有机光子学集成器件
研究领域三：有机光子学集成器件
尽管有机材料展现出独特的光子学行为，然而目前为止仍然缺乏一种可靠、普适的技术，使得人们可以像利用光刻技术加工硅基材料那样，高精度地得到大面积的光学结构。这是有机光子学材料走向集成化过程中面临的一个关键瓶颈问题。近几年我们在有机柔性光子学集成器件的加工方面做了一系列探索，发展了打印、印刷、电子束直写、3D打印等技术，实现了大面积有机光子回路和有机微激光阵列的可控加工，并探索了集成器件在激光显示、智能光子皮肤、信息编码等领域的应用。
1. 有机集成光子学器件的可控加工
我们借鉴并运用了柔性打印电路的技术经验，首次提出并实现了有机打印光子学功能器件和集成回路，向有机纳米光子学实用化集成迈出了关键一步。我们打印得到的微环结构可以有效地将光束缚在其中形成光学谐振，其微腔品质因数可以与现有的硅光子学工艺得到的同类型器件相媲美。更重要的是，有机材料的可加工性，柔韧性，智能响应性为打印光子学器件带来更多的机遇（Sci. Adv. 2015）。
基于有机打印光子材料的微纳激光与集成器件（Sci. Adv. 2015, 1, e1500257）
2. 基于有机微纳激光阵列的全色激光显示
激光显示是继阴极射线、液晶、发光二极管（Light-emitting diode, LED）之后的下一代显示技术，可获得高亮度、极限高清、全色域等效果，已经在影院投影中得到了应用。但是用于手机、电脑等设备的平板激光显示尚未实现，最大瓶颈在于缺乏自发光激光显示面板。目前我们正从显示面板构筑和有机电泵浦激光两方面进行攻关（Acc. Mater. Res. 2021）。
基于有机微纳激光阵列的全色激光显示面板（Nat. Commun. 2019, 10, 870）
首先我们利用喷墨打印技术精准构建了红绿蓝微纳激光阵列作为显示面板，实现了主动发光激光显示，色域覆盖范围超过标准RGB空间的45%。利用这种主动发光的激光面板还可以实现图案的动态显示，用于信息滚动播出，视频播放等。该工作为发展高性能、易加工的平板激光显示及照明器件提供了一种可行的解决方案（Nat. Commun. 2019）。进一步，我们利用水系和油系有机染料溶液的浸润性差异，通过分步喷墨打印技术精准构筑了有机核壳异质结微纳激光像素阵列，从而在全可见光谱范围内调谐激光颜色。这种显示面板的色域范围超过标准RGB空间的66%，可以表达更丰富的色彩（Angew. Chem. Int. Ed. 2020）。
针对发光显示面板对电注入的需求，我们开发了浸润性辅助的丝网印刷技术，精准且快速地构建了大面积的微纳激光阵列结构，并实现了多色的激光出射（Adv. Mater. 2020）。这种印刷法制备的微激光器可以与LED的器件结构有效兼容，组成了微型LED阵列面板，获得电驱动的显示面板。通过电子束加工光刻胶微激光，以及在柔性基底上加工微纳随机激光阵列，我们分别展示了有机激光面板在可穿戴、可拉伸、可折叠显示领域的应用（Adv. Funct. Mater. 2021; Sci. China Mater. 2021）。
3. 基于有机微纳激光阵列的光学传感与信息编码
激光信号具有强度高、线宽窄的特点，有机激光染料的激发态特异性能对外界产生不同的激发态响应，并通过多次谐振将这一效应放大。因此，有机微纳激光作为传感器件能够显著提高传感器的灵敏度，激光作为信息编码载体具有极高的隐蔽性。我们基于本课题组发展的有机微激光阵列，结合具有特异性力学、光学、以及化学响应的分子材料体系，探索了光子器件作为高灵敏力学传感器在智能光子皮肤方面的应用，以及作为条形码和二维码在信息编码和防伪等领域的应用。
基于有机微激光阵列的可穿戴光子皮肤（Sci. Adv. 2021, 7, eabh3530）
人造智能皮肤是模仿或/和扩展人类皮肤功能的传感器件。有机材料的特性为制造大规模柔性传感器件单元提供了有效的途径。我们开发了一种双层电子束曝光技术，用于在光子皮肤芯片上大规模加工有机微激光阵列作为光学传感单元。我们透过这一技术在柔韧聚合物基板上制备了由耦合腔单模激光源组成的柔性机械传感器网络，并展示了这些微激光机械传感器在手势识别方面的应用（Sci. Adv. 2021）。
激光光谱包含了微腔结构的指纹信息，基于此我们设计了一套编码方法，能够自动、方便地识别有机微激光，就像用特定的条形码去识别商品一样（Adv. Mater. 2017）。进一步构建了具有受激辐射特性的能量给受体系，利用材料能量转移与自发辐射的竞争，展示了有机材料在信息编码及可隐藏的智能防伪方面的巨大优势（Nat. Sci. Rev. 2021），实现了高度隐秘信息加密与解密的方案（Research 2020），为探索微纳激光阵列的信息编码应用提供了新的思路。