī)層中注入大量電流，以達(dá)到一種稱(chēng)為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（population inversion）”的條件。然而，許多有機(jī)材料的高電阻，使得它們?cè)诩訜岷腿紵埃y以在材料中獲取足夠的電荷。

有機(jī)激光二極管在電激下產(chǎn)生藍(lán)色激光發(fā)射的原理圖（圖片來(lái)源：九州大學(xué)）

最重要的是，在高電流的情況下，大多數(shù)有機(jī)材料與器件所固有的各種損耗過(guò)程會(huì)降低效率，使得必要的電流變更高。

為了克服這些障礙，Chihaya Adachi 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組使用了一種高效的有機(jī)發(fā)光材料（BSBCz）。即使在注入大量電流的情況下，它還是具有相對(duì)較低的電阻以及較少量的損耗。但是僅僅擁有正確的材料還是不夠的。

他們也設(shè)計(jì)了一種器件結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)電極頂部有一個(gè)絕緣材料網(wǎng)格，用于將電流注入到有機(jī)薄膜中。這種網(wǎng)格也稱(chēng)為“分布式反饋結(jié)構(gòu)”，可以產(chǎn)生發(fā)射激光所需的光學(xué)效應(yīng)。但是，研究人員又更進(jìn)了一步。

Adachi 表示：“通過(guò)優(yōu)化這些網(wǎng)格，我們不僅可以獲取期望的光學(xué)特性，而且可以控制器件中的電流，并將觀察有機(jī)薄膜發(fā)射激光所需的電量最小化。”

這項(xiàng)研究為進(jìn)一步拓展激光器在生物傳感、顯示器、醫(yī)療保健和光學(xué)通信領(lǐng)域的應(yīng)用鋪平了道路。研究人員對(duì)這些新器件的前景感到很有信心，因此，2019年3月22日，他們創(chuàng)立了一家初創(chuàng)公司（KOALA Tech Inc.），以加速研究和克服有機(jī)激光二極管商用的最后障礙。該公司的創(chuàng)始成員 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們的有機(jī)激光二極管，從而將這一最先進(jìn)的有機(jī)發(fā)光技術(shù)帶給全世界。