Polímero verde POFP de alto rendimiento: Láser umbral bajo y transporte electrónico superior para láseres orgánicos sólidos bombeados por diodo

Resumen

En este estudio reportamos el polímero conjugado poli[(9,9-dioctil-2,7-divinilenofluorenileno)-alt-co-(2-metoxi-5-(2-etilhexiloxi)-1,4-fenileno)] (POFP). El material muestra rendimientos cuánticos fotoluminiscencia notablemente altos y transporte electrónico eficiente, haciéndolo medio ganancia ideal. Bajo excitación Nd:YAG pulsada a 355 nm, películas delgadas POFP exhiben umbral emisión espontánea amplificada (ASE) de solo 4,0 µJ cm⁻² y alto factor calidad (Q = 159). Integrando POFP en microcavidad guía onda invertida, fabricamos láseres orgánicos sólidos (OSLs) bombeados por diodo que demuestran estrechamiento ganancia claro y aumento pronunciado radiancia, confirmando comportamiento láser interferencia-mejorado POFP.

Introducción

Semiconductores orgánicos han atraído interés prolongado para dispositivos optoelectrónicos como OLEDs y OPVs, gracias a su flexibilidad mecánica, procesabilidad solución y costo-efectividad [1, 2]. Polímeros conjugados, en particular, pueden ajustarse para exhibir alto PLQY, grandes secciones transversales emisión estimulada y amplio espectro emisión luz visible, posicionándolos como candidatos prometedores amplificadores ópticos y láseres bombeados eléctricamente [3, 4, 5, 6]. Desde primeros OSLs basados polímero demostrados 1996 [9], investigadores se han centrado sintetizar materiales ganancia bajo umbral. Por ejemplo, poli(9,9-dioctilfluoren-2,7-diel-alt-benzotiadiazol) (F8BT) alcanzó umbral láser 6,1 µJ cm⁻², mientras copolímeros base fluoreno como PPV y PF muestran umbrales ASE entre 4,4 y 10,0 µJ cm⁻² [4, 10, 11]. Polímeros conteniendo flúor con umbrales sub-µJ cm⁻² siguen siendo altamente deseables.

Además de diseño material, varias estrategias se han empleado impulsar ganancia óptica. Bombas pulsadas femtosegundo y resonadores distributed feedback (DFB) bidimensionales han bajado umbrales, mientras transferencia energía resonancia Förster (FRET) entre moléculas huésped e invitado puede mejorar ganancia óptica [12-15]. Sin embargo, OSLs bombeados eléctricamente aún no logran rendimiento comparable, largely debido a densidades corriente limitadas (~kA cm⁻²) requeridas para inversión población y desafíos integrando resonadores ópticos eficientes sin comprometer transporte portadores [16, 17]. Una simple microcavidad guía onda vertical, que puede fabricarse con complejidad mínima, ofrece ruta prometedora confinar ASE y lograr estrechamiento espectral [18]. Nuestro trabajo previo introdujo OSLs bombeados diodo que usan capa electroluminiscente orgánica (EML) como fuente bomba y colorante láser orgánico como medio ganancia [19].

Aquí investigamos POFP, polímero verde emisor derivado familia PPV. POFP alcanza umbral ASE 4,0 µJ cm⁻² y factor Q 159, indicando amplificación luz excepcional. También examinamos sus características transporte electrónico e integramos en estructura microcavidad invertida para demostrar comportamiento láser bombeado diodo, sentando bases para futuros láseres orgánicos bombeados eléctricamente.

Métodos/Experimental

POFP (peso molecular promedio 40k-80k) obtenido American H.W. SANDS. Polímero disuelto cloroformo 0,7% peso y centrifugado sobre sustratos vidrio limpios para formar películas espesores variables, seguido recocido 60 °C 20 min.

a Estructura molecular POFP. b Espectros absorción, PL y ASE películas delgadas POFP.

Dispositivos solo-hueco y solo-electrón fabricados para sondear transporte portadores. Pila solo-hueco ITO/POFP/NPB/Al, mientras referencia usó solo NPB. Para dispositivos solo-electrón, pilas Ag/BCP/POFP/Al y Ag/BCP/Bphen/Al. NPB, Bphen, BCP elegidos como capas estándar transporte hueco, transporte electrón y bloqueo hueco respectivamente. Para OSLs bombeados diodo, ZnS sirvió capa inyección electrón (EIL) y MoO₃ capa inyección hueco (HIL). Arquitectura dispositivo completa ITO/ZnS/POFP/AND:2% peso DSA-ph/NPB/2T-NATA/MoO₃/Al, donde AND:DSA-ph es EML azul emisor.

Todos dispositivos fabricados cámara evaporación térmica sobre vidrio ITO-recubierto (150 nm, 15 Ω sq⁻¹). Sustratos limpiados secuencialmente detergente, agua desionizada, acetona, isopropanol, y UV-ozono (15 min). Tasas deposición 0,6 Å s⁻¹ capas orgánicas, 0,1 Å s⁻¹ Ag, 5,0 Å s⁻¹ Al. Área activa 4 mm².

Medidas ASE emplearon láser Nd:YAG 355-nm (1 ns, 100 Hz). Haz enfocado 2,5 mm × 10 mm y filtros densidad neutra ajustaron fluencia bomba. Emisión recogida borde película vía fibra óptica a espectrómetro. Espectros PL registrados espectrómetro FLSP 920, mientras absorción medida espectrofotómetro Hitachi U-3900H UV-vis. Espectros EL obtenidos Photo Research PR-650. Características corriente-voltaje medidas medidor fuente Keithley 2400. Todas medidas realizadas oscuridad temperatura ambiente sin encapsulación.

Resultados y Discusión

Figura 1b muestra POFP emite fuertemente verde (pico 512 nm, hombro 550 nm) con máximo absorción 452 nm. PL ancho mitad máximo (FWHM) 60 nm. Bajo excitación 355-nm, picos ASE a 548 nm, confirmando absorción azul eficiente adecuado bombeo OLED azul.

Figura 2a muestra evolución FWHM e intensidad ASE para película POFP 135 nm conforme fluencia bomba aumenta 1 a 20 µJ cm⁻². FWHM estrecha 27,3 a 3,5 nm, mientras intensidad ASE sube super-linealmente, señalando umbral ASE. Tabla 1 lista umbrales películas 60-165 nm espesor; valor más bajo (4,0 µJ cm⁻²) ocurre a 135 nm, equilibrando absorción y pérdidas dispersión. Figura 2b demuestra estrechamiento ganancia claro con aumento bomba.

a FWHM e intensidad pico vs fluencia bomba para POFP 135 nm. b Espectros ASE a 3, 4 y 16 µJ cm⁻².

Factor Q calculado 159 para POFP excede muchos resonadores inorgánicos (ej. CaF₂ = 109) y análogos polímero (ej. estrella explosión pireno-capado = 65), subrayando su alta capacidad retroalimentación óptica [21, 22].

Medidas transporte portadores (Figura 3) revelan transporte hueco POFP inferior a NPB, mientras transporte electrónico supera Bphen. Esto sugiere POFP mejor empleado como capa transporte electrón en OSLs.

a Curvas J-V dispositivos solo-hueco. b Curvas J-V dispositivos solo-electrón. Estructuras dispositivo en inset.

EML AND:DSA-ph emite 468 nm con hombro 500 nm, solapando fuertemente banda absorción POFP, permitiendo transferencia energía eficiente y bombeo. Figura 4 ilustra este solapamiento.

Espectro EL AND:2% peso DSA-ph y espectro absorción POFP.

Usando teoría interferencia película delgada, espesor microcavidad óptimo para interferencia constructiva es d = λ/2n. Con λ = 512 nm y n ≈ 1,7, espesor constructivo mínimo ≈ 150 nm, mientras interferencia destructiva ocurre ≈ 75 nm.

Fabricamos OSLs bombeados diodo invertidos con espesores microcavidad 75 nm (dispositivo E) y 150 nm (dispositivo F). Figuras 5a-b muestran esquemas dispositivos y estructuras EML.

a Estructuras dispositivo E y F. b Estructuras moleculares EML.

Espectros electroluminiscencia (Figura 6) muestran ambos dispositivos pican 512 nm, coincidiendo PL POFP, indicando excitación POFP por EML azul. Dispositivo F (microcavidad 150 nm) exhibe estrechamiento FWHM 60 a 32 nm y aumento radiancia encima 34 W cm⁻², mientras dispositivo E muestra solo estrechamiento menor. Estas características reflejan guía onda e interferencia microcavidad más que láser completo; nevertheless, demuestran potencial POFP como medio ganancia bajo bombeo diodo.

Espectros EL vs voltaje dispositivos E (a) y F (b). Insets muestran radiancia y FWHM vs densidad potencia.

Estos resultados confirman POFP puede actuar como medio ganancia eficiente en OSLs bombeados diodo, logrando estrechamiento espectral y mejora radiancia que son firmas características acción láser. Estudios comparativos con MEH-PPV (Información Soporte, Fig. S3) indican POFP ofrece rendimiento superior, animando weitere exploración bombeo voltaje pulsado o resonadores espejo Bragg para realizar láseres orgánicos totalmente bombeados eléctricamente.

Conclusiones

Hemos demostrado que polímero conjugado verde POFP exhibe umbral ASE excepcionalmente bajo 4,0 µJ cm⁻², alto factor Q 159 y propiedades transporte electrónico superiores comparado ETLs convencionales. Integrando POFP en microcavidad guía onda invertida rinde OSLs bombeados diodo que muestran claro estrechamiento ganancia y mejora radiancia, mostrando su promesa para futuros láseres orgánicos bombeados eléctricamente.

Abreviaturas

ASE

Emisión espontánea amplificada

DFB

Distributed feedback

EL

Electroluminiscencia

EML

Capa electroluminiscente

FRET

Transferencia energía resonancia Förster

FWHM

Ancho mitad máximo

OLEDs

Diodos emisores luz orgánicos

OPV

Fotovoltaico orgánico

OSL

Láseres orgánicos sólidos

PL

Fotoluminiscencia

PLQY

Rendimiento cuántico fotoluminiscencia

Q-factor

Factor calidad