研究领域之一是有机纳米光子学材料与器件，以新型可穿戴器件和下一代显示技术的关键需求为导向，用化学思想发展了新型光子学材料，同时以有机材料的光子学特异性为突破口，揭示分子在凝聚态下特殊的激发态动力学过程，发展传统的光化学理论。重点关注特定结构与功能的有机纳米光子学材料与器件的可控构筑，有机微纳晶体材料中的激发态过程与光子学功能的构效关系，以及有机柔性光子学集成器件等研究方向。

一、通过有机材料特殊的激发态过程构筑了一系列全新性能的有机纳米激光器，阐明了有机材料全新的粒子数翻转机理与受激状态下的光化学和光物理过程，通过电荷转移、能量转移、激发态质子转移等过程得到了多波长、波长可调、单模激光等特殊性能微纳激光，并实现了全可见光范围的波长覆盖。

二、揭示了有机材料的Frenkel激子与光子耦合形成激子极化激元（EP），利用这种半光半物质的准粒子，解决了传统光学器件中光子行为操纵的难题；在有机微纳体系中首次实现了室温下的激子极化激元玻色-爱因斯坦凝聚，在凝聚态下得到了与传统气、液、固态显著不同的激发态过程。

三、发展了有机柔性光子器件加工技术，突破了有机材料集成化面临的关键技术瓶颈，构筑了集成光子回路以及大面积有机激光阵列，推动了有机激光材料在全色平板激光显示、可穿戴光子皮肤、光子学信息编码等领域的应用。

四、针对本领域的研究需求，发展了多项具有自主知识产权的纳米光子学表征技术，相关仪器设备在多家高校、研究所及企业进行推广，极大提升了我国在纳米光电子领域的整体创新能力。

研究内容举例：

1、有机微纳谐振腔的可控构筑与激光性能特异性

       为满足不同性能微纳激光出射的要求，我们设计了一系列有机微腔结构。设计合成了几大类几十种分子基元，揭示了分子间弱作用对组装过程的影响规律，通过分子识别作用，实现了不同微腔结构的可控组装（Acc. Chem. Res. 2014; Chem. Soc. Rev. 2014）。基于此，实现了结构可控的Fabry−Pérot（F-P）模式谐振腔与回音壁模式（Whispering-gallery-mode, WGM）谐振腔的可控组装与加工（Angew. Chem. Int. Ed. 2013; J. Am. Chem. Soc. 2015; Adv. Mater. 2016）。

通过耦合谐振腔的模式互选实现多波长单模激光（Sci. Adv. 2017, 3, e1700225）

      同时，为实现某些特殊性能微纳激光出射，我们设计了复合结构谐振腔。例如，我们设计了有机/金属微纳复合结构，利用光与金属表面等离激元（Surface plasmonic polariton, SPP）的耦合成功实现了激光模式的亚波长输出，突破了光学衍射极限对于构筑亚波长尺度激光器的限制（J. Am. Chem. Soc. 2016; J. Am. Chem. Soc. 2017）。在此基础上我们构筑了耦合谐振腔结构，通过多增益区间的激光模式互选，实现单个激光模式的优势放大，从而实现了多波长单模激光的同时输出（Sci. Adv. 2017; Angew. Chem. Int. Ed. 2020; CCS Chem. 2021）。

 

2、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）

 

3、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）