Lasing en transporteigenschappen van poly[(9,9-dioctyl-2,7-divinyleenfluorenyleen)-alt-co-(2-methoxy- 5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-fenyleen)] (POFP) voor de toepassing van diode-gepompte organische vaste lasers

Resultaten en discussie

Figuur 1b toont de absorptie-, PL- en ASE-spectra van dunne POFP-films. POFP vertoonde een sterke emissie in de groene regio die piekte bij 512 nm met een schouder bij 550 nm, terwijl de absorptie piekte bij 452 nm. De volledige breedte bij half maximum (FWHM) van PL-spectra was 60 nm. De ASE-spectra van POFP gepompt door een Nd:YAG-laser bij 355 nm vertoonden een piek bij 548 nm. Inderdaad, de sterke absorptie in het belangrijkste blauwe gebied geeft de mogelijkheid om POFP te pompen door blauwe OLED te gebruiken.

Figuur 2a toont de afhankelijkheid van FWHM en de ASE-outputintensiteit van POFP-films met een dikte van 135 nm bij verschillende pompintensiteiten. Toen de pompintensiteit werd verhoogd van 1 naar 20,0 μJ/cm ² , bleek de FWHM af te nemen van 27,3 naar 3,5 nm, terwijl de ASE-piekintensiteit aanzienlijk werd versterkt. De overgang van lineaire naar superlineaire afhankelijkheid van de ASE-intensiteit als functie van de pompintensiteit kan worden gebruikt als een indicatie van de ASE-drempel. Bovendien werd de waarde van FWHM stabiel gehouden bij een hogere pompintensiteit, wat de verzadigingstoestand van ASE aangeeft. De drempelenergieën van POFP-films met verschillende diktes van 60 tot 165 nm werden vervolgens gemeten, zoals is samengevat in tabel 1. Er werd waargenomen dat de POFP-film een ​​laagste drempelwaarde vertoonde van 4,0 μJ/cm ² met een optimale dikte van 135 nm. Het is bekend dat het pompende licht niet effectief kan worden geabsorbeerd wanneer de film te dun is; anders zou het uitsterven worden veroorzaakt door verstrooiing in het geval van dikke film. Afbeelding 2b toont de evolutie van het emissiespectrum van POFP (135 nm) met toenemende pompintensiteiten van 3, 4 en 16 μJ/cm ² . De versterkingsvernauwing van ASE-spectra kon duidelijk worden waargenomen.

een Afhankelijkheid van FWHM (vierkanten) en piekintensiteit (bollen) van POFP-films (135 nm) bij verschillende pompintensiteiten. b De evolutie van het emissiespectrum van POFP-films (135 nm) met toenemende pompintensiteit

Een andere belangrijke parameter waarmee rekening moet worden gehouden, is de Q-factor, die het vermogen beschrijft om licht van feedbackstructuren vast te houden. Het kan worden gebruikt om de verdiensten van de ASE-drempel te evalueren in het model van Fabry-Perot-resonatoren [21]. Door berekening is de Q-factor van POFP 159, wat een relatief hoge waarde is vergeleken met 109 voor anorganisch materiaal CaF₂ of Si [22] en 65 voor met pyreen bedekte starburst-polymeerfilm [7].

Om diode-gepompte OSL's met POFP te fabriceren, is het van groot belang om de transportkenmerken van de drager te begrijpen. Twee veelgebruikte materialen, NPB als gatentransportmateriaal en Bphen als elektronentransportmateriaal, werden gebruikt om te vergelijken met de transporteigenschappen van POFP door middel van apparaten met één drager. Zoals te zien is in figuur 3a, werden apparaat A en apparaat B gefabriceerd om de gatentransportkenmerken tussen POFP en NPB te vergelijken. De J –V curven toonden een duidelijk inferieur gattransportvermogen van POFP. Integendeel, de elektronentransportkarakteristiek van POFP (apparaat C) werd gemeten als beter dan die van Bphen (apparaat D) zoals weergegeven in figuur 3b, wat aangeeft dat POFP zou moeten werken als een elektronentransportmateriaal in de OSL's.

De J –V kenmerken van a hole-only apparaten en b apparaten met alleen elektronen. De structuren van de apparaten worden weergegeven in de inzetstukken

1,4-bis[N-(1-naftyl)-N′-fenylamino]-4,4′-diamine/9,10-di(2-naftyl)antraceen (AND) gedoteerd met blauwe doteerstof p-bis(pN ,N-difenylaminostyryl)benzeen (DSA-Ph) werden gekozen als de emitterende laag (EML) in OSL's om POFP te pompen. Afbeelding 4 toont het EL-spectrum van AND:2wt%DSA-ph en het absorptiespectrum van POFP. Het EL-spectrum van EML vertoonde een piek bij 468 nm, gevolgd door een schouderpiek bij 500 nm, die emissie van blauw licht vertoonde. POFP bleek een hoge absorptie te hebben in bijna het hele blauwe gebied, waardoor een breed scala van overlappingen ontstond met het EL-spectrum van EML, wat de mogelijkheid bood van energieoverdracht om energie-invoer van EML te realiseren om een ​​medialaag te krijgen.

Het EL-spectrum van AND:2wt%DSA-ph en het absorptiespectrum van POFP

Het is bekend dat in de microcavity-apparaten zelfs een kleine reflectie een groot effect kan hebben op de prestaties van het apparaat, wat te wijten is aan de moleculaire films die worden begrensd tussen de metaalelektrode en een andere reflector. Een dergelijke structuur kan werken als een optische resonator om de distributiemodi van het optische veld te bepalen en om de distributie van FWHM of lichtintensiteit te wijzigen. Om optische microholtes te gebruiken om coherent licht te verkrijgen, is een methode de dunnefilminterferentietheorie. Gebaseerd op de bundelinterferentiële theorie, de relatie tussen optisch padverschil δ en faseverschil φ is \( \upvarphi =\frac{2\uppi}{\uplambda}\updelta \). Wanneer δ = mλ (m is het positieve gehele getal, staat voor randorde), het zal interferentieverbetering vormen. Wanneer δ = (2m − 1)λ/2, er zal destructieve interferentie zijn. Gezien de toestand van interferentieverbetering in dunne-filmsystemen, is de dikte van microcaviteit d zou moeten voldoen aan d = mλ/2, om feedbackverbetering te produceren. Omgekeerd, als de dikte d = (2m − 1)λ/4, de destructieve interferentie zal optreden.

Op basis van deze theorie werden apparaten van POFP gepompt door EML met gelijkstroom (DC) gefabriceerd. Het optische padverschil moet δ . zijn = mλ, om interferentieverbetering te genereren, waarbij m moet zo laag zijn als 1 omdat de dikte van de film de bedrijfsspanning van apparaten zal beïnvloeden. Bovendien zal de breking van de film invloed hebben op de golflengte, waardoor λ ^′ = λ/n. Over het algemeen is de brekingsindex n van organische film is ongeveer 1,7. Als gevolg hiervan is de minimale dikte van de microholte d _c tussen metalen elektrode en POFP-film om interferentieverbetering te bereiken, kan als volgt worden berekend:\( {d}_{\mathrm{c}}=\frac{\uplambda}{2n}=\frac{512\;\mathrm {nm}}{2\times 1.7}\circa 150\;\mathrm{nm} \). Evenzo werd de corresponderende dikte van de microholte om destructieve interferentie te realiseren berekend op 75 nm.

In dit werk werd een omgekeerde apparaatstructuur gebruikt om diode-gepompte OSL's te fabriceren. We hebben onlangs ontdekt dat de apparaatstructuur van ITO/ZnS/Bphen/AND:DSA-ph/NPB/MoO3/Al zou kunnen presteren als extreem efficiënte omgekeerde OLED's vanwege de vorming van een gunstige dipool-grenslaag op de metaalsulfide- organische interface [20]. Bovendien zou de omgekeerde structuur ook een grote potentiële toepassing kunnen hebben voor een langere levensduur van het apparaat, omdat het water en zuurstof van onder gevoelige elektroneninjectiematerialen kan houden [23]. Bovendien werd 2T-NATA gebruikt om de dikte van de microholte aan te passen. Het apparaat met destructieve interferentie-microholte werd als referentie gefabriceerd. De structuren van omgekeerde apparaten (apparaat E en apparaat F) worden getoond in Fig. 5a, terwijl Fig. 5b de moleculaire structuren van de emitterende materialen toont.

een Structuren van diode-gepompte OSL-apparaat E en apparaat F. b Moleculaire structuren van de emitterende materialen die in de apparaten worden gebruikt

De totale diktes van MoO₃ /2T-NATA/NPB/AND:2wt%DSA-ph in de diode-gepompte lichtemitterende apparaten waren respectievelijk 75 en 150 nm voor apparaat E en apparaat F, in overeenstemming met de berekende dikte van de microholte. Elektronen en gaten kunnen zich in de EML combineren en blauw licht uitzenden, dat POFP zal pompen en een spontaan stralingsspectrum zal produceren. Gedeeltelijk licht kan vervolgens worden gereflecteerd naar de POFP-laag, terwijl het door POFP gestimuleerde licht uiteindelijk interferentie met het gereflecteerde licht zal veroorzaken om verbetering te realiseren. Hierbij fungeerde de AND als gastheer, terwijl DSA-ph de doteringsstof was. De invloed van verschillende dopingconcentraties (1,0, 2,0 en 5,0 gew.%) en verschillende doteermiddelen (DSA-ph en BCzVBi) op ​​de prestaties van OSL's zijn eerst onderzocht. Het bleek dat de dopingconcentratie van 2,0 gew.% en het gebruik van DSA-ph als doteringsmiddel de optimale prestatie gaven, zoals wordt getoond in aanvullend bestand 1:Figuren S1 en S2 van de ondersteunende informatie.

Figuur 6a, b toont de evolutie van EL-spectra met toenemende spanning van diode-gepompt apparaat E en apparaat F. De inzetstukken tonen de afhankelijkheden van uitstraling en FWHM bij verschillende vermogensdichtheden. Er kan worden vastgesteld dat het EL-spectrum van beide apparaten een piek vertoonde bij 512 nm met een schouder, die vergelijkbaar was met de PL-spectra van POFP, wat aangeeft dat opkomend licht afkomstig was van de excitatie van POFP en gestimuleerd door EML. In de inzet van figuur 6 kan worden gevonden dat de FWHM van apparaat F afnam van 60 naar 32 nm met toenemende vermogensdichtheid, terwijl een zeer lichte vernauwing van FWHM (van 62 naar 60 nm) werd waargenomen in apparaat E. Dergelijke fenomeen kan worden toegeschreven aan de destructieve en versterkte interferentie die wordt veroorzaakt door de berekende diktes van microholtes. Bovendien was de uitstraling van apparaat F aanzienlijk toegenomen wanneer de vermogensdichtheid hoger was dan 34,0 W/cm ² , maar een dergelijke verbetering werd niet gevonden in apparaat E. Typisch kunnen de vernauwing van FWHM en de glansverbetering worden beschouwd als laserkenmerken; de FWHM van 32 nm was echter nog steeds te breed om als laseremissie te worden beschouwd. In dat geval kan de emissie waargenomen in apparaat F met lasereigenschappen worden toegeschreven aan golfgeleidende acties. Het is bekend dat golfgeleiders uitstekende ruimtelijke filters zijn, licht kan uit de golfgeleider komen op een bijna diffractie-beperkte plek. Verlichting kan ook resonant in het substraat lekken en zich vervolgens naast de golfgeleider voortplanten, wat een smalle emissie geeft [24]. Bovendien wordt luminescente microholte ook beschouwd als een structuur die emissie kan induceren met vergelijkbare eigenschappen als laser. De lokale omgeving kan de spontane emissie van een molecuul sterk beïnvloeden, en microstructuren en microholtes op golflengteschaal kunnen de ruimtelijke, spectrale en temporele eigenschappen van deze lichtemissie veranderen door interferentie-effecten, wat kan leiden tot smalle lijnbreedten [21].

Evolutie van EL-spectra met toenemende spanning van elektrisch gepompt apparaat E a en apparaat F b . De inzetstukken tonen de afhankelijkheid van uitstraling en FWHM bij verschillende vermogensdichtheden

Deze resultaten gaven aan dat de in dit werk gemeten emissie niet de elektrisch gepompte laser was, maar dat de spectrumvernauwing en de toename van de straling kunnen worden toegeschreven aan laserkenmerken, wat de mogelijkheid onthulde om organische halfgeleiderlasers te realiseren onder diodepompen. Dergelijke resultaten demonstreerden ook de geweldige lasereigenschappen en elektrische prestaties van POFP als versterkingsmedia. Daarnaast hebben we de invloed bestudeerd van verschillende polymeren zoals MEH-PPV op de prestaties van OSL's in vergelijking met POFP (zie Aanvullend bestand 1:Ondersteunende informatie, Afbeelding S3). Het blijkt dat POFP in de toekomst een meer veelbelovende benadering kan zijn voor de realisatie van organische elektrisch gepompte laserapparaten door de juiste schema's te gebruiken, zoals het gebruik van gepulseerde spanning om excitatie-energie te leveren of het introduceren van gedistribueerde Bragg-resonantiepatronen op het substraat.