CN106936059B - 具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件、应用及其制备方法 - Google Patents

具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件、应用及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件、应用及其制备方法，本发明器件基于金纳米颗粒的局域表面等离激元共振效应和散射效应，有效改善面发射激光的特性，包括发射强度增强，阈值降低，且品质因子提高。特征是由玻璃衬底、金纳米颗粒、间隔层、增益介质组成，激光增益介质由掺杂型有机小分子主客体材料组成，间隔层与增益介质中的主体材料相同。将此激光结构作为色转换层运用于有机电致二极管中，在该组合器件中能够利用发光层发射的光激发有机染料薄膜层发光，为实现结构简单的电泵浦有机激光器件提供了一种有效的方案。本发明中的结构均由真空蒸镀法制备，简单快捷。

Description

具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件、 应用及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种薄膜激光器及其制备方法，特别是涉及一种小分子有机激光薄膜器件、应用及其制备方法，应用于激光器技术领域。
背景技术
对于激光的工作物质，我们通常使用的有玻璃、晶体等固体、有机与无机液体等液体、分子气体、原子气体、离子气体等气体、半导体等。这些激光材料的制备工艺难度大，且价格昂贵，在性能上有各自的局限性。长期以来，科学家们一直致力于新型激光染料的发展，进而获得更加完美的激光器。
自1964年，Stockman等人使用高功率的闪光灯泵浦C20H12溶液发现了净增益的现象，首次证明了有机化合物可以产生激光发射。有机半导体激光经历多年的发展并取得了很大的进步，有机激光材料的研究主要集中在小分子和聚合物两类中，常见的有机小分子材料如DCM、PBD等。小分子材料的分子结构确定，易于合成及提取，大多数分子都可以采用真空蒸镀的方法成膜。虽然以前的固体染料激光器也是将激光染料小分子掺入有机材料中，但那些有机材料是电绝缘的。而采用有机小分子导电薄膜作为激光染料的基质材料，可制备出高发光效率、高质量的薄膜，降低了激射阈值[1]。
但是这样的薄膜激光器基本上都是端面接收，即边发射，边发射半导体激光器有出射光束图形复杂、发散角大等先天劣势，在半导体激光器的加工与应用过程中，为获得理想的激光输出质量，往往在增大激光器输出功率的同时需要进行光束整形、准直和耦合，从而克服边发射激光半导体激光器的缺点。但是昂贵的精密光束整形系统和高装调难度大幅增加了激光器的加工制作成本，制约了边发射激光器件的产品化。
表面发射半导体激光器为上述边发射激光器所面临的问题提供了切实可行的解决方案。按照结构不同，表面发射半导体激光器可以分为很多种，现今商用的主要是垂直腔表面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers,VCSELs)，因其圆形输出光斑、单纵模输出、低阈值电流、易耦合、价格低廉以及易集成化等特点已广泛应用于通信领域，但是与边发射激光相比，其极低的光子单程增益严重限制了器件的输出功率，同时圆对称结构使得横向模式不稳定，以及制作材料单一等都阻碍了VCSELs的进一步发展。除VCSELs以外，还有纵向振荡表面发射半导体激光器，如光子晶体(PhC)谐振腔激光器，环形腔(Ring cavity)激光器，以及二阶Bragg式光栅实现表面输出耦合功能的面发射DFB半导体激光器(SE-DFB-LD)[2]。这些结构适合于对半导体激光基础研究的应用，但它们并没有充分利用有机半导体激光器件的优势。
非专利参考文献：
[1]P.Il-Soo,P.Soon-Ryong,S.Dae-Yup,O.Jun-Sik,S.Won-Jun,Y.Ji-Hwan,Modeling and simulation of electronic and excitonic emission properties inorganic host guest systems.Organic Electronics,Vol.11,No.2,2010,pp.218-226.
[2]田锟,邹永刚,马晓辉,郝永芹,关宝璐,侯林宝,面发射分布反馈半导体激光器.中国光学,第9卷,第1期,2016,pp.51-64.
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件、应用及其制备方法，充分利用小分子有机半导体材料的优点，制备掺杂型小分子有机激光薄膜，并用一种简单的方式即真空蒸镀一层金纳米颗粒来改善其光泵浦面发射激光特性。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下发明构思：
本发明在光泵浦条件下采用发射表面激光的掺杂型小分子有机激光薄膜和用以改善其激光特性的金纳米颗粒层。掺杂型小分子有机激光薄膜发射激光的原理为：主体材料吸收泵浦源泵浦能量，通过能量转移传递给客体材料，客体小分子激光染料受激辐射从而发射激光。而金纳米颗粒的添加，产生表面局域场，通过与受激辐射的激光染料分子产生等离子体共振从而增强其发射强度，同时由于散射效应等改变其发射方向，使得面发射比例增强并且阈值降低，品质因子也得到明显的提高。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件，主要由衬底和增益介质层组成，在衬底和增益介质层之间还设置增强激光辐射复合薄膜，具体为：
在衬底和增益介质层之间设置掺杂型小分子有机激光薄膜作为间隔层，并在掺杂型小分子有机激光薄膜中弥散掺杂了金纳米颗粒形成增强激光辐射复合薄膜；或者在衬底表面上设有由金纳米颗粒形成的非连续的、不能整体横向导电的离散颗粒薄膜，并在金纳米颗粒形成的离散颗粒薄膜和增益介质层之间设置非平整的间隔层的薄膜，即在衬底和增益介质层之间，设置了由金纳米颗粒的离散颗粒薄膜和间隔层的薄膜层叠形成的增强激光辐射复合薄膜；
在增强激光辐射复合薄膜中的金形成孤立的颗粒或者碎片化颗粒聚合体；间隔层采用与增益介质层的主体材料相同的材料或者分子结构类型相同的材料，以保证激光增益介质受激辐射后所受的影响最小。本发明器件结构简单，制备方式简单快捷。本发明器件进行面发射激光能克服边发射激光出射图形复杂、发射角大等先天劣势。在此基础上进一步的研究改进后获得理想的光输出质量，是一种廉价优质的光泵浦面发射激光器。
作为本发明优选的技术方案，增益介质层中的激光增益介质由有机小分子主客体材料掺杂而成，其主体材料为能够有效吸收激光能量的有机小分子材料，其客体材料为红色小分子激光染料。
上述主客体掺杂质量比例优选为1:1％～1:7％。以保证激光染料含量足够发射表面激光而又不会因为太高而引起荧光猝灭。
在上述增益介质层中的主体材料优选采用1,4-bis[N-(1-naphthyl)-N'-phenylamino]-4,4'diamine(NPB)、1,4-bis[2-[4-[N,N-di(p-tolyl)amino]phenyl]vinyl]benzene(DSB)和tris-(8-hydroxyquinolinato)aluminum(III)(Alq3)中的任意一种有机小分子材料或者任意几种材料的有机小分子混合材料。这3种材料都能有效地吸收泵浦光源的激光，并且其发射光谱与红色激光染料的吸收光谱重叠率良好，从而可以通过能量转移有效地传递给红光材料。
在上述增益介质层中的客体材料优选采用4-(Dicyanomethylene)-2-methyl-6-[p-(dimethylamino)styryl]-4H-pyran(DCM)和4-(dicyanomethylene)-2-t-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidyl-9-enyl)-4Hpyran(DCJTB)中任意一种低阈值的红色小分子激光染料或者二者混合的红色小分子激光染料。
作为本发明优选的技术方案，间隔层的薄膜的厚度为2～8nm，以保证在能够生长成薄膜的基础上完整覆盖上述生成的金纳米颗粒；金纳米颗粒的离散颗粒薄膜厚度为0.4～3.0nm，以保证蒸镀到玻璃表面的金会生长成孤立的颗粒，避免生长成连续的薄膜而造成横向连续导电。具有局域表面等离子体共振谱，与红色激光染料分子的吸收光谱有良好的重叠起到等离激元共振作用，从而改善激光特性；增益介质层的厚度为50～200nm。金纳米颗粒直接蒸镀在玻璃表面，使其后覆盖在颗粒表面的有机薄膜层呈现非平面结构。相较于无金纳米颗粒结构，金纳米颗粒的散射作用与薄膜的非平面结构都有利于增强面发射出光。间隔层位于金纳米颗粒与增益薄膜层之间，作用是避免有机发光分子与金属直接接触而发生猝灭。
作为本发明优选的技术方案，间隔层的薄膜的厚度与金纳米颗粒的离散颗粒薄膜厚度成正相关关系比例。
一种本发明具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件的应用，将具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件作为色转换层运用于电致有机发光器件泵浦的激光器中，组成电泵浦有机激光器件。
作为本发明优选的技术方案，本发明器件有足够高的发光效率能够达到有机薄膜的阈值，本发明应用将具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件作为色转换层运用于有机电致二极管中，并设置于电致有机发光器件泵浦的激光器中，组成小分子OLED泵浦的平面型有机激光光源发光器件或有机激光点光源发光器件。利用本发明器件组合成的电泵浦有机激光器件中，金纳米颗粒能够通过等离激元共振作用提高有机激光薄膜层的发光强度，利用散射效应增强表面出光比例，降低空穴注入势垒以提高空穴注入效率，最终使器件效率明显提高，有利于实现OLED泵浦的有机激光器件。
一种本发明具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件的制备方法，用真空蒸镀法依次蒸镀衬底、间隔层、增益介质层和金纳米颗粒的离散颗粒薄膜，或者利用真空蒸镀法向间隔层中掺杂金纳米颗粒制备增强激光辐射复合薄膜。
作为本发明优选的技术方案，在本发明制备方法中，具体的各部分材料与制备工艺步骤如下：
a.选取设定尺寸的衬底，用丙酮、去污粉、洗洁精清洗后，再用去离子水超声清洗后烘干，得到洁净干燥的衬底；
b.采用真空蒸镀法，在上述步骤a中已经清洗好的衬底上蒸镀金纳米颗粒，蒸镀速率为0.005～0.05nm/s，蒸镀金纳米颗粒的离散颗粒薄膜厚度为0.4～3.0nm；
c.采用真空蒸镀法，在上述步骤b中制备的金纳米颗粒的离散颗粒薄膜结构上继续蒸镀一层有机小分子材料层，作为间隔层，蒸镀速率为0.01～0.05nm/s，厚度为2～8nm；
d.采用双源共蒸法，在上述步骤c中制备的间隔层结构上继续蒸镀掺杂型有机小分子增益介质层，其厚度为50～200nm，制备增益介质层采用的材料为有机小分子主体材料与客体材料，制备增益介质层采用主体材料采用与在上述步骤c中制备的间隔层中一样的主体材料，制备增益介质层采用的主客体质量百分比控制在1:1％～1:7％。在制备增益介质层时，控制总蒸镀速率为0.06～0.12nm/s，主客体的各自蒸镀速率按具体的质量百分比分别进行计算和实施，最终制成有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件。
本发明中，金纳米颗粒的蒸镀速度控制在0.005～0.05nm/s之间，厚度为0.4～3.0nm，蒸镀到玻璃表面的金会生长成孤立的颗粒，具有局域表面等离子体共振谱，需要与红色激光染料分子的吸收光谱有良好的重叠才能起到等离激元共振作用，从而改善激光特性。因此如果速度低于0.005nm/s或者厚度低于0.4nm，金纳米颗粒的共振峰达不到红光波长区域，导致没有效果或者效果不明显；如果速度高于0.05nm/s或者厚度高于3.0nm，蒸镀到玻璃表面的金会生长成连续的薄膜，不能互相孤立而造成横向连续导电。
本发明中，金纳米颗粒直接蒸镀在玻璃表面，使其后覆盖在颗粒表面的有机薄膜层呈现非平面结构。相较于无金纳米颗粒结构，金纳米颗粒的散射作用与薄膜的非平面结构都有利于增强面发射出光。
本发明中，激光增益介质为有机小分子主客体材料掺杂而成。主体材料为能够吸收泵浦光源激光能量的有机小分子材料，并优先选用NPB、DSB和Alq3中任意一种或任意几种；客体材料为红色小分子激光染料，不仅能有效吸收主体材料传递的能量，并且其吸收光谱能与金纳米颗粒的共振谱重叠，优先选用DCM、DCJTB等阈值低的红色小分子激光染料。
本发明中，主客体掺杂质量比例在1:1％～1:7％，当浓度低于1％时，激光染料含量太低而无法发射表面激光，当浓度高于7％时，染料分子含量太高而引起荧光猝灭，同样无法发射表面激光。
本发明中，间隔层的作用是避免有机发光分子与金属直接接触而发生猝灭。间隔层有机小分子的蒸镀速率控制在0.01～0.05nm/s之间，比一般小分子有机物的蒸镀速率低很多，是为了保证在能够生长成薄膜的基础上完整覆盖上述生成的金纳米颗粒。间隔层的厚度控制在2～8nm，具体的数值与上述的金纳米颗粒蒸镀厚度成正相关。
本发明中，间隔层选取与增益介质主体材料相同的材料或者分子结构类似的材料，以保证激光增益介质所受的影响最小，不同的材料可能会导致受激辐射出的激光被间隔层吸收而发不出激光。
本发明提出的金纳米颗粒增强的低阈值面发射掺杂型小分子有机激光薄膜能够运用于电致有机发光器件泵浦的激光器中，组成电泵浦有机激光器件。只要该电致发光器件的发光层发射光谱与有机激光薄膜的吸收光谱有良好的重叠，以使发光层发出的光能有效激发激光薄膜层。如果该器件有足够高的发光效率能够达到有机薄膜的阈值，将有希望实现结构简单的小分子OLED泵浦的有机激光器件。
本发明提出的组合型电泵浦有机激光器件中，金纳米颗粒能够通过等离激元共振作用提高有机激光薄膜层的发光强度，利用散射效应增强表面出光比例，降低空穴注入势垒以提高空穴注入效率，最终使器件效率明显提高。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明提出了一种掺杂型小分子有机激光，能够实现表面发射激光，结构简单，制备方式便捷；
2.现有的红色激光染料品质因子低，本发明中的主体材料吸收峰接近于泵浦源的激发光谱，能够有效地将能够通过能量转移传递给客体材料，从而使红色激光染料发出激光；
3.本发明利用金纳米颗粒的表面等离激元共振作用和散射效应，并由于直接蒸镀在玻璃表面的颗粒引起的有机薄膜层的非平面结构，改善面发射激光的特性，提高面发射相较于边发射的比例，包括增强其发光强度，降低其阈值，提高其品质因子，制备方式同样简单；
4.面发射激光能克服边发射激光出射图形复杂、发射角大等先天劣势，本发明通过进一步的研究改进后获得理想的光输出质量，能制造一种廉价优质的光泵浦面发射激光器；
5.本发明提出的金纳米颗粒增强的低阈值面发射掺杂型小分子有机激光薄膜能够用于电致有机发光器件泵浦的激光器中，组成电泵浦有机激光器件；
6.本发明器件有足够高的发光效率能够达到有机薄膜的阈值，相比现有的结构复杂的面发射器件，将有希望实现结构简单的小分子OLED泵浦的面发射有机激光器件；本发明采用金纳米颗粒除了能提高激光薄膜层的发光强度和表面出光比例，还能提高空穴注入效率，使器件效率提高。
附图说明
图1为本发明实施例一具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件的结构示意图。
图2为本对比例一激光薄膜器件的结构示意图。
图3为本发明实施例一与对比例一在光泵浦激光强度为40uJ/Pulse时的激光薄膜器件的面发射激光光谱对比图。
图4为本发明实施例一与对比例一在光泵浦激光强度为80uJ/Pulse时的激光薄膜器件的面发射激光光谱对比图。
图5为本发明实施例二与对比例一在光泵浦激光强度为40uJ/Pulse时的激光薄膜器件的面发射激光光谱对比图。
图6为本发明实施例二与对比例一在光泵浦激光强度为80uJ/Pulse时的激光薄膜器件的面发射激光光谱对比图。
图7为本发明实施例三与实施例一在光泵浦激光强度为20uJ/Pulse时的激光薄膜器件的面发射激光光谱对比图。
图8为本发明实施例三与实施例一在光泵浦激光强度为40uJ/Pulse时的激光薄膜器件的面发射激光光谱对比图。
图9为本对比例三OLED激光器的结构示意图。
图10为本发明实施例四利用具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件组成OLED激光器的结构示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件样品1，主要由衬底1和增益介质层4组成，在衬底1和增益介质层4之间还设置增强激光辐射复合薄膜，具体为：
在衬底1表面上设有由金纳米颗粒2形成的非连续的、不能整体横向导电的离散颗粒薄膜，并在金纳米颗粒2形成的离散颗粒薄膜和增益介质层4之间设置非平整的间隔层3的薄膜，即在衬底1和增益介质层4之间，设置了由金纳米颗粒2的离散颗粒薄膜和间隔层3的薄膜层叠形成的增强激光辐射复合薄膜；使增强激光辐射复合薄膜中的金形成孤立的颗粒或者碎片化颗粒聚合体；间隔层3采用与增益介质层4的主体材料相同的材料或者分子结构类型相同的材料。
在本实施例中，参见图1，增益介质层4中的激光增益介质由有机小分子主客体材料掺杂而成，其主体材料为能够有效吸收激光能量的有机小分子材料，在增益介质层4中的主体材料采用1,4-bis[N-(1-naphthyl)-N'-phenylamino]-4,4'diamine(NPB)有机小分子材料，在增益介质层4中的客体材料采用4-(dicyanomethylene)-2-t-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidyl-9-enyl)-4Hpyran(DCJTB)红色小分子激光染料，主客体掺杂质量比例在1:2％，形成NPB:2wt％DCJTB复合材料薄膜。间隔层3采用NPB。
在本实施例中，参见图1，间隔层3的薄膜的厚度为4nm，金纳米颗粒2的离散颗粒薄膜厚度为0.8nm，增益介质层4的厚度为50nm。
在本实施例中，参见图1，泵浦方式为光泵浦10，用光纤接收器接收面发射激光11，制备工艺是在玻璃衬底1上用真空蒸镀法依次蒸镀金纳米颗粒层、NPB、NPB:2wt％DCJTB。具体的各部分材料与制备工艺如下：
a.选取设定尺寸的衬底1，用丙酮、去污粉、洗洁精清洗后，再用去离子水超声清洗后烘干，得到洁净干燥的衬底1；
b.采用真空蒸镀法，在上述步骤a中已经清洗好的衬底1上蒸镀金纳米颗粒2，蒸镀速率为0.01nm/s，蒸镀金纳米颗粒2的离散颗粒薄膜厚度为0.8nm；
c.采用真空蒸镀法，在上述步骤b中制备的金纳米颗粒2的离散颗粒薄膜结构上继续蒸镀一层NPB有机小分子材料层，作为间隔层3，蒸镀速率为0.01nm/s，厚度为4nm；
d.采用双源共蒸法，在上述步骤c中制备的间隔层3结构上继续蒸镀掺杂型有机小分子的NPB:2wt％DCJTB复合层，作为增益介质层4，控制总蒸镀速率为0.1nm/s，客体材料DCJTB的蒸镀速率为0.002nm/s，主客体掺杂质量比例在1:2％，主体的蒸镀速率按具体的质量百分比来进行设置和实施，控制增益介质层4的厚度为50nm，制备增益介质层4采用主体材料与在上述步骤c中制备的间隔层3中主体材料NPB相同，最终制成有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件。
对比例一：
在本对比例中，参见图2，一种激光薄膜器件样品0，由衬底1和增益介质层4组成，增益介质层4的厚度为50nm。
在本对比例中，参见图2，增益介质层4中的激光增益介质由有机小分子主客体材料掺杂而成，其主体材料为能够有效吸收激光能量的有机小分子材料，在增益介质层4中的主体材料采用1,4-bis[N-(1-naphthyl)-N'-phenylamino]-4,4'diamine(NPB)有机小分子材料，在增益介质层4中的客体材料采用4-(dicyanomethylene)-2-t-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidyl-9-enyl)-4Hpyran(DCJTB)红色小分子激光染料，主客体掺杂质量比例在1:2％，形成NPB:2wt％DCJTB复合材料薄膜。
在本对比例中，参见图2，泵浦方式为光泵浦10，用光纤接收器接收面发射激光11，制备工艺是在玻璃衬底1上用真空蒸镀法蒸镀NPB:2wt％DCJTB。具体的各部分材料与制备工艺如下：
①选取设定尺寸的衬底1，用丙酮、去污粉、洗洁精清洗后，再用去离子水超声清洗后烘干，得到洁净干燥的衬底1；
②采用双源共蒸法，在上述步骤①中制备的衬底1上蒸镀掺杂型有机小分子的NPB:2wt％DCJTB复合层，作为增益介质层4，控制总蒸镀速率为0.1nm/s，客体材料DCJTB的蒸镀速率为0.002nm/s，主客体掺杂质量比例在1:2％，主体的蒸镀速率按具体的质量百分比来进行设置和实施，控制增益介质层4的厚度为50nm，最终制成激光薄膜器件。
在本对比例中，参见图2，激光薄膜器件为光泵浦面发射掺杂型小分子有机激光薄膜，没有实施例一中的金纳米颗粒层与间隔层3，其余材料选择与实施例一的制备工艺相同。
实验测试分析：
实施例一制备的有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件作为样品1；对比例一制备的激光薄膜器件，作为样品0。
将实施例一制备好的添加金纳米颗粒的有机小分子掺杂激光薄膜从真空蒸镀腔体中取出，进行光泵浦，泵浦源为Nd:YAG激光，激发波长为355nm。将对比例一制备好的激光薄膜器件从真空蒸镀腔体中取出，进行光泵浦，泵浦源为Nd:YAG激光，激发波长为355nm。
样品0与样品1的结构图参见图1和图2，相应的激光泵浦能量为40uJ/Pulse和80uJ/Pulse时的激光光谱对比参见图3和图4，特别是参见图4可知，如下表所示：
表1样品0与样品1的激光特性参数
通过图4与表1中样品1与样品0的对比可知，加入0.4nm金纳米颗粒和4nm间隔层的NPB:2wt％DCJTB激光薄膜被相同强度的光泵浦后能发射更强的表面激光，并且阈值降低，品质因子提高。
实施例一器件基于金纳米颗粒的局域表面等离激元共振效应和散射效应，有效改善面发射激光的特性，发射强度增强，阈值降低，且品质因子提高。实施例一器件由衬底1、金纳米颗粒2、间隔层3、增益介质层4组成，激光增益介质层4由掺杂型有机小分子主客体材料组成，间隔层3与增益介质层4中的主体材料相同。将此激光结构作为色转换层运用于有机电致二极管中，在该组合器件中能够利用发光层发射的光激发有机染料薄膜层发光，为实现结构简单的电泵浦有机激光器件提供了一种有效的方案。实施例一器件结构均由真空蒸镀法制备，简单快捷。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件样品2，主要由衬底1和增益介质层4组成，在衬底1和增益介质层4之间还设置增强激光辐射复合薄膜，具体为：
在衬底1表面上设有由金纳米颗粒2形成的非连续的、不能整体横向导电的金纳米颗粒2的离散颗粒薄膜，并在金纳米颗粒2形成的离散颗粒薄膜和增益介质层4之间设置非平整的间隔层3的薄膜，即在衬底1和增益介质层4之间，设置了由金纳米颗粒2的离散颗粒薄膜和间隔层3的薄膜层叠形成的增强激光辐射复合薄膜；使增强激光辐射复合薄膜中的金形成孤立的颗粒或者碎片化颗粒聚合体；间隔层3采用与增益介质层4的主体材料相同的材料或者分子结构类型相同的材料。
在本实施例中，增益介质层4、间隔层3与实施例一相同。
在本实施例中，间隔层3的NPB薄膜的厚度为8nm，金纳米颗粒2的离散颗粒薄膜厚度为1.6nm，增益介质层4的厚度为50nm。
在本实施例中，泵浦方式为光泵浦10，用光纤接收器接收面发射激光11，制备工艺是在玻璃衬底1上用真空蒸镀法依次蒸镀金纳米颗粒层、NPB、NPB:2wt％DCJTB。具体的各部分材料与制备工艺如下：
a.本步骤与实施例一相同；
b.采用真空蒸镀法，在上述步骤a中已经清洗好的衬底1上蒸镀金纳米颗粒2，蒸镀速率为0.01nm/s，蒸镀金纳米颗粒2的离散颗粒薄膜厚度为1.6nm；
c.采用真空蒸镀法，在上述步骤b中制备的金纳米颗粒2的离散颗粒薄膜结构上继续蒸镀一层NPB有机小分子材料层，作为间隔层3，蒸镀速率为0.01nm/s，厚度为8nm；
d.本步骤与实施例一相同。
实验测试分析：
实施例二制备的有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件作为样品2；仍以对比例一制备的激光薄膜器件，作为样品0。
将实施例二制备好的添加金纳米颗粒的有机小分子掺杂激光薄膜从真空蒸镀腔体中取出，进行光泵浦，泵浦源为Nd:YAG激光，激发波长为355nm。将对比例一制备好的激光薄膜器件从真空蒸镀腔体中取出，进行光泵浦，泵浦源为Nd:YAG激光，激发波长为355nm。
样品0与样品2相应的激光泵浦能量为40uJ/Pulse和80uJ/Pulse时的激光光谱对比参见图5和图6，特别是参见图6可知，如下表所示：
表2样品0与样品2的激光特性参数
通过图6与表2中样品2与样品0的对比可知，加入1.6nm金纳米颗粒和8nm间隔层的NPB:2wt％DCJTB激光薄膜被相同强度的光泵浦后能发射更强的表面激光，并且阈值降低，品质因子提高。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件样品4，主要由衬底1和增益介质层4组成，在衬底1和增益介质层4之间还设置增强激光辐射复合薄膜，具体为：
金纳米颗粒2的离散颗粒薄膜与实施例一相同，间隔层3材料选用Alq3。
在本实施例中，增益介质层4中的激光增益介质由有机小分子主客体材料掺杂而成，其主体材料为能够有效吸收激光能量的有机小分子材料，在增益介质层4中的主体材料采用1,4-bis[N-(1-naphthyl)-N'-phenylamino]-4,4'diamine、1,4-bis[2-[4-[N,N-di(p-tolyl)amino]phenyl]vinyl]benzene和tris-(8-hydroxyquinolinato)aluminum(III)(Alq3)有机小分子材料，在增益介质层4中的客体材料采用4-(dicyanomethylene)-2-t-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidyl-9-enyl)-4Hpyran(DCJTB)红色小分子激光染料，主客体掺杂质量比例在1:2％，形成Alq3:2wt％DCJTB复合材料薄膜。
在本实施例中，间隔层3的Alq3薄膜的厚度为5nm，金纳米颗粒2的离散颗粒薄膜厚度为0.8nm，增益介质层4的厚度为50nm。
在本实施例中，泵浦方式为光泵浦10，用光纤接收器接收面发射激光11，制备工艺是在玻璃衬底1上用真空蒸镀法依次蒸镀金纳米颗粒层、Alq3、Alq3:2wt％DCJTB。具体的各部分材料与制备工艺如下：
a.本步骤与实施例一相同；
b.本步骤与实施例一相同；
c.采用真空蒸镀法，在上述步骤b中制备的金纳米颗粒2的离散颗粒薄膜结构上继续蒸镀一层Alq3有机小分子材料层，作为间隔层3，蒸镀速率为0.01nm/s，厚度为5nm；
d.采用双源共蒸法，在上述步骤c中制备的间隔层3结构上继续蒸镀掺杂型有机小分子的Alq3:2wt％DCJTB复合层，作为增益介质层4，控制总蒸镀速率为0.1nm/s，客体材料DCJTB的蒸镀速率为0.002nm/s，主客体掺杂质量比例在1:2％，主体的蒸镀速率按具体的质量百分比来进行设置和实施，控制增益介质层4的厚度为50nm，制备增益介质层4采用主体材料与在上述步骤c中制备的间隔层3中主体材料Alq3相同，最终制成有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件。
对比例二：
在本对比例中，一种激光薄膜器件，由衬底1和增益介质层4组成，增益介质层4的厚度为50nm。
在本对比例中，增益介质层4中的激光增益介质由有机小分子主客体材料掺杂而成，其主体材料为能够有效吸收激光能量的有机小分子材料，在增益介质层4中的主体材料采用1,4-bis[N-(1-naphthyl)-N'-phenylamino]-4,4'diamine、1,4-bis[2-[4-[N,N-di(p-tolyl)amino]phenyl]vinyl]benzene和tris-(8-hydroxyquinolinato)aluminum(III)(Alq3)有机小分子材料，在增益介质层4中的客体材料采用4-(dicyanomethylene)-2-t-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidyl-9-enyl)-4Hpyran(DCJTB)红色小分子激光染料，主客体掺杂质量比例在1:2％，形成Alq3:2wt％DCJTB复合材料薄膜。
在本对比例中，激光薄膜器件3由玻璃的衬底1和Alq3:2wt％DCJTB增益介质层4组成，泵浦方式为光泵浦10，用光纤接收器接收面发射激光11，制备工艺是在玻璃衬底1上用真空蒸镀法蒸镀Alq3:2wt％DCJTB。具体的各部分材料与制备工艺如下：
①选取设定尺寸的衬底1，用丙酮、去污粉、洗洁精清洗后，再用去离子水超声清洗后烘干，得到洁净干燥的衬底1；
②采用双源共蒸法，在上述步骤①中制备的衬底1上蒸镀掺杂型有机小分子的Alq3:2wt％DCJTB复合层，作为增益介质层4，控制总蒸镀速率为0.1nm/s，客体材料DCJTB的蒸镀速率为0.002nm/s，主客体掺杂质量比例在1:2％，主体的蒸镀速率按具体的质量百分比来进行设置和实施，控制增益介质层4的厚度为50nm，最终制成激光薄膜器件。
在本对比例中，激光薄膜器件为光泵浦面发射掺杂型小分子有机激光薄膜，没有实施例一中的金纳米颗粒层与间隔层3，其余材料选择与实施例一的制备工艺相同。
实验测试分析：
实施例三制备的有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件作为样品4；以对比例二制备的激光薄膜器件，作为样品3。
将实施例三制备好的添加金纳米颗粒的有机小分子掺杂激光薄膜从真空蒸镀腔体中取出，进行光泵浦，泵浦源为Nd:YAG激光，激发波长为355nm。将对比例二制备好的激光薄膜器件从真空蒸镀腔体中取出，进行光泵浦，泵浦源为Nd:YAG激光，激发波长为355nm。
样品3与样品4相应的激光泵浦能量为20uJ/Pulse和40uJ/Pulse时的激光光谱对比参见图7和图8，特别是参见图8可知，如下表所示：
表3样品3与样品4的激光特性参数
通过图8与表3中样品4与样品3的对比可知，加入0.4nm金纳米颗粒和4nm间隔层Alq3的Alq3:2wt％DCJTB激光薄膜被相同强度的光泵浦后能发射更强的表面激光，并且阈值降低，品质因子提高。
实施例四：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，将对比例一样品0和实施例一中样品1除玻璃衬底外分别应用于绿光OLED中，组成相应的激光器件，即将具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件作为色转换层运用于有机电致二极管中，并设置于电致有机发光器件泵浦的激光器中，组成小分子OLED泵浦的平面型有机激光光源发光器件或有机激光点光源发光器件，参见图10。
图10的器件1含有金纳米颗粒层与间隔层的有机激光光源发光器件的具体制备工艺如下：
采用ITO玻璃衬底1作为阳极，在清洗洁净的ITO玻璃衬底1上依次真空蒸镀金纳米颗粒薄膜，作为金纳米颗粒2的离散颗粒薄膜，其厚度为0.8nm，蒸镀速率为0.01nm/s；再在金纳米颗粒2的离散颗粒薄膜上覆盖制备NPB薄膜，作为间隔层3，同时作为空穴传输层，其厚度为4nm，蒸镀速率为0.01nm/s；然后在间隔层3之上继续制备NPB：2wt％DCJTB薄膜，作为增益介质层4，其厚度为50nm，总蒸镀速率为0.1nm/s；然后在增益介质层4上再制备一层NPB薄膜5，作为空穴传输层兼色转换层，其厚度为6nm，总蒸镀速率为0.06～0.12nm/s；然后采用9,10-bis(2-naphthyl)anthracene:5wt％N,N’-(4,4’-(1E,1’E)–2,2’-(1,4-phenylene)bis(ethene-2,1-diyl)bis(4,1-phenylene))-bis(2-ethyl-6-methyl-N-phenylaniline)，在NPB薄膜5上再制备一层AND:5wt％BUBD-1薄膜6，作为发光层，其厚度为20nm，总蒸镀速率为0.1nm/s；然后在AND:5wt％BUBD-1薄膜6上再制备一层Alq3薄膜7，作为电子传输层，其厚度为30nm，蒸镀速率为0.06～0.12nm/s；然后采用8-hydroxyquinolinelithium，在Alq3薄膜7上再制备一层Liq薄膜8，作为电子注入层，其厚度为1nm，蒸镀速率为0.05nm/s；最后在Liq薄膜8上再制备一层Al薄膜9，作为阴极层，其厚度为100nm，蒸镀速率为0.5nm/s。
对比例三：
在本对比例中，参见图9，对比例器件5的制备工艺与材料选择与实施例四制备的器件6基本相同，除了对比例三的器件没有金纳米颗粒层和4nm的NPB层。
其中ITO为阳极，NPB:2wt％DCJTB为空穴传输层兼色转换层，NPB为空穴传输层兼间隔层，AND:5wt％BUBD-1为发光层，Alq3为电子传输层，Liq为电子注入层，Al为阴极。NPB:2wt％DCJTB作为色转换层，通过发光层AND:5wt％BUBD-1发出的绿光激发其发红光，BUBD-1的发射光谱与DCJTB的吸收光谱重叠率很高。如果该器件的效率足够高，将有希望实现简单结构的OLED泵浦激光器。
表4器件5与器件6在电流密度为40mA/cm2时的特性参数
@40mA/cm<sup>2</sup> 亮度(cd/m<sup>2</sup>) 电流效率(cd/A) 功率效率(lm/W) 红光/绿光
器件5 4380 8.46 2.53 0.69
器件6 6156 10.65 3.34 0.93
通过表4中器件6与器件5的对比可知，将掺杂型有机激光薄膜层运用于OLED器件组成内色转换OLED器件，加上金纳米颗粒的引入，不但能提高红光的发光比例，还能提高整体器件的效率，由此，为将来实现OLED泵浦激光器提供了一种简单可行的方案。
实施例五：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，在衬底1和增益介质层4之间设置掺杂型小分子有机激光薄膜作为间隔层3，并在掺杂型小分子有机激光薄膜中弥散掺杂了金纳米颗粒2形成增强激光辐射复合薄膜。本实施例具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件能应用于制备面发射掺杂型小分子有机激光器，能充分发挥金纳米颗粒改善其激光特性。
本实施例器件基于金纳米颗粒的局域表面等离激元共振效应和散射效应，有效改善面发射激光的特性，发射强度增强，阈值降低，且品质因子提高。实施例一器件由衬底1、金纳米颗粒2、间隔层3、增益介质层4组成，激光增益介质层4由掺杂型有机小分子主客体材料组成，间隔层3与增益介质层4中的主体材料相同。将此激光结构作为色转换层运用于有机电致二极管中，在该组合器件中能够利用发光层发射的光激发有机染料薄膜层发光，为实现结构简单的电泵浦有机激光器件提供了一种有效的方案。本实施例器件结构均由真空蒸镀法制备，简单快捷。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件、应用及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件，主要由衬底（1）和增益介质层（4）组成，其特征在于：在所述衬底（1）和所述增益介质层（4）之间还设置增强激光辐射复合薄膜，具体为：
在所述衬底（1）和所述增益介质层（4）之间设置掺杂型小分子有机激光薄膜作为间隔层（3），并在所述掺杂型小分子有机激光薄膜中弥散掺杂了金纳米颗粒（2）形成增强激光辐射复合薄膜；或者在衬底（1）表面上设有由金纳米颗粒（2）形成的非连续的、不能整体横向导电的离散颗粒薄膜，并在金纳米颗粒（2）形成的离散颗粒薄膜和所述增益介质层（4）之间设置非平整的所述间隔层（3）的薄膜，即在所述衬底（1）和所述增益介质层（4）之间，设置了由金纳米颗粒（2）的离散颗粒薄膜和所述间隔层（3）的薄膜层叠形成的增强激光辐射复合薄膜；
在增强激光辐射复合薄膜中的金形成孤立的颗粒或者碎片化颗粒聚合体；所述间隔层（3）采用与所述增益介质层（4）的主体材料相同的材料或者分子结构类型相同的材料。
2.根据权利要求1所述具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件，其特征在于：所述增益介质层（4）中的激光增益介质由有机小分子主客体材料掺杂而成，其主体材料为能够有效吸收激光能量的有机小分子材料，其客体材料为红色小分子激光染料，主客体掺杂质量比例在1:1%～1:7%。
3.根据权利要求2所述具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件，其特征在于：在所述增益介质层（4）中的主体材料采用1,4-bis[N-(1-naphthyl)-N'-phenylamino]-4,4'diamine、1,4-bis[2-[4-[N,N-di(p-tolyl)amino]phenyl]vinyl]benzene和tris-(8-hydroxyquinolinato) aluminum (III)中的任意一种有机小分子材料或者任意几种材料的有机小分子混合材料。
4.根据权利要求2所述具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件，其特征在于：在所述增益介质层（4）中的客体材料采用4-(Dicyanomethylene)-2-methyl-6-[p- (dimethylamino)styryl]-4H-pyran和4-(dicyanomethylene)-2-t-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidyl-9-enyl)-4Hpyran中任意一种低阈值的红色小分子激光染料或者二者混合的红色小分子激光染料。
5.根据权利要求1所述具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件，其特征在于：所述间隔层（3）的薄膜的厚度为2~8 nm，所述金纳米颗粒（2）的离散颗粒薄膜厚度为0.4~3.0 nm，所述增益介质层（4）的厚度为50~200 nm。
6.根据权利要求1所述具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件，其特征在于：所述间隔层（3）的薄膜的厚度与所述金纳米颗粒（2）的离散颗粒薄膜厚度成正相关关系比例。
7.一种电泵浦有机激光器件，其特征在于：将权利要求1所述具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件作为色转换层，安装于电致有机发光器件泵浦的激光器中，组成电泵浦有机激光器件。
8.根据权利要求7所述电泵浦有机激光器件，其特征在于：将具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件作为色转换层运用于有机电致二极管中，并设置于电致有机发光器件泵浦的激光器中，组成小分子OLED泵浦的平面型有机激光光源发光器件或有机激光点光源发光器件。
9.一种权利要求1所述具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件的制备方法，其特征在于：用真空蒸镀法依次蒸镀衬底（1）、间隔层（3）、增益介质层（4）和金纳米颗粒（2）的离散颗粒薄膜，或者利用真空蒸镀法向间隔层（3）中掺杂金纳米颗粒（2）制备增强激光辐射复合薄膜。
10.根据权利要求9所述制备方法，其特征在于，具体的各部分材料与制备工艺步骤如下：
a. 选取设定尺寸的衬底（1），用丙酮、去污粉、洗洁精清洗后，再用去离子水超声清洗后烘干，得到洁净干燥的衬底（1）；
b. 采用真空蒸镀法，在上述步骤a中已经清洗好的衬底（1）上蒸镀金纳米颗粒（2），蒸镀速率为0.005~0.05 nm/s，蒸镀金纳米颗粒（2）的离散颗粒薄膜厚度为0.4~3.0 nm；
c. 采用真空蒸镀法，在上述步骤b中制备的金纳米颗粒（2）的离散颗粒薄膜结构上继续蒸镀一层有机小分子材料层，作为间隔层（3），蒸镀速率为0.01~0.05 nm/s，厚度为2~8nm；
d. 采用双源共蒸法，在上述步骤c中制备的间隔层（3）结构上继续蒸镀掺杂型有机小分子增益介质层（4），其厚度为50~200nm，制备增益介质层（4）采用的材料为有机小分子主体材料与客体材料，制备增益介质层（4）采用主体材料采用与在上述步骤c中制备的间隔层（3）中一样的主体材料，制备增益介质层（4）采用的主客体质量百分比控制在1:1%~1:7%；在制备增益介质层（4）时，控制总蒸镀速率为0.06~0.12 nm/s，主客体的各自蒸镀速率按具体的质量百分比分别进行计算和实施，最终制成有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件。
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