Hoog-presterend groen polymere POFP: Lage-drempel lasing en superieure elektronen-transport voor diode-gepompte organische vaste-stof lasers

Samenvatting

In deze studie rapporteren we over het geconjugeerde polymere poly[(9,9-dioctyl-2,7-divinyleenfluorenyleen)-alt-co-(2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-fenyleen)] (POFP). Het materiaal vertoont opmerkelijk hoge fotoluminescentie kwantumopbrengsten en efficiënte elektronen-transport, wat het een ideaal winstmedium maakt. Onder gepulste Nd:YAG excitatie bij 355 nm, tonen POFP dunne films een versterkte spontane emissie (ASE) drempel van slechts 4,0 µJ cm⁻² en een hoge kwaliteitsfactor (Q = 159). Door POFP te integreren in een geïnverteerde golfgeleider microcaviteit, fabriceren we diode-gepompte organische vaste-stof lasers (OSLs) die duidelijke winstvernauwing en een uitgesproken stralingsdichtheidstoename tonen, wat de interferentie-verbeterde lasing gedrag van POFP bevestigt.

Achtergrond

Organische halfgeleiders hebben lang belangstelling getrokken voor opto-elektronische apparaten zoals OLEDs en OPVs, dankzij hun mechanische flexibiliteit, oplossingsverwerkbaarheid en kosten-effectiviteit.^{[1, 2]} Geconjugeerde polymeren, in het bijzonder, kunnen afgesteld worden om hoge PLQY, grote gestimuleerde emissie doorsnedes en een breed zichtbaar-licht emissiespectrum te vertonen, wat ze positioneert als veelbelovende kandidaten voor optische versterkers en elektrisch gepompte lasers.^{[3, 4, 5, 6]} Sinds de eerste polymere-gebaseerde OSLs gedemonstreerd werden in 1996,^[9] hebben onderzoekers zich gericht op het synthetiseren van lage-drempel winstmaterialen. Bijvoorbeeld, poly(9,9-dioctylfluoren-2,7-diyl-alt-benzothiadiazole) (F8BT) bereikte een lasing drempel van 6,1 µJ cm⁻², terwijl fluoreen-gebaseerde copolymere zoals PPV en PF ASE drempels tussen 4,4 en 10,0 µJ cm⁻² tonen.^{[4, 10, 11]} Fluorine-bevattende polymeren met sub-µJ cm⁻² drempels blijven hoogst gewenst.

Naast materiaalontwerp zijn diverse strategieën toegepast om optische winst te verhogen. Femtoseconde gepulste pompen en tweedimensionale gedistribueerde terugkoppeling (DFB) resonatoren hebben drempels verlaagd, terwijl Förster resonantie energieoverdracht (FRET) tussen gastheer en gastmoleculen de optische winst kan verbeteren.^[12–15] Echter, elektrisch gepompte OSLs hebben nog geen vergelijkbare prestaties bereikt, grotendeels door beperkte stroomdichtheden (~kA cm⁻²) vereist voor populatie-inversie en uitdagingen in het integreren van efficiënte optische resonatoren zonder ladingstransport te compromitteren.^{[16, 17]} Een eenvoudige verticale golfgeleider microcaviteit, die met minimale complexiteit gefabriceerd kan worden, biedt een veelbelovende route om ASE in te sluiten en spectrale vernauwing te bereiken.^[18] Ons eerdere werk introduceerde diode-gepompte OSLs die een organische electro-luminescente laag (EML) als pompbron en een organische laserkleurstof als winstmedium gebruikten.^[19]

Hier onderzoeken we POFP, een groen-emitterend polymere afgeleid van de PPV familie. POFP bereikt een ASE drempel van 4,0 µJ cm⁻² en een Q-factor van 159, wat uitzonderlijke lichtversterking aangeeft. We onderzoeken ook de elektronen-transport kenmerken en integreren het in een geïnverteerde microcaviteit structuur om diode-gepompte lasing gedrag te demonstreren, wat de basis legt voor toekomstige elektrisch gepompte organische lasers.

Methoden/Experimenteel

POFP (gemiddelde moleculaire gewicht 40k–80k) werd verkregen van American H.W. SANDS. Het polymere werd opgelost in chlorofoorm bij 0,7 gew% en gespincat op gereinigde glas substraten om films van variërende dikte te vormen, gevolgd door annealing bij 60 °C gedurende 20 min.

Alleen-gaten en alleen-elektronen apparaten werden gefabriceerd om ladingstransport te onderzoeken. De alleen-gaten stack was ITO/POFP/NPB/Al, terwijl de referentie alleen NPB gebruikte. Voor alleen-elektronen apparaten waren de stacks Ag/BCP/POFP/Al en Ag/BCP/Bphen/Al. NPB, Bphen en BCP werden gekozen als standaard gaten-, elektronen-transport en gaten-blokkerende lagen, respectievelijk. Voor diode-gepompte OSLs diende ZnS als elektronen-injectielaag (EIL) en MoO₃ als gaten-injectielaag (HIL). De complete apparaatarchitectuur was ITO/ZnS/POFP/AND:2 gew% DSA-ph/NPB/2T-NATA/MoO₃/Al, waar AND:DSA-ph de blauw-emitterende EML is.

Alle apparaten werden gefabriceerd in een thermische verdampingskamer op ITO-gecoate glas (150 nm, 15 Ω vierk). Substraten werden achtereenvolgens gereinigd met detergent, gedemineraliseerd water, aceton, isopropanol en UV-ozon (15 min). Depositietempo's waren 0,6 Å s⁻¹ voor organische lagen, 0,1 Å s⁻¹ voor Ag en 5,0 Å s⁻¹ voor Al. Het actieve oppervlak was 4 mm².

ASE metingen emploerden een 355-nm Nd:YAG laser (1 ns, 100 Hz). De bundel werd gefocust op 2,5 mm × 10 mm en neutrale-dichtheid filters stuwen de pompfluens. Emissie werd verzameld van de filmrand via optische vezel naar een spectrometer. PL spectra werden opgenomen met een FLSP 920 spectrometer, terwijl absorptie gemeten werd op een Hitachi U-3900H UV-vis spectrophotometer. EL spectra werden verkregen met een Photo Research PR-650. Stroom-spanning kenmerken werden gemeten met een Keithley 2400 bronmeter. Alle metingen werden in het donker bij kamertemperatuur zonder encapsulatie uitgevoerd.

Resultaten en Discussie

Figuur 1b toont dat POFP sterk emitteert in het groen (512 nm piek, schouder bij 550 nm) met een absorptiemaximum bij 452 nm. De PL volle breedte op halve maximum (FWHM) is 60 nm. Onder 355-nm excitatie piekt de ASE bij 548 nm, wat efficiënte blauw-lichtabsorptie bevestigt geschikt voor blauwe OLED pomping.

Figuur 2a beschrijft de evolutie van FWHM en ASE-intensiteit voor een 135 nm POFP film naarmate de pompfluens toeneemt van 1 tot 20 µJ cm⁻². De FWHM vernauwt van 27,3 tot 3,5 nm, terwijl de ASE-intensiteit super-lineair stijgt, wat de ASE drempel signaleert. Tabel 1 lijst drempels voor films 60–165 nm dik; de laagste waarde (4,0 µJ cm⁻²) treedt op bij 135 nm, balancerend absorptie en verstrooiingsverliezen. Figuur 2b demonstreert duidelijke winstvernauwing met toenemende pomp.

De berekende Q-factor van 159 voor POFP overstijgt die van veel anorganische resonatoren (bijv. CaF₂ = 109) en polymere analogieën (bijv. pyreen-gekapte steruitstoot = 65), wat de hoge optische terugkoppelingscapaciteit benadrukt.^{[21, 22]}

Ladingstransportmetingen (Figuur 3) onthullen dat POFP's gatentransport inferieur is aan NPB, terwijl de elektronen-transport Bphen overtreft. Dit suggereert dat POFP het beste ingezet wordt als elektronen-transportlaag in OSLs.

De AND:DSA-ph EML emitteert bij 468 nm met een schouder bij 500 nm, wat sterk overlapt met POFP's absorptieband, wat efficiënte energieoverdracht en pomping mogelijk maakt. Figuur 4 illustreert deze overlap.

Met behulp van dunne-film interferentietheorie is de optimale microcaviteit dikte voor constructieve interferentie d = λ/2n. Met λ = 512 nm en n ≈ 1,7 is de minimale constructieve dikte ≈ 150 nm, terwijl destructieve interferentie optreedt bij ≈ 75 nm.

We fabriceren geïnverteerde diode-gepompte OSLs met microcaviteit diktes van 75 nm (apparaat E) en 150 nm (apparaat F). Figuren 5a–b tonen apparaatschema's en EML structuren.

Elektroluminescentie spectra (Figuur 6) tonen dat beide apparaten pieken bij 512 nm, wat overeenkomt met POFP PL, wat excitatie van POFP door de blauwe EML aangeeft. Apparaat F (150 nm microcaviteit) vertoont FWHM vernauwing van 60 tot 32 nm en een stralingsdichtheidssprong boven 34 W cm⁻², terwijl apparaat E slechts lichte vernauwing toont. Deze kenmerken reflecteren golfgeleiding en microcaviteit interferentie in plaats van volledige lasing; niettemin tonen ze POFP's potentieel als winstmedium onder diode pomping.

Deze resultaten bevestigen dat POFP kan fungeren als efficiënt winstmedium in diode-gepompte OSLs, wat spectrale vernauwing en stralingsdichtheidsverbetering bereikt die kenmerkend zijn voor laseractie. Vergelijkende studies met MEH-PPV (Ondersteunende Informatie, Fig. S3) wijzen erop dat POFP superieure prestaties biedt, wat verdere verkenning van gepulste-spanning pomping of Bragg-spiegel resonatoren aanmoedigt om volledig elektrisch gepompte organische lasers te realiseren.

Conclusies

We hebben gedemonstreerd dat het groen geconjugeerde polymere POFP een uitzonderlijk lage ASE drempel van 4,0 µJ cm⁻², een hoge Q-factor van 159 en superieure elektronen-transporteigenschappen vertoont vergeleken met conventionele ETLs. Het integreren van POFP in een geïnverteerde golfgeleider microcaviteit levert diode-gepompte OSLs op die duidelijke winstvernauwing en stralingsdichtheidsverbetering tonen, wat de belofte voor toekomstige elektrisch gepompte organische lasers toont.

Afkortingen

ASE

Amplified spontaneous emissions (versterkte spontane emissies)

DFB

Distributed feedback (gedistribueerde terugkoppeling)

EL

Electroluminescence (elektroluminescentie)

EML

Electroluminescent layer (elektroluminescente laag)

FRET

Förster resonance energy transfer (Förster resonantie energieoverdracht)

FWHM

Full width at half maximum (volledige breedte op halve maximum)

OLEDs

Organic light-emitting diodes (organische licht-emitterende diodes)

OPV

Organic photovoltaic (organisch fotovoltaïsch)

OSL

Organic solid lasers (organische vaste-stof lasers)

PL

Photoluminescence (fotoluminescentie)

PLQY

Photoluminescence quantum yield (fotoluminescentie kwantumopbrengst)

Q-factor

Quality factor (kwaliteitsfactor)