Hochleistungsfähiges grünes Polymer POFP: Niedrigschwelliges Lasern und überlegener Elektronentransport für diodengepumpte organische Festkörperlaser

Zusammenfassung

In dieser Studie berichten wir über das konjugierte Polymer Poly[(9,9-dioctyl-2,7-divinylenfluorenylen)-alt-co-(2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylen)] (POFP). Das Material zeigt bemerkenswert hohe Photolumineszenz-Quantenausbeuten und effizienten Elektronentransport, was es zu einem idealen Verstärkermedium macht. Unter gepulster Nd:YAG-Anregung bei 355 nm weisen POFP-Dünnschichten eine verstärkte spontane Emissions (ASE) Schwelle von nur 4,0 µJ cm^-2 und einen hohen Qualitätsfaktor (Q = 159) auf. Durch Integration von POFP in einen invertierten Wellenleiter-Mikroresonator fertigten wir diodengepumpte organische Festkörperlaser (OSLs) an, die klare Gewinnverengung und einen deutlichen Strahlkraftanstieg demonstrieren, was das interferenzverstärkte Laserverhalten von POFP bestätigt.

Hintergrund

Organische Halbleiter ziehen seit langem Interesse für optoelektronische Bauelemente wie OLEDs und OPVs auf sich, dank ihrer mechanischen Flexibilität, Lösungsprozessierbarkeit und Kosteneffizienz.^{[1, 2]} Konjugierte Polymere können insbesondere so abgestimmt werden, dass sie hohe PLQY, große stimulierte Emissionsquerschnitte und ein breites sichtbares Emissionsspektrum aufweisen, was sie als vielversprechende Kandidaten für optische Verstärker und elektrisch gepumpte Laser positioniert.^[3–6] Seit der ersten Demonstration polymerbasierter OSLs 1996^[9] haben Forscher sich auf die Synthese niedrigschwelliger Verstärkermaterialien konzentriert. Zum Beispiel erreichte Poly(9,9-dioctylfluoren-2,7-diyl-alt-benzothiadiazol) (F8BT) eine Laserschwelle von 6,1 µJ cm^-2, während fluorenbasierte Copolymere wie PPV und PF ASE-Schwellen zwischen 4,4 und 10,0 µJ cm^-2 zeigen.^{[4, 10, 11]} Fluor-haltige Polymere mit sub-µJ cm^-2 Schwellen bleiben hoch begehrt.

Zusätzlich zum Materialdesign wurden mehrere Strategien eingesetzt, um den optischen Gewinn zu steigern. Femtosekunden-Puls-Pumpen und zweidimensionale verteilte Rückkopplungs (DFB) Resonatoren haben Schwellen gesenkt, während Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) zwischen Wirts- und Gästemolekülen den optischen Gewinn erhöhen kann.^[12–15] Elektrisch gepumpte OSLs haben jedoch noch keine vergleichbare Leistung erreicht, hauptsächlich aufgrund begrenzter Stromdichten (~kA cm^-2), die für Populationsinversion erforderlich sind, und Herausforderungen bei der Integration effizienter optischer Resonatoren ohne Beeinträchtigung des Ladungstransports.^{[16, 17]} Ein einfacher vertikaler Wellenleiter-Mikroresonator, der mit minimaler Komplexität gefertigt werden kann, bietet einen vielversprechenden Weg, um ASE einzuschließen und spektrale Verengung zu erreichen.^[18] Unsere frühere Arbeit führte diodengepumpte OSLs ein, die eine organische elektrolumineszente Schicht (EML) als Pumpquelle und einen organischen Laserdye als Verstärkermedium nutzen.^[19]

Hier untersuchen wir POFP, ein grün-emittierendes Polymer aus der PPV-Familie. POFP erreicht eine ASE-Schwelle von 4,0 µJ cm^-2 und einen Q-Faktor von 159, was außergewöhnliche Lichtverstärkung anzeigt. Wir untersuchen auch seine Elektronentransport-Eigenschaften und integrieren es in eine invertierte Mikroresonator-Struktur, um diodengepumptes Laserverhalten zu demonstrieren, was den Grundstein für zukünftige elektrisch gepumpte organische Laser legt.

Methoden/Experimentell

POFP (mittleres Molekulargewicht 40 k–80 k) wurde von American H.W. SANDS bezogen. Das Polymer wurde in Chloroform bei 0,7 Gew.-% gelöst und auf gereinigte Glassubstrate spin-beschichtet, um Filme variabler Dicke zu bilden, gefolgt von Glühen bei 60 °C für 20 min.

Hochleistungsfähiges grünes Polymer POFP: Niedrigschwelliges Lasern und überlegener Elektronentransport für diodengepumpte organische Festkörperlaser

Loch-leitende und Elektronen-leitende Geräte wurden hergestellt, um Ladungstransport zu untersuchen. Der Loch-leitende Stapel war ITO/POFP/NPB/Al, während die Referenz nur NPB verwendete. Für Elektronen-leitende Geräte waren die Stapel Ag/BCP/POFP/Al und Ag/BCP/Bphen/Al. NPB, Bphen und BCP wurden als Standard Loch-, Elektronen-Transport- und Loch-blockierende Schichten gewählt. Für diodengepumpte OSLs diente ZnS als Elektronen-Injektionsschicht (EIL) und MoO₃ als Loch-Injektionsschicht (HIL). Die vollständige Gerätearchitektur war ITO/ZnS/POFP/AND:2 Gew.-% DSA-ph/NPB/2T-NATA/MoO₃/Al, wobei AND:DSA-ph die blau-emittierende EML ist.

Alle Geräte wurden in einer thermischen Verdampfungskammer auf ITO-beschichtetem Glas (150 nm, 15 Ω sq^-1) gefertigt. Substrate wurden sequenziell mit Detergenz, deionisiertem Wasser, Aceton, Isopropanol und UV-Ozon (15 min) gereinigt. Abscheideraten betrugen 0,6 Å s^-1 für organische Schichten, 0,1 Å s^-1 für Ag und 5,0 Å s^-1 für Al. Der aktive Bereich betrug 4 mm².

ASE-Messungen verwendeten einen 355-nm Nd:YAG-Laser (1 ns, 100 Hz). Der Strahl wurde auf 2,5 mm × 10 mm fokussiert und Neutraldichtefilter justierten die Pumpfluenz. Emission wurde vom Filmrand über Lichtwellenleiter zu einem Spektrometer gesammelt. PL-Spektren wurden mit einem FLSP 920 Spektrometer aufgezeichnet, während Absorption an einem Hitachi U-3900H UV-Vis-Spektrophotometer gemessen wurde. EL-Spektren wurden mit einem Photo Research PR-650 erhalten. Strom-Spannungs-Kennlinien wurden mit einem Keithley 2400 Source-Meter gemessen. Alle Messungen erfolgten im Dunkeln bei Raumtemperatur ohne Verkapselung.

Ergebnisse und Diskussion

Abb. 1b zeigt, dass POFP stark im Grünen emittiert (512 nm Peak, Schulter bei 550 nm) mit einem Absorptionsmaximum bei 452 nm. Die PL-Halbwertsbreite (FWHM) beträgt 60 nm. Unter 355-nm-Anregung liegt der ASE-Peak bei 548 nm, was effiziente Blaulichtabsorption bestätigt, geeignet für Blau-OLED-Pumpen.

Abb. 2a zeigt die Entwicklung von FWHM und ASE-Intensität für einen 135 nm POFP-Film bei steigender Pumpfluenz von 1 auf 20 µJ cm^-2. Die FWHM verengt sich von 27,3 auf 3,5 nm, während die ASE-Intensität überlinear ansteigt, was die ASE-Schwelle signalisiert. Tabelle 1 listet Schwellen für Filme von 60–165 nm Dicke auf; der niedrigste Wert (4,0 µJ cm^-2) tritt bei 135 nm auf, wobei Absorption und Streuverluste ausbalanciert werden. Abb. 2b demonstriert klare Gewinnverengung mit steigender Pumpleistung.

Der berechnete Q-Faktor von 159 für POFP übertrifft den vieler anorganischer Resonatoren (z. B. CaF₂ = 109) und Polymer-Analoga (z. B. pyren-gekappter Sternschnuppe = 65), was seine hohe optische Rückkopplungsfähigkeit unterstreicht.^{[21, 22]}

Ladungstransport-Messungen (Abb. 3) zeigen, dass POFPs Lochtransport schlechter ist als NPB, während sein Elektronentransport Bphen übertrifft. Dies deutet darauf hin, dass POFP am besten als Elektronentransportschicht in OSLs eingesetzt wird.

Die AND:DSA-ph EML emittiert bei 468 nm mit einer Schulter bei 500 nm, was stark mit POFPs Absorptionsband überlappt und effizienten Energietransfer und Pumpen ermöglicht. Abb. 4 veranschaulicht diese Überlappung.

Mit Dünnfilm-Interferenztheorie beträgt die optimale Mikroresonator-Dicke für konstruktive Interferenz d = λ/2n. Mit λ = 512 nm und n ≈ 1,7 beträgt die minimale konstruktive Dicke ≈ 150 nm, während destruktive Interferenz bei ≈ 75 nm auftritt.

Wir fertigten invertierte diodengepumpte OSLs mit Mikroresonator-Dicken von 75 nm (Gerät E) und 150 nm (Gerät F). Abb. 5a-b zeigen Geräteschemata und EML-Strukturen.

Elektrolumineszenz-Spektren (Abb. 6) zeigen, dass beide Geräte bei 512 nm peaken, passend zu POFP PL, was Anregung von POFP durch die blaue EML anzeigt. Gerät F (150 nm Mikroresonator) zeigt FWHM-Verengung von 60 auf 32 nm und einen Strahlkraftanstieg über 34 W cm^-2, während Gerät E nur geringfügige Verengung zeigt. Diese Merkmale reflektieren Wellenleiter- und Mikroresonator-Interferenz anstelle von vollem Lasern; dennoch demonstrieren sie POFPs Potenzial als Verstärkermedium unter Diodenpumpen.

Diese Ergebnisse bestätigen, dass POFP als effizientes Verstärkermedium in diodengepumpten OSLs fungieren kann, indem es spektrale Verengung und Strahlkraftsteigerung erreicht, die charakteristische Signaturen von Laseraktion sind. Vergleichsstudien mit MEH-PPV (Supporting Information, Abb. S3) deuten darauf hin, dass POFP überlegene Leistung bietet, was weitere Erkundung von gepulster Spannungspumpen oder Bragg-Spiegel-Resonatoren ermutigt, um voll elektrisch gepumpte organische Laser zu realisieren.

Schlussfolgerungen

Wir haben demonstriert, dass das grüne konjugierte Polymer POFP eine außergewöhnlich niedrige ASE-Schwelle von 4,0 µJ cm^-2, einen hohen Q-Faktor von 159 und überlegene Elektronentransporteigenschaften im Vergleich zu konventionellen ETLs aufweist. Die Integration von POFP in einen invertierten Wellenleiter-Mikroresonator ergibt diodengepumpte OSLs, die klare Gewinnverengung und Strahlkraftsteigerung zeigen und sein Potenzial für zukünftige elektrisch gepumpte organische Laser aufzeigen.

Abkürzungen

ASE: Verstärkte spontane Emission
DFB: Verteilte Rückkopplung
EL: Elektrolumineszenz
EML: Elektrolumineszente Schicht
FRET: Förster-Resonanzenergietransfer
FWHM: Halbwertsbreite
OLEDs: Organische Leuchtdioden
OPV: Organische Photovoltaik
OSL: Organische Festkörperlaser
PL: Photolumineszenz
PLQY: Photolumineszenz-Quantenausbeute
Q-Faktor: Qualitätsfaktor

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