基于有机激光阵列的爆炸物探测器件

The detection of hidden explosives is one of the current pressing concerns in global security and is in an urgent need. Great efforts are being devoted to developing novel techniques and sensing devices for detecting explosives in order to achieve super-sensitivity as well as ultra-selectivity. .In this proposal, we will employ organic semiconducting polymers as sensory materials in conjunction with 1D or 2D gratings as laser resonators to integrate multiple functionalized organic semiconductor lasers on to a single chip with millimeter dimensions, targeting at highly sensitive and selective detection of aromatic explosives. An array of lasers made from different organic semiconductors (with distinct responsivity to various types of explosives) and diverse laser cavities (providing variable sensitivity) will give a step-change in plastic explosive sensors’ performance and capability. Nanoimprint lithography will be utilized to fabricate laser array sensor. Linear Discriminant Analysis (LDA) and Principal Component Analysis (PCA) methods will be adopted to analyze lasing sensing signals of the laser array and to build a “fingerprints” data base for explosives. The design, construction, fabrication and performance of the novel organic laser array for explosive vapour trace detection will be investigated.

随着爆炸物制备和隐匿水平的不断提高，微痕量爆炸物的高灵敏度、可识别实时探测面临严峻的挑战，建立和发展新的探测技术以消除爆炸物对环球安全的威胁非常迫切。本项目拟开发阵列式有机激光爆炸物传感器件，以芳香族硝基化合物炸药气氛为研究对象，以有机半导体聚合物为检测材料，激光技术为检测手段，利用激光谐振腔的设计来提高和优化激光传感单元的检测灵敏度及对不同爆炸物的广谱响应选择性；通过引入阵列式激光器件结构，利用纳米压印技术制作有机激光传感单元阵列；结合实时的数学分析技术，如线性判别分析及主成分分析，建立爆炸物分子的“指纹图谱”从而实现传感器对混合爆炸物的高灵敏度选择性识别。项目将研究该新型传感器件的设计、构建、制作及对爆炸物分子的检测行为，开创痕量爆炸物探测的全新模式。

本项目开展了有机半导体及钙钛矿材料及器件领域的几项工作, 包括：无机钙钛矿激光器件研究；无机铅卤钙钛矿薄膜发光器件研究；长寿命钙钛矿太阳能电池器件研究；电纺丝技术调控有机光伏器件研究等。项目构筑了以纯无机钙钛矿CsPbBr3为主体的掺杂钙钛矿波导激光器件，系统研究了有机胺离子掺杂CsPbBr3对其材料光电性质的影响，特别是对CsPbBr3薄膜非辐射跃迁损失、光放大阈值以及波导增益的影响，所制备的掺杂的无机钙钛矿CsPbBr3薄膜在室温下放大自发辐射的阈值范围在54 KW/cm2-80 KW/cm2，增益系数范围在25 cm-1-49cm-1，本征损失范围在5 cm-1-10 cm-1之间。证明了无机钙钛矿CsPbBr3是一类具备良好的物理化学稳定性及光热稳定性的激光增益介质材料。项目接下来以无机钙钛矿CsPbBr3为发光介质，研究了聚合物以及无机盐添加剂对CsPbBr3薄膜结构、缺陷态密度、电荷迁移率以及发光器件性能的影响，并构筑了效率高、稳定性好的钙钛矿发光二极管材料与器件。另外，项目研究了原子层沉积法（ALD）构建钙钛矿太阳能电池的电子传输材料以及封装材料的潜力，并研究了ALD沉积电子传输层的界面特性及电荷传输特性，探索了水氧阻隔层的沉积机理以及封装效果，获得能量转化效率高、稳定性好的钙钛矿太阳能电池，该电池器件在空气中放置1000小时，效率仍可以维持在初始效率的93%。项目最后探索了具有普适性的同轴静电纺丝技术制备具有取向性的核/壳状双层纳米纤维的方法，研究了共轭聚合物纳米纤维对有机太阳能电池活性层的成膜性、形貌、电荷传输以及电池器件特性的影响，研究了纳米纤维对于制备高性能厚膜光电薄膜的性能提升以及对相应有机光伏器件性能提升的工作机理，所制备的掺杂静电纺丝纳米纤维的二元及三元有机光伏器件，其效率比参比器件效率分别提升了37%和11%。