阅读说明：本技术 一种有机半导体激光产生方法及装置 (A kind of organic semiconductor laser generation method and device ) 是由 陶国华 谭云舒 于 2019-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种有机半导体激光产生方法及装置,所述方法包括：当有机半导体基态电子接收到电信号后,所述有机半导体基态电子激发到激发态；调控声子,通过电子与声子的直接耦合达到电荷传输态；通过电子与声子直接耦合发生单线态裂分,达到亚稳定的多激子中间态,产生粒子数反转；所述有机半导体基态电子不断从多激子中间态跃迁回基态,控制有机半导体层产生激光。本发明将单线态的多激子中间态最终转化为单线态基态,不需要系间窜越,转化效率高,通过对电声子耦合的调节,使激光的性能更加优异,可广泛应用于有机半导体激光器件领域。(The invention discloses a kind of organic semiconductor laser generation method and devices, which comprises after organic semiconductor ground state electron receives electric signal, the organic semiconductor ground state electron is energized into excitation state；Regulate and control phonon, charge transmitting state is reached by the direct-coupling of electronics and phonon；Singlet occurs by electronics and phonon direct-coupling to split point, reaches more exciton intermediate states of meta-stable, generation population inversion；The organic semiconductor ground state electron constantly returns ground state from more exciton intermediate state transition, and control organic semiconductor layer generates laser.More exciton intermediate states of singlet are eventually converted into singlet ground state by the present invention, do not need intersystem crossing, and high conversion efficiency keeps the performance of laser more excellent by the adjusting to electric phonon coupling, can be widely applied to organic semiconductor laser part field.)

一种有机半导体激光产生方法及装置

技术领域

本发明涉及有机半导体激光技术领域，尤其涉及一种调控有机半导体单线态裂分中间态的激光产生方法及装置。

背景技术

原子受激辐射的光称为激光，原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出；自1960年美国科学家梅曼制造的第一台红宝石激光器问世以来，激光已经应用于电子、陶瓷、机械制造、航空航天等众多的科学技术领域。

有机半导体材料(导电能力介于金属和绝缘体之间)因其易成膜、柔性面积大、光电性能优异、能溶液加工等诸多特点，目前被广泛应用于激光材料领域。但有机半导体激光器通常脉宽较宽，空间质量较差，且缺乏很好的调控手段。且一般有机半导体激光器是通过单线态激发态跃迁回基态产生激光，该种方法有可能产生第一三重态，而三重态吸收会影响激光的强度。

常见的有机半导体激光器的原理如图1所示，当激发态电子回到基态时，发生受激辐射，由此产生激光。而经过系间窜越得到的T1态会吸收能量产生更高能级的三重激发态，由此抑制激光。

现有技术中还构建了一种铱配合物的三线态敏化剂，通过能量转移调控三线态激子，从而增强激光强度，图2为其原理图，但铱配合物制备较困难，且三线态激子转化为工作物质的S1激发态过程属于系间窜越，转化效率较低。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：现有技术中激光器脉宽较宽、空间质量较差的问题。本发明提供一种有机半导体激光产生方法及装置，使得有机半导体的中间态发生粒子数反转，从而产生激光。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种有机半导体激光产生方法，其中，所述有机半导体激光产生方法包括：

当有机半导体基态电子接收到电信号后，所述有机半导体基态电子激发到激发态；

调控声子，通过电子与声子的直接耦合达到电荷传输态；

通过电子与声子直接耦合发生单线态裂分，达到亚稳定的多激子中间态，产生粒子数反转；

所述有机半导体基态电子不断从多激子中间态跃迁回基态，控制有机半导体层产生激光。

所述的有机半导体激光产生方法，其中，所述通过电子与声子直接耦合发生单线态裂分，达到亚稳定的多激子中间态，产生粒子数反转具体包括：

体系的哈密顿量为：

H＝H_el+H_ph+H_el-ph；

电子哈密顿量为：H_el＝∑_k|k＞E_k＜k|+∑_l≠k|k＞E_kl＜l|；

声子哈密顿量为：

电声子耦合项为：H_el-ph＝∑_k|k＞＜k|∑_j(-c_kjQ_kj)；

其中，E_k为第k个电子态的能量，E_kl为第k个电子态耦合的能量，l表示第l个电子态，(Q_kj，P_kj)为与第k个电子态耦合的第j个声子热浴模在相空间中的点，ω_kj，c_kj分别其对应的频率和耦合常数，N_b是与每个电子态耦合的热浴模的数目。

所述的有机半导体激光产生方法，其中，采用经典映射理论的活化态轨线方法描述电声子耦和动力学，其中，经典映射理论的哈密顿量可写为：

其中，为第k个态的布局数，H_kk为第k个态的哈密顿量矩阵元，(x_kx_l+p_kp_l)为第k个态与第l个态间的相干耦合项的布局数，H_kl为第k个态与第l个态间的相干耦合项，(x，p)，(Q，P)分别是经典电子及核自由度的坐标及动量，γ为描述有效零点能的参数，γ＝1/2，或者

所述的有机半导体激光产生方法，其中，所述活化态轨线方法的运动方程为：

其中，

B_mk，B_ml，B_lk为其对应的电子系数矩阵，其中 H_mk为第m个态与第k个态相耦合的哈密顿量，H_act，P_act，Q_act分别为活化态的哈密顿量、核动量和坐标。

所述的有机半导体激光产生方法，其中，所述活化态由如下窗口函数确定：

其中，

其中，Δn＝2γ为窗口宽度，η(x)为阶梯函数， 为电子布局变量，N_k为量子态数，k为态指标。

所述的有机半导体激光产生方法，其中，选取声子谱密度函数为德拜形式：

其中，λ为重组能，ω为频率，ω_c为特征频率。

所述的有机半导体激光产生方法，其中，所述λ＝100meV及ω_c＝180meV。

所述的有机半导体激光产生方法，其中，所述多激子中间态与所述激发态之间的带隙为1.5eV-2.5eV。

为实现上述目的，本发明还提供一种有机半导体激光产生装置，其中，所述有机半导体激光产生装置包括：

从上至下依次设置的阴极、电子传输层、有机半导体薄膜层、空穴传输层、阳极和衬底；

所述衬底用于支撑薄膜；所述空穴传输层和所述电子传输层分别用于控制空穴与电子在所述有机半导体薄膜层中传输；所述有机半导体薄膜层用于发生受激辐射后产生激光；

所述阳极和所述阴极将空穴注入空穴传输层的最高已占轨道能级，所述阴极将电子注入电子传输层的最低未占轨道能级，所述电子传输层的电子与所述空穴传输层的空穴向所述有机半导体薄膜层迁移，当所述有机半导体薄膜层收到电信号后发生受激辐射，通过电声子耦合形成稳定的激子中间态实现粒子数反转，激子不断的从多激子中间态回到基态使得所述有机半导体薄膜层产生激光。

所述的有机半导体激光产生装置，其中，所述有机半导体薄膜层为稠环芳烃类化合物。

本发明通过电声子耦合调控有机半导体单线态裂分(singlet fission，简称SF)的中间态，使得有机半导体的中间态发生粒子数反转，从而产生激光，旨在提供一种新的有机半导体激光器调控方法，以解决现有激光器脉宽较宽等有待改进的问题。

附图说明

图1是现有技术中激发态电子回到基态时发生受激辐射产生激光的原理示意图；

图2是现有技术中通过能量转移调控三线态激子从而增强激光强度的原理示意图；

图3是本发明有机半导体激光产生方法的较佳实施例的流程图；

图4是本发明有机半导体激光产生方法中激光产生时粒子数反转的原理示意图；

图5是本发明有机半导体激光产生方法中调控多激子中间体的示意图；

图6是本发明有机半导体激光产生方法的较佳实施例中在重组能为200meV，300K时S1态、TT态、CT态随声子调控时间变化示意图；

图7是本发明有机半导体激光产生方法的较佳实施例中在重组能为100meV,300K时S1态、TT态、CT态随声子调控时间变化示意图；

图8是本发明有机半导体激光产生装置的较佳实施例的结构原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明较佳实施例所述的有机半导体激光产生方法，如图3所示，一种有机半导体激光产生方法，其中，所述有机半导体激光产生方法包括以下步骤：

步骤S10、当有机半导体基态电子接收到电信号后，所述有机半导体基态电子激发到激发态；

步骤S20、调控声子，通过电子与声子的直接耦合达到电荷传输态；

步骤S30、通过电子与声子直接耦合发生单线态裂分，达到亚稳定的多激子中间态，产生粒子数反转；

步骤S40、所述有机半导体基态电子不断从多激子中间态跃迁回基态，控制有机半导体层产生激光。

如图4和图5所示，本发明激光产生时粒子数反转过程为：当有机半导体基态电子受到光信号后，所述有机半导体基态电子激发到激发态S1；调控声子(调控方法可选，例如通过控温，或光激发调控。)，通过电子与声子的直接耦合达到电荷传输态CT，再通过电子与声子的直接耦合发生单线态裂分，达到亚稳定的单线态的多激子中间态，产生粒子数反转，此时电子不断地跃迁回基态，从而产生激光。

其中，单线态裂分是指处于单线态(S₁)的激子于相邻的处于基态(S₀)的激子相互作用，通过多激子中间态¹(TT)，产生两个独立的三线态激子(T₁)的特殊过程内转换过程，可由下式表示：

通过电声子耦合调控有机半导体单线态裂分(singlet fission，简称SF)的中间态，使得有机半导体的中间态发生粒子数反转，从而产生激光。

为说明通过电-声子耦合调控单重态裂分中间态的基本原理，将体系的哈密顿量H写为如下类spin-boson形式：

H＝H_el+H_ph+H_el-ph；

电子哈密顿量为H_el＝∑_k|k＞E_k＜k|+∑_l≠k|k＞E_kl＜l|，

声子哈密顿量为

电声子耦合项为H_el-ph＝∑_k|k＞＜k|∑_j(-c_kjQ_kj)。

其中，E_k为第k个电子态的能量，E_kl为第k个电子态耦合的能量，(Q_kj，P_kj)为与第k个电子态耦合的第j个声子对应的振动模式在相空间中的点，ω_kj，c_kj分别其对应的频率和耦合常数，N_b是与每个电子态耦合的热浴模的数目。

下面采用基于Meyer-Miller经典映射理论的活化态轨线方法描述电声子耦和动力学。经典映射理论的哈密顿量可写为：

其中，为第k个态的布局数，H_kk为第k个态的哈密顿量矩阵元，(x_kx_l+p_kp_l)为第k个态与第l个态间的相干耦合项的布局数，H_kl为第k个态与第l个态间的相干耦合项，(x，p)，(Q，P)分别是经典电子及核自由度的坐标及动量，γ为描述有效零点能的参数。可选地，γ＝1/2，或者

进一步地，所述活化态轨线方法的运动方程为：

其中，

B_mk，B_ml，B_lk为其对应的电子系数矩阵，其中 x_m和x_k分别为第m个电子、第k个电子的坐标，p_m和p_k分别为第m个电子、第k个电子的动量，δ_mk是一种数学的运算函数；H_mk为第m个态与第k个态相耦合的哈密顿量，H_act，P_act，Q_act分别为活化态的哈密顿量、核动量和坐标。

所述活化态由如下窗口函数确定：

其中，

其中，Δn＝2γ为窗口宽度，η(x)为阶梯函数， 为电子布局变量，N_k为量子态数，k为态指标。

不失一般性地选取声子谱密度函数为德拜形式：

其中，λ为重组能，ω为频率，ω_c为特征频率。

本实施例中，取λ＝100meV(meV表示兆电子伏特，能量单位)及ω_c＝180meV，该组合给出Huang-Rhys因子为0.6，于光谱实验相符合。为方便比较，将该设定称为标准状态。

下面以并五苯十聚体为实施例，说明电-声子耦合调控机制。体系包含52个电子态(10个单线态(S0S1/S1S0)，28个电荷传输态(CT)，14个多激子中间态(TT))。态能级取相对值为E(S1)＝0.0eV，E(CT)＝0.3eV，E(TT)＝0.17eV。每个电子态耦合声子数目可取1-10000个。

如图6、图7所示，通过上述方法，根据计算推导及模拟数据，本实施例可得到如下数据：通过对声子进行组合调控，改变其特征频率及重组能，相对于标准状态的TT态布局数在500fs时由34％提高到54％。需要注意的是，本实例仅为展示通过调控电-声子耦合可获得预期的中间态布局数，不表示所采用参数及中间态布局数为最优。在另一组参数条件下，可重建平衡态分布，对中间态进行抑制，使S1态在500fs时达到60％。

进一步地，如图8所示，基于上述有机半导体激光产生方法，本发明还相应提供了一种有机半导体激光产生装置，所述有机半导体激光产生装置包括：

从上至下依次设置的阴极1、电子传输层2、有机半导体薄膜层3、空穴传输层4、阳极5和衬底6。

其中，所述衬底6用于支撑薄膜；所述空穴传输4层和所述电子传输层2分别用于控制空穴与电子在所述有机半导体薄膜层3中传输；所述有机半导体薄膜层3用于发生受激辐射后产生激光。

具体地，所述阳极5和所述阴极1将空穴注入所述空穴传输层4的最高已占轨道能级(HOMO能级)，所述阴极1将电子注入所述电子传输层2的最低未占轨道能级(LUMO能级)，所述电子传输层2的电子与所述空穴传输层4的空穴向所述有机半导体薄膜层3迁移，当所述有机半导体薄膜层3收到电信号后发生受激辐射，通过电声子耦合形成稳定的激子中间态实现粒子数反转，激子不断的从多激子中间态回到基态使得所述有机半导体薄膜层3产生激光。

进一步地，当需要关闭激光时，通过调控电声子耦合使得激子中间态减少，基态电子含量增加，从而关闭激光。该过程的优势在于，产生的¹(TT)态为单线态，更易转化为低能级的单线态，以产生激光。

所述有机半导体薄膜层3可为稠环芳烃类化合物，例如并五苯类似物，其¹(TT)态与S1态之间的带隙可为1.5eV-2.5eV(其中，eV表示电子伏特，为能量单位)。

所述电子传输层2可以为并五苯等单线态裂分量子产率高的并苯衍生物。

所述空穴传输层4的HOMO能级、电子传输层2的LUMO能级应选用有机半导体层的能级匹配度较好的材料。

所述衬底6材料为有机材料、无机材料、或有机材料与无机材料的复合物。

综上所述，本发明提供有机半导体激光产生方法及装置，所述方法包括：当有机半导体基态电子接收到电信号后，所述有机半导体基态电子激发到激发态；调控声子，通过电子与声子的直接耦合达到电荷传输态；通过电子与声子直接耦合发生单线态裂分，达到亚稳定的多激子中间态，产生粒子数反转；所述有机半导体基态电子不断从多激子中间态跃迁回基态，控制有机半导体层产生激光。本发明通过电声子耦合，使得有机半导体中的多激子中间体比率增加。通过对电声子耦合的调节，使激光的性能更加优异，可以广泛应用于有机半导体激光领域。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。