Polimer Hijau Berkinerja Tinggi POFP: Lasing Ambang Rendah dan Transport Elektron Unggul untuk Laser Organik Padat Diberi Pompa Dioda

Abstrak

Dalam studi ini kami melaporkan polimer terkonjugat poly[(9,9-dioktil-2,7-divinilenfluorena)–alt–ko–(2-metoksi-5-(2-etilheksiloksi)-1,4-fenilena)] (POFP). Material ini menampilkan hasil kuantum fotoluminesensi yang sangat tinggi dan transport elektron yang efisien, menjadikannya medium gain yang ideal. Di bawah eksitasi Nd:YAG dipuls pada 355 nm, lunas tipis POFP menunjukkan ambang emisi spontan diperkuat (ASE) hanya 4,0 µJ cm⁻² dan faktor kualitas tinggi (Q = 159). Dengan mengintegrasikan POFP ke dalam mikrokavitas gelombang terbalik, kami memproduksi laser organik padat (OSL) yang diberi pompa dioda yang menunjukkan peningkatan gain yang jelas dan kenaikan radiansi yang mencolok, yang mengonfirmasi perilaku lasing yang ditingkatkan interferensi dari POFP.

Latar Belakang

Semikonduktor organik telah lama menarik minat untuk perangkat optoelektronik seperti OLED dan OPV, berkat fleksibilitas mekanis, proses larutan, dan keefektifan biaya.^{[1, 2]} Polimer terkonjugat, khususnya, dapat disesuaikan untuk menunjukkan PLQY tinggi, lintang stimulasi emisi yang besar, dan spektrum emisi cahaya visible yang luas, memosisikannya sebagai kandidat yang menjanjikan untuk amplifier optik dan laser yang diberi pompa listrik.^{[3, 4, 5, 6]} Sejak OSL berbasis polimer pertama kali demonstrasi pada 1996,^[9] peneliti telah fokus pada sintesis bahan gain ambang rendah. Misalnya, poly(9,9-dioktifluoren-2,7-diil-alt-benzotiodiazol) (F8BT) mencapai ambang lasing 6,1 µJ cm⁻², sementara kopolimer berbasis fluorena seperti PPV dan PF menunjukkan ambang ASE antara 4,4 dan 10,0 µJ cm⁻².^{[4, 10, 11]} Polimer yang mengandung fluorin dengan ambang di bawah µJ cm⁻² tetap sangat diinginkan.

Selain desain material, beberapa strategi telah digunakan untuk meningkatkan gain optik. Pompa femtosekon dan resonator terumpan balikan terdistribusi (DFB) dua dimensi telah menurunkan ambang, sementara transfer energi resonansi Förster (FRET) antara molekul inan dan tamu dapat meningkatkan gain optik.^[12–15] Namun, OSL yang diberi pompa listrik belum mencapai performa yang setara, sebagian besar karena densitas arus yang terbatas (~kA cm⁻²) yang diperlukan untuk inversi populasi dan tantangan dalam mengintegrasikan resonator optik yang efisien tanpa mengorbankan transport penguat.^{[16, 17]} Mikrokavitas gelombang vertikal sederhana, yang dapat diproduksi dengan kompleksitas minimal, menawarkan jalur yang menjanjikan untuk mempertahankan ASE dan mencapai penyempitan spektral.^[18] Karya sebelumnya kami memperkenalkan OSL yang diberi pompa dioda yang menggunakan lapisan elektroluminesensi organik (EML) sebagai sumber pompa dan pewarna laser organik sebagai medium gain.^[19]

Di sini kami menyelidiki POFP, polimer hijau yang berasal dari keluarga PPV. POFP mencapai ambang ASE 4,0 µJ cm⁻² dan faktor Q 159, yang menunjukkan amplifikasi cahaya yang luar biasa. Kami juga memeriksa karakteristik transport elektron dan mengintegrasikannya ke dalam struktur mikrokavitas terbalik untuk menunjukkan perilaku lasing yang diberi pompa dioda, membangun landasan untuk laser organik yang diberi pompa listrik di masa depan.

Metode/Eksperimen

POFP (rata-rata bobot molekuler 40 k–80 k) diperoleh dari American H.W. SANDS. Polimer dilarutkan dalam kloroform pada 0,7 wt % dan dicelupkan spin pada substrat kaca yang dibersihkan untuk membentuk lunas dengan ketebalan bervariasi, diikuti dengan aneling pada 60 °C selama 20 menit.

Perangkat hanya lubang dan hanya elektron diproduksi untuk meneliti transport penguat. Stack hanya lubang adalah ITO/POFP/NPB/Al, sementara referensi hanya menggunakan NPB. Untuk perangkat hanya elektron, stack adalah Ag/BCP/POFP/Al dan Ag/BCP/Bphen/Al. NPB, Bphen, dan BCP dipilih sebagai lapisan transport lubang, transport elektron, dan penghalang lubang standar, masing-masing. Untuk OSL yang diberi pompa dioda, ZnS berfungsi sebagai lapisan injeksi elektron (EIL) dan MoO₃ sebagai lapisan injeksi lubang (HIL). Arsitektur perangkat lengkap adalah ITO/ZnS/POFP/AND:2 wt %DSA-ph/NPB/2T-NATA/MoO₃/Al, di mana AND:DSA-ph adalah EML yang memancarkan biru.

Semua perangkat diproduksi dalam kamar evaporasi termal pada kaca lapisan ITO (150 nm, 15 Ω sq⁻¹). Substrat secara berurutan dibersihkan dengan detergen, air deionisasi, aseton, alkohol isopropil, dan UV-ozon (15 menit). Laju depo adalah 0,6 Å s⁻¹ untuk lapisan organik, 0,1 Å s⁻¹ untuk Ag, dan 5,0 Å s⁻¹ untuk Al. Luas aktif adalah 4 mm².

Pengukuran ASE menggunakan laser Nd:YAG 355-nm (1 ns, 100 Hz). Sinar difokuskan ke 2,5 mm × 10 mm dan filter densitas netral menyesuaikan fluensi pompa. Emisi dikumpulkan dari tepi lunas melalui serat optik ke spektrometer. Spektra PL direkam dengan spektrometer FLSP 920, sementara absorpsi diukur pada spektrofotometer UV-vis Hitachi U-3900H. Spektra EL diperoleh dengan Photo Research PR-650. Karakteristik arus-tegangan diukur menggunakan source-meter Keithley 2400. Semua pengukuran dilakukan dalam kegelapan pada suhu ruang tanpa kapsulasi.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1b menunjukkan bahwa POFP memancarkan dengan kuat di hijau (puncak 512 nm, bahu pada 550 nm) dengan maksimum absorpsi pada 452 nm. FWHM PL adalah 60 nm. Di bawah eksitasi 355-nm, puncak ASE pada 548 nm, yang mengonfirmasi absorpsi cahaya biru yang efisien yang cocok untuk pompa OLED biru.

Gambar 2a menggambarkan evolusi FWHM dan intensitas ASE untuk lunas POFP 135 nm seiring dengan peningkatan fluensi pompa dari 1 hingga 20 µJ cm⁻². FWHM menyempit dari 27,3 ke 3,5 nm, sementara intensitas ASE naik secara super-linear, yang menandakan ambang ASE. Tabel 1 mencantumkan ambang untuk lunas 60–165 nm tebal; nilai terendah (4,0 µJ cm⁻²) terjadi pada 135 nm, menyeimbangkan kerugian absorpsi dan penyeararan. Gambar 2b menunjukkan penyempitan gain yang jelas dengan peningkatan pompa.

Faktor Q yang dihitung sebesar 159 untuk POFP melebihi banyak resonator anorganik (misalnya, CaF₂ = 109) dan analog polimer (misalnya, bintang-bintang berkedip pirena = 65), yang menggarisbawahi kemampuan umpan balik optik yang tinggi.^{[21, 22]}

Pengukuran transport penguat (Gambar 3) mengungkapkan bahwa transport lubang POFP kalah dari NPB, sedangkan transport elektron melebihi Bphen. Ini menunjukkan bahwa POFP paling baik digunakan sebagai lapisan transport elektron dalam OSL.

EML AND:DSA-ph memancarkan pada 468 nm dengan bahu pada 500 nm, yang tumpang tindih kuat dengan band absorpsi POFP, yang memungkinkan transfer energi dan pompa yang efisien. Gambar 4 mengilustrasikan tumpang tindih ini.

Menggunakan teori interferensi lunas tipis, ketebalan mikrokavitas optimal untuk interferensi konstruktif adalah d = λ/2n. Dengan λ = 512 nm dan n ≈ 1,7, ketebalan konstruktif minimum adalah sekitar 150 nm, sementara interferensi destruktif terjadi pada sekitar 75 nm.

Kami memproduksi OSL yang diberi pompa dioda terbalik dengan ketebalan mikrokavitas 75 nm (perangkat E) dan 150 nm (perangkat F). Gambar 5a–b menunjukkan skematis perangkat dan struktur EML.

Spektra EL (Gambar 6) menunjukkan kedua perangkat puncak pada 512 nm, yang cocok dengan PL POFP, yang menunjukkan eksitasi POFP oleh EML biru. Perangkat F (mikrokavitas 150 nm) menunjukkan penyempitan FWHM dari 60 ke 32 nm dan lonjakan radiansi di atas 34 W cm⁻², sementara perangkat E hanya menunjukkan penyempitan kecil. Fitur ini mencerminkan gelombang dan interferensi mikrokavitas daripada lasing lengkap; namun, mereka menunjukkan potensi POFP sebagai medium gain di bawah pompa dioda.

Hasil ini mengonfirmasi bahwa POFP dapat berfungsi sebagai medium gain yang efisien dalam OSL yang diberi pompa dioda, mencapai penyempitan spektral dan peningkatan radiansi yang merupakan tanda karakteristik tindakan lasing. Studi komparatif dengan MEH-PPV (Informasi Pendukung, Gambar S3) menunjukkan bahwa POFP menawarkan performa yang unggul, mendorong eksplorasi lebih lanjut tentang pompa tegangan dipuls atau resonator cermin Bragg untuk mewujudkan laser organik yang sepenuhnya diberi pompa listrik.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan bahwa polimer terkonjugat hijau POFP menunjukkan ambang ASE yang sangat rendah sebesar 4,0 µJ cm⁻², faktor Q tinggi sebesar 159, dan properti transport elektron yang unggul dibandingkan ETL konvensional. Integrasi POFP ke dalam mikrokavitas gelombang terbalik menghasilkan OSL yang diberi pompa dioda yang menunjukkan penyempitan gain yang jelas dan peningkatan radiansi, yang menjanjikan untuk laser organik yang diberi pompa listrik di masa depan.

Singkatan

ASE

Emisi spontan diperkuat

DFB

Terumpan balikan terdistribusi

EL

Elektroluminesensi

EML

Lapisan elektroluminesensi

FRET

Transfer energi resonansi Förster

FWHM

Lebar setengah maksimum

OLEDs

Dioda pemancar cahaya organik

OPV

Fotovoltaik organik

OSL

Laser organik padat

PL

Fotoluminesensi

PLQY

Hasil kuantum fotoluminesensi

Q-factor

Faktor kualitas