國立臺灣大學 陳永芳教授 ACS Nano : 一種高效的單節段白色隨機激光器

【文章亮點】

文章中，第一作者海德博士和通訊作者陳永芳教授等人領先證實：

1、可以拉伸的隨機雷射；

2、利用磁力可以調控雷射；

3、可以溶解再次利用的雷射；

4、單一物質之白光雷射；

5、超低能量激發之雷射。

【研究背景介紹】

? ? ? ? 基于發光二極管（LED）的固態照明（SSL）設備是最有效的實際來源，用于照明和高的色彩質量的顯示應用。但是，由于“效率下降”導致LED的性能受到很大限制。相反，激光二極管因為具有更亮、更節能、更準確和鮮艷的顏色，所以可以作為潛在的替代品用于顯示應用，并且激光器組成的顯示系統顯示出其可能比現有標準顯示器多覆蓋多達70％的顏色。但是，由于波長跨越整個可見光譜的多色或多波長激光器超出了單一材料的容量，所以生產白色激光一直是人們極為關注的焦點。
? ? ? ? 然而，只有少數報道了多色發光材料的挑戰及其產生激光作用的合適設計，發射波長足以覆蓋整個可見光范圍的白色激光。在大多數的情況下，產生的紅色、綠色和藍色（RGB）三原色的發射塊在空間上是分開的，并且是非常龐大、低效、復雜和昂貴的。但是，最近C. Z. Ning團隊成功地展示了基于單片白光激光的ZnCdSSe合金，該工作引起了極大的關注。 (Nat. Nanotechnol. 2015, 10, 796?803) 通過利用氣-液-固、氣-固和雙離子交換機制之間的相互作用，該裝置基于非常專用的策略而生長，導致這種方法很難應用于其他材料系統。眾所周知，II-VI半導體器件的長期穩定性是實際應用中的一個嚴重問題。
? ? ? ? ?隨機激光器對比常規激光器的優點是：制造工藝簡化、成本低、設計超精密微腔所需的高精度方法簡單。隨機激光器件的輸出發射的寬的角度分布使其成為SSL和顯示器應用的理想候選者，并且隨機激光器為廣泛的應用提供了包括無斑點圖像、照明、數據通信和生物傳感器等極好的選擇。但是由于產生多色發射的材料要求和用于產生激光作用的復雜設計，設計這種激光裝置仍然是一個具有挑戰性的問題。

【成果簡介】

近日，國立臺灣大學的張永芳教授（通訊作者）等報道了一種基于溶液處理NaYF₄：Yb/Er/Tm @ NaYF₄：Eu的核-殼納米粒子輔助Au/MoO₃的多層雙曲線材料的高效的單節段白色隨機激光器。通過具有雙曲線的源材料的合適設計，提高光子態密度，極大地增強從覆蓋紅色、綠色和藍色的核-殼納米粒子發射的多色激光，降低光子傳播的能量消耗，使得能量上轉換發射增強了~50倍，同時大幅降低了激光閾值。由無序納米顆粒基質的固有性質引起的多次散射為形成閉合反饋回路提供了便利的方式，有利于相干激光作用。實驗結果得到了有限差分時域（FDTD）方法的電磁仿真。該方法可以大大簡化具有顏色可調發射的激光器結構的設計，并可以擴展到許多其他材料系統。結合無角度的激光作用的特點，我們的設備為實現許多基于激光的實際應用提供了非常希望的解決方案。研究成果以題為“A Highly-Efficient Single Segment White Random Laser”發布在國際著名期刊ACS Nano上。

【圖文解讀】

圖一、 合成的NaYF₄：Yb/ Er/ Tm@NaYF₄：Eu核-殼納米顆粒通過加入乙醇沉淀并通過離心分離并再分散在環己烷中用于進一步使用。 發現復合物的化學計量比為NaYF₄：50％Yb/ 0.5％Er/ 0.5％Tm@ NaYF4：10％Eu。

Figure 1.??組成材料的形態學。（a）高度單分散的NaYF₄：Yb/ Er/ Tm @NaYF₄：Eu核-殼納米晶體的透射電子顯微鏡圖像，顯示出20 ± 0.5 nm的尺寸。（b-d）雙曲線超常材料（HMM）樣品的橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。?

圖二、 為了有效地增強多波長發射光譜，制作了三種不同的多層樣品，包括金（Au）作為金屬和三氧化鉬（MoO₃）作為介電材料。同時，為了獲得合適的金屬和介電材料成分以增強UCNP的發射，采用了確定有效介電張量的Maxwell-Garnett理論進行理論模擬計算。選擇Au/MoO₃多層的填充分數分別為HMM1，HMM2和HMM3的50％，28.125％和15.625％。
Figure 2.? 器件結構。（a）器件結構的示意圖；（b）復合異質結構的橫截面SEM圖像。

圖三、 研究了泵浦功率變化所引起的變化。Figure 3a 所示，隨著泵浦功率密度的增加，發射線的性質發生劇烈變化，發射光譜中多個尖峰的相應出現高于泵浦功率的閾值。Figure (3b-3d) 分別顯示了，作為泵浦功率密度的函數的發射的譜線寬度的變化、不同發射線的積分強度和輸出功率。Figure 3e 展示了綠線的閾值具有最低值，而藍線具有最高值，即藍色>紅色>綠色。 Figure 3f 觀察到載流子壽命具有高于泵浦功率閾值的次線性變化。
Figure 3.? UCNPs的白色激光演示。（a）在980 nm激光激發下來自UCNPs的發射光譜。（b-d）泵功率密度相關的積分強度，輸出功率和半峰全寬（fwhm），紅色（655-665 nm），綠色（540-545 nm）和藍色（473-480 nm） 分別來自UCNPs在SiO₂/Si襯底上的發射。（e）NaYF₄：Yb/ Er/ Tm@NaYF₄：Eu核-殼納米晶體中光子上轉換機制的示意圖。（f）載流子壽命隨紅色和綠色發射對應的泵浦功率密度的變化。

圖四、 為了證明上轉換發射的增強，設計了三個不同的HMM樣本的器件。Figure 4a 中描繪了在不同基板上以恒定泵功率密度記錄的上轉換發射光譜以及參考樣品。通過計算Commission Internationale d'Eclairage（CIE）坐標來估計不同裝置的合成顏色的變化。如Figure 4b 所示的發射光譜。我們可以清楚地看到HMM 1樣品的CIE指數（0.333, 0.334）與白光的定義很好地匹配。

Figure 4.? 雙曲線超材料誘導上轉換發射的增強。（a）UCNP/HMM復合材料在980 nm激光激發下，在0.66 kW. cm^-2的恒定泵浦功率密度下的發射光譜。（b）計算的CIE坐標的圖[參考，（0.332,0.331）; HMM 1，（0.333,0.334）; HMM 2，（0.334,0.354）; HMM 3，（0.334,0.0.342）]。

圖五、 發射光譜對泵浦功率密度的相應依賴性分別在Figure 5 的部分a、b和c中描繪，并且HMM 1，HMM 2和HMM 3的積分發射強度，輸出功率和譜線寬度的變化。
Figure 5. 具有雙曲線超材料的樣品的激光作用光譜。部分a、b和c分別描繪了樣品HMM 1，HMM 2和HMM 3的發射光譜的入射功率密度依賴性。

圖六、 來自UCNP的多發射線增強可歸因于來自HMM樣品的Purcell（柏塞爾）因子，其具有用于高光子態密度（PDOS）的雙曲線色散。Purcell（柏塞爾）因子可以在物理上被解釋為基于自發發射動力學的偶極輻射對周圍環境影響的發射率的增強。
Figure 6.? 計算的柏塞爾因子和散射效率。（a）用偶極子源計算的柏塞爾因子固定在基質上方10 nm處，用于參考HMM1，HMM2和HMM3樣品。（b）UCNP在不同基材上的散射效率的理論計算。

圖七、 遠場角| E |²分布涉及在輔助激光現象中起主要作用。用于XY，XZ和YZ平面的具有多波長區域的模擬散射場強度在Figure 7 中示出，其中X和Y（Z）指的是與襯底平行（垂直）的散射方向。
Figure 7.? XY，XZ和YZ平面的遠場角| E |²分布。（a-l）以矩陣形式排列的SiO₂/ Si和Au基HMM的散射| E |²強度，其中每行對應于平面（XY，YZ或XZ），每列立柱對于特定樣本。

【總結】

成功地研究展示了基于HMM和UCNP的集成的高效的單節段白色隨機激光器，并發現了有史以來的激光作用覆蓋了超過200 nm的寬光譜范圍。來自HMM襯底的高PDOS的存在對于通過放大輻射躍遷來驅動激光作用非常有用。使用這種簡單的架構，上轉換的發射增強超過了 50倍，顯示了實際應用的巨大潛力，并且導致激光閾值急劇下降。此外，可以調整雙曲線色散以在期望的光譜范圍內引導發射增強。同時，上轉換核-殼納米顆粒中發光構成材料的濃度比也對實現白光發射起決定性作用。通過理論模擬支持了我們對增強的白色激光作用的實驗觀察。基于單個部分的白色激光器的演示以及具有成本效益的制造工藝對于在從顯示器、照明、數據存儲、能量收集和生物醫學領域等多個實際應用中實現節能設備非常有用。更重要的是我們的方法可以很容易地在許多其他材料系統中實現，以開發尚未實現的高性能光電器件。

作者簡介：

陳永芳教授，國立臺灣大學教授，博士生導師。獲得榮譽：1. 國科會傑出研究獎：1990-1991，1992-1994，1996-1997 ；2. 國科會特約研究員：1998-2001，2001-2004 ；3. 中山學術獎：1994 ；4. 教育部國家講座：2001 ；5. 侯金堆傑出學術獎：2001 ；6. 中國物理學會會士、世界創新基金會會士：2002 ；7. 國立臺灣大學講座教授：2006-2018 ；8. 臺積電研究論文優等獎：2007 ；9. 亞太材料學院院士：2013 ；10. 美商科技論文優等、頭等獎：2007、2008、2009、2011、2013、2015、2016。

研究領域：主要研究興趣為研製新穎材料，操控材料之物理性質，量測分析材料之特性，以及發掘新奇之物理現象，所著重之主題包括：因結構局限引起之量子效應，如量子井，量子線，量子點；氮化物半導體之特性；研製特殊結構操控光學與電學特性，如光子晶體；與表面電漿子；有機與無機之複合物質。使用之主要實驗系統有光化學與電漿沈積系統，靜電力影像，陰極螢光光譜，掃描電子影像術，電子束蝕刻技術，電化學沈積法，光激螢光譜，遠紅外光磁譜，拉曼散射，近場光譜，與其他基本之光電量測系統。

代表性優秀文章：

1、Low-Threshold Lasing from 2D Homologous Organic–Inorganic Hybrid Ruddlesden–Popper Perovskite Single Crystals?CM Raghavan. TP Chen, SS Li, WL Chen, CY Lo, YM Liao, G Haider, ...Nano letters 18 (5), 3221-3228, 2018；

2、Integration of nanoscale light emitters and hyperbolic metamaterials: An efficient platform for the enhancement of random laser action.??HI Lin, KC Shen, YM Liao, YH Li, P Perumal, G Haider, BH Cheng, ...ACS Photonics 5 (3), 718-727, 2017；

3、Magnetically controllable random lasers .?CY Tsai, YM Liao, WC Liao, WJ Lin, P Perumal, HH Hu, SY Lin, ... Advanced Materials Technologies 2 (12), 1700170, 2017；

4、Dirac point induced ultralow-threshold laser and giant optoelectronic quantum oscillations in graphene-based heterojunctions . G Haider, R Ravindranath, TP Chen, P Roy, PK Roy, SY Cai, HT Chang, ... Nature Communications 8 (1), 256, 2017；

5、Dissolvable and recyclable random lasers.? X Shi, YM Liao, HY Lin, PW Tsao, MJ Wu, SY Lin, HH Hu, Z Wang, TY Lin, ... ACS nano 11 (8), 7600-7607, 2017;

6、Stretchable random lasers with tunable coherent loops. TM Sun, CS Wang, CS Liao, SY Lin, P Perumal, CW Chiang, YF Chen ，ACS nano 9 (12), 12436-12441, 2015。?

文獻鏈接：A Highly-Efficient Single Segment White Random Laser（ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b03035）

本文由高分&生物組、納米組小胖紙編譯，材料人整理編輯。

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