基于有机激发态耦合作用的光子学功能元件 基于有机激发态耦合作用的光子学功能元件

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研究领域二：基于有机激发态耦合作用的光子学功能元件

       有机分子材料吸收光子后产生定域在单个分子上的激发态（称为Frenkel激子），这种激子的结合能大（eV量级），室温稳定性高，空间限域性强。我们在研究中发现，Frenkel激子能够与光子发生强耦合，形成一种新的量子态——激子极化激元（Exciton polariton, EP）（J. Am. Chem. Soc. 2011；Acc. Chem. Res. 2016）。这是一种半光半物质的准粒子，它的形成会显著改变材料的自身属性，为我们调控材料的光电性质带来了新的思路。例如，EP的形成能够显著提高材料的折射率，降低光子激光阈值，合理设计材料体系还有望实现低阈值甚至零阈值激光。基于EP的特殊属性，我们构建了一系列新型的光子学功能元件。

1.     EP带来的非典型光子学行为

       不同于电子的运动行为，光子是不带电荷、没有静止质量的玻色子，其传输行为很难通过一般手段进行操纵。如何打破光子传输的时间反演对称性，实现适用于片上集成的非互易光学元件一直是集成光电子领域面临的难题。我们利用有机半导体中EP的特殊属性，首次在室温下通过静电场作用在单根有机纳米线中打破了光传输的对称性，实现了电场控制的光学二极管功能。产生的光二极管效应对电场的响应速度非常快（<3 ns）。在此基础上，我们对有机纳米线光学材料施加一个高频脉冲交流电场，利用一个控制信号，在纳米线的两端得到相位相反的交变输出信号，从而实现了高频率、快速响应的单刀双掷微纳光开关（Sci. Adv. 2018）。

       近期我们发展了一种有机半导体单晶微米带用于提供光学微腔和光生激子，在微米带中实现了室温下EP的玻色－爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein condensation, BEC）。BEC态是继气、液、固以及等离子态之后物质的第五态，通常表现出新颖的性质，如超流体、相干光产生等，在拓扑光学、量子调控等方面具有重要的应用。我们选择一种具有平面刚性结构并带有侧向取代基的有机分子作为增益材料，将其组装成厚约百纳米、宽度几微米、长度几百微米的带状单晶结构。这种形貌规整、表面光滑的微米带可以充当一个波导微腔，在光激发下，有机材料中的激子与微腔光子发生强耦合。微米带中有机分子的排布使得跃迁偶极矩与微腔的方向互相垂直，这种取向下激子与光子的耦合强度最大。因此，即使没有外加反射镜，微米带中也能产生大量的EPs，它们在有机分子振动能级的辅助下有效地通过散射弛豫到EP的基态，形成BEC。BEC下处于同一量子态的激子极化激元发射出的光子都是全同的，因此微米带可以输出相干光。并且，激子极化激元之间存在相互作用为我们提供了手段来对输出的相干光进行调控（Nat. Commun. 2021）。

玻色－爱因斯坦凝聚态用于可控的相干光输出（Nat. Commun.2021, 12, 3265）

 

2.     基于有机晶体材料中激子转化过程的光子学元件

 

       EP的产生使得我们可以通过有机材料中的激子转移与转化过程来调控光子的传输与耦合行为。在前期的工作中，我们通过控制体系的单重态—单重态能量转移（Singlet-singlet energy transfer, S-SET）与三重态—三重态能量转移（Triplet-triplet energy transfer, T-TET）过程，实现了激子在传播过程中的自我调节效应，从而在微纳尺度得到了稳定的白光输出（Adv. Mater. 2011），同时利用能量转移的单向性，在单个有机一维结构中实现了特定波长的单向导通传输行为，从而构建了光学二极管元件（Adv. Mater. 2012）。

基于有机异质结构中的激子能量转移实现光子路由器（J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2880）

        进一步从异质结的可控制备出发，利用有机小分子特定的组装与生长特性，通过液相和气相两步法，实现了客体分子在主体分子的一维主干结构上的可控外延生长，得到了一维有机分枝型异质结构，利用其中激子转化效率的差异性，实现了每个通道输出特定信号的光子路由器（J. Am. Chem. Soc. 2012）。相关研究结果表明，能量转移过程是一个可以建立控制单元和输入单元之间的联系的有效策略，这有助于我们实现具有光放大特性的光子学晶体管（Adv. Mater. 2013）。此外我们证实，能量给体实现受激辐射并将能量传递受体，当给体从自发辐射向受激辐射过渡时，在能量转移的协同作用下可以实现受体辐射的非线性放大。给体信号在纳米谐振腔中不断反馈放大，反复将能量传递给受体进一步放大受体信号，从使得光子学晶体管在较低激发功率下能对输入光信号实现显著的非线性放大（J. Am. Chem. Soc. 2018）。

 

3.     有机/金属复合体系中的激子-SPP耦合与光子信号操纵

       表面等离子极化激元（SPP）是一种存在于金属表面的特殊电磁场形式，可将光限域在衍射极限以下传播，其在偏振状态、模式体积、色散特性等方面具有一系列独特的物理性质，有利于实现亚波长尺度下的器件集成。我们设计了一系列有机/金属复合材料体系，将有机材料的激子与金属材料的表面等离子有效结合，可以同时解决衍射极限的问题与SPP的传输损耗问题。我们在有机金属纳米复合材料的可控制备，以及具有特定功能的亚波长光学器件设计等方面开展了系统的研究工作（Adv. Mater. 2012；Adv. Mater. 2013）。

有机柔性激光的全色亚波长输出（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 11329）

       在此基础上，我们设计了有机/银纳米线复合结构，利用光与SPP的耦合成功实现了激光模式的亚波长输出（J. Am. Chem. Soc. 2016）。用液相生长的方法将银纳米线包埋在有机微结构中。复合结构使有机材料内的激光模式能有效的在银纳米线上激发生成SPPs并在端点以光子的形式输出。耦合输出的SPPs模式与有机微腔内生的激光模式具有相同性质，如模式能量，偏振属性。同时改变泵浦方式可实现SPP输出的激光模式的调控（J. Am. Chem. Soc. 2017）。在此基础上通过在有机单晶体系中精确调控激子与表面等离子的相对取向，阐明了激子与SPP之间的耦合过程（ACS Nano 2017），并且实现了波长覆盖整个可见范围的微型激光的亚波长输出。相关研究为设计和开发亚波长尺度下的新型光子学器件提供了一种新的研究思路。