特殊浸润性界面诱导有机小分子单晶激光器阵列的制备

Integrated optoelectronic devices are the fundamental of modern optical commutation technologies. Compared to the conventional inorganic semiconductors, organic materials possess the unique advantages of low cost, designable property, mechanical flexibility and high processing efficiency, thus being considered as the next-generation optoelectronic material. However, organic materials have low compatibility with conventional micro-/nano-fabrication techniques owing to their lower tolerance with high temperature, irradiation and solvents. Herein, this project will focused on controlling the dewetting dynamics, nucleation and growth of organic molecules by manipulating the wettability of micropillar and constructing an asymmetric-wettability interface, yielding organic single-crystal arrays with precise position, large scale and high quality. In this project, a set of organic single-crystal arrays will be fabricated by tuning the geometry, size and arrangement of micropillars. The lasing emission property of those organic-crystal arrays will be investigated and designable lasers can be realized by tuning the resonant modes on organic single crystals with tunable shape, size and pattern. The superwettability-mediated patterning technique of organic micro-/nanocrystals developed in this project is a general method for processing high-performance organic-semiconductor devices, thus have potential applications toward organic photonics.

集成光电子器件是现代光通信技术的基础。相比于传统的无机半导体，有机半导体材料具有制备成本低、性能可设计、机械柔性好、加工效率高等特点，有望成为下一代光电材料。但是，有机材料不耐高温、辐射和溶剂的特点，使其难以与传统的微纳集成技术相兼容。本课题利用对固体表面浸润性的调控，拟发展一种新颖高效的有机半导体材料微纳米图案化技术。本项目拟从调控微柱表面浸润性出发，开发出不对称浸润性的微柱界面，控制有机分子的退浸润、成核、生长等过程，从而高精度、大面积、高质量的微纳米单晶阵列。本项目拟通过调控微柱的形状、尺寸和排列，制备一系列不同尺寸、形状和组分的有机晶体阵列，并研究其作为半导体微纳激光器的激射性能。通过对微纳晶体形状、尺寸和排列的调控，调控光的谐振模式，实现可设计的激光发射。本项目所提出的特殊浸润性界面调控微纳晶体组装，是一种普适性的高质量有机微纳器件的加工技术，在集成光子学领域有广泛应用。

有机微型激光器阵列是新一代信息技术的重要发展方向之一。其中，有机小分子单晶微纳阵列具有边缘缺陷少的优点，利于使结构产生光的谐振，从而有益于实现激光发射，因此更适于制备有机微型激光器阵列。然而由于有机材料具有化学稳定性差、易溶于常用有机溶剂等特点，因此无法耐受CMOS（传统无机集成工艺）的微加工条件。而目前已发展出的有机材料溶液图案化技术受到“咖啡环效应”的制约，其微纳液滴的退浸润过程不可控，溶液中的传质过程是无序的，导致难以制备高质量的单晶阵列，因此有机小分子发光材料单晶的图案化微加工是目前主要的技术瓶颈。因此，针对这一难题，申请人开发了基于界面调控的液相加工方法，并取得系列成果：（1）基于超浸润界面材料的制备和应用，发展了具有不对称浸润性的硅柱界面的制备方法；（2）利用顶端疏液侧壁超亲液的不对称浸润性界面，构筑了“微柱-有机溶液-基底”的“三明治”结构组装系统；（3）从调控微柱表面浸润性出发，利用原位观察和理论模拟等手段，研究固体浸润性与有机液体退浸润动力学之间的关系，建立相关的物理模型；（4）制备得到了具有平滑边缘的高结晶度有机微纳单晶阵列，并基于此实现了有机激光器的图案化制备；（5）测试验证了其优异的激光发射性能，并通过调节微柱形状等实现了多种形状的有机发光微纳米结构阵列，从而达到了激光器激射模数、阈值、模间距等参数的可控可调，完成了微纳激光器可设计制备的既定目标。相关研究成果共发表SCI论文19篇，其中第一或通讯作者论文14篇，包括Nat. Electron. 1篇，Nat. Commun. 1篇，Adv. Mater. 3篇，Matter 1篇等。