폴리[(9,9-디옥틸-2,7-디비닐렌플루오레닐렌)-alt-co-(2-메톡시- 5-(2-에틸헥실옥시)-1,4-페닐렌)] (POFP) 다이오드 펌핑 유기 고체 레이저의 적용

결과 및 토론

그림 1b는 POFP 박막의 흡수, PL 및 ASE 스펙트럼을 보여줍니다. POFP는 550nm에서 숄더와 함께 512nm에서 정점을 이루는 녹색 영역에서 강한 방출을 보였고 흡수는 452nm에서 정점을 찍었습니다. PL 스펙트럼의 반치폭(FWHM)은 60nm였습니다. 355nm에서 Nd:YAG 레이저로 펌핑된 POFP의 ASE 스펙트럼은 548nm에서 피크를 나타냈습니다. 실제로 메인 blue 영역의 강한 흡수는 blue OLED를 사용하여 POFP를 펌핑할 수 있는 가능성을 제공합니다.

그림 2a는 다양한 펌프 강도에서 두께가 135nm인 POFP 필름의 FWHM과 ASE 출력 강도의 의존성을 보여줍니다. 펌프 강도가 1에서 20.0μJ/cm ² 로 증가했을 때 , FWHM은 27.3nm에서 3.5nm로 감소한 반면 ASE 피크 강도는 크게 증폭되었습니다. 펌프 강도의 함수로서 ASE 강도의 선형 종속성에서 초선형 종속성으로의 전환은 ASE 임계값의 표시로 사용할 수 있습니다. 또한 FWHM 값은 더 높은 펌프 강도에서 안정적으로 유지되어 ASE의 포화 상태를 나타냅니다. 그런 다음 표 1에 요약된 대로 60~165nm의 두께를 가진 POFP 필름의 임계값 에너지를 측정했습니다. POFP 필름은 4.0μJ/cm ^{2 최적의 두께는 135nm입니다. 필름이 너무 얇으면 펌핑 빛을 효과적으로 흡수할 수 없다는 것이 알려져 있습니다. 그렇지 않으면 후막의 경우 산란에 의해 소멸이 유도됩니다. 그림 2b는 3, 4 및 16μJ/cm 2 의 펌프 강도 증가에 따른 POFP(135nm) 방출 스펙트럼의 변화를 보여줍니다. . ASE 스펙트럼의 게인 축소가 명확하게 관찰될 수 있었습니다.}

아 다양한 펌프 강도에서 POFP 필름(135nm)의 FWHM(사각형) 및 피크 강도(구형)의 의존성 ㄴ 펌프 강도 증가에 따른 POFP 필름(135nm) 방출 스펙트럼의 진화

고려해야 할 또 다른 중요한 매개변수는 피드백 구조의 빛을 유지하는 능력을 설명하는 Q 인자입니다. Fabry-Perot 공진기 모델에서 ASE 임계값의 장점을 평가하는 데 사용할 수 있습니다[21]. 계산에 따르면 POFP의 Q-factor는 159로 무기물 CaF₂의 109에 비해 상대적으로 높은 값입니다. 또는 Si [22] 및 65(파이렌으로 덮인 스타버스트 폴리머 필름[7]).

POFP로 다이오드 펌핑 OSL을 제작하려면 캐리어 전송 특성을 이해하는 것이 매우 중요합니다. 널리 사용되는 두 가지 재료인 정공 수송 재료인 NPB와 전자 수송 재료인 Bphen을 사용하여 단일 캐리어 장치를 통한 POFP의 수송 특성을 비교했습니다. 그림 3a와 같이 소자 A와 소자 B를 제작하여 POFP와 NPB의 정공 수송 특성을 비교하였다. J –V 곡선은 POFP의 명백히 열등한 정공 수송 능력을 보여주었다. 이에 반해 POFP(디바이스 C)의 전자수송 특성은 그림 3b와 같이 Bphen(디바이스 D)보다 우수한 것으로 측정되었으며, 이는 POFP가 OSL에서 전자수송 물질로 작용해야 함을 나타낸다.

J –V a의 특성 구멍 전용 장치 및 b 전자 전용 장치. 장치의 구조는 삽입에 표시됩니다.

청색 도펀트로 도핑된 1,4-비스[N-(1-나프틸)-N'-페닐아미노]-4,4'-디아민/9,10-디(2-나프틸) 안트라센(AND) p-비스(pN) ,N-디페닐아미노스티릴)벤젠(DSA-Ph)은 POFP를 펌핑하기 위해 OSL의 발광층(EML)으로 선택되었습니다. 그림 4는 AND:2wt%DSA-ph의 EL 스펙트럼과 POFP의 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. EML의 EL 스펙트럼은 468nm에서 피크를 보인 다음 500nm에서 숄더 피크를 보여 청색 발광을 나타냅니다. POFP는 거의 전체 청색 영역에서 높은 흡수율을 갖는 것으로 밝혀져 EML의 EL 스펙트럼과 광범위한 겹침을 만들어 EML에서 미디어 레이어를 얻기 위한 에너지 입력을 실현하기 위한 에너지 전달 가능성을 제공했습니다.

AND:2wt%DSA-ph의 EL 스펙트럼 및 POFP의 흡광도 스펙트럼

미세 공간 소자에서 작은 반사라도 소자 성능에 큰 영향을 미칠 수 있는 것으로 알려져 있는데, 이는 금속 전극과 다른 반사체 사이에 결합된 분자막 때문입니다. 이러한 구조는 광학 공진기로 작동하여 광학 필드의 분포 모드를 결정하고 FWHM 또는 광도의 분포를 수정할 수 있습니다. 간섭성 빛을 얻기 위해 광학 미세 공간을 사용하기 위한 한 가지 방법은 박막 간섭 이론입니다. 빔 간섭 이론에 기초하여 광로 차이 δ 사이의 관계 위상차 φ \( \upvarphi =\frac{2\uppi}{\uplambda}\updelta \)입니다. δ일 때 =mλ(m 는 양의 정수이며 프린지 오더를 나타냄) 간섭 향상을 형성합니다. δ일 때 =(2m − 1)λ/2, 상쇄 간섭이 발생합니다. 박막 시스템의 간섭 강화 조건을 고려하여 미세 공간의 두께 d d를 만족해야 합니다. =mλ/2, 피드백 향상을 생성합니다. 반대로 두께가 d이면 =(2m − 1)λ/4, 상쇄 간섭이 발생합니다.

이 이론에 기초하여 EML에 의해 펌핑되는 POFP의 소자를 직류(DC)로 제작하였다. 광학 경로 차이는 δ여야 합니다. =mλ, 간섭 향상 생성, 여기서 m 필름의 두께가 장치의 작동 전압에 영향을 미치므로 1만큼 낮아야 합니다. 또한, 필름의 굴절은 파장에 영향을 미치므로 λ ^' =λ/n. 일반적으로 굴절률 n 유기 필름의 약 1.7입니다. 결과적으로 최소 미세 공간 두께 d _ㄷ 간섭 향상을 달성하기 위한 금속 전극과 POFP 필름 사이는 다음과 같이 계산할 수 있습니다. \( {d}_{\mathrm{c}}=\frac{\uplambda}{2n}=\frac{512\;\mathrm {nm}}{2\times 1.7}\약 150\;\mathrm{nm} \). 마찬가지로, 상쇄 간섭을 구현하기 위한 해당 미세 공간 두께는 75nm로 계산되었습니다.

이 작업에서 다이오드 펌핑 OSL을 제조하기 위해 역 소자 구조가 사용되었습니다. 우리는 최근 ITO/ZnS/Bphen/AND:DSA-ph/NPB/MoO3/Al의 소자 구조가 금속 황화물- 유기 계면 [20]. 또한, 역 구조는 민감한 전자 주입 재료 아래에서 물과 산소를 ​​차단할 수 있기 때문에 더 긴 장치 수명을 제공하기 위한 큰 잠재적 응용 프로그램을 가질 수 있습니다[23]. 또한 2T-NAT를 사용하여 미세 공간의 두께를 조정했습니다. 참고로 상쇄간섭 미세공동이 있는 소자를 제작하였다. 반전 소자(소자 E 및 소자 F)의 구조는 그림 5a에 표시되어 있고 그림 5b는 발광 물질의 분자 구조를 보여줍니다.

아 다이오드 펌핑 OSL 장치 E 및 장치 F의 구조. b 소자에 사용된 발광 물질의 분자 구조

MoO₃의 총 두께 /2T-NATA/NPB/AND:2wt%DSA-ph는 다이오드 펌핑된 발광 장치에서 장치 E 및 장치 F에서 각각 75 및 150nm였으며, 이는 계산된 미세 공간 두께와 일치했습니다. 전자와 정공은 EML에서 결합하여 청색광을 방출하여 POFP를 펌핑하고 자발적인 복사 스펙트럼을 생성할 수 있습니다. 부분적인 빛은 이후에 POFP 층으로 반사될 수 있는 반면, POFP에서 자극된 빛은 최종적으로 반사광과 간섭을 일으켜 향상을 실현합니다. AND는 여기에서 호스트로 기능하는 반면 DSA-ph는 도펀트입니다. OSL의 성능에 대한 다양한 도핑 농도(1.0, 2.0 및 5.0wt%)와 다양한 도펀트(DSA-ph 및 BCzVBi)의 영향이 먼저 조사되었습니다. 추가 파일 1:지원 정보의 그림 S1 및 S2에서 볼 수 있듯이 2.0wt%의 도핑 농도와 도펀트로 DSA-ph를 사용하여 최적화된 성능을 제공하는 것으로 나타났습니다.

그림 6a, b는 다이오드 펌핑 장치 E와 장치 F의 전압 증가에 따른 EL 스펙트럼의 변화를 보여줍니다. 삽입된 그림은 다양한 전력 밀도에서 복사조도와 FWHM의 의존성을 보여줍니다. 두 장치의 EL 스펙트럼은 숄더가 있는 512nm에서 피크를 나타냈으며, 이는 POFP의 PL 스펙트럼과 유사하며, 이는 출사광이 POFP의 여기에서 발생하고 EML에 의해 자극되었음을 나타냅니다. 그림 6의 삽입도에서 장치 F의 FWHM은 전력 밀도가 증가함에 따라 60nm에서 32nm로 감소한 반면 장치 E에서는 FWHM이 매우 약간 좁아짐(62nm에서 60nm)이 관찰되었습니다. 현상은 계산된 미세 공간의 두께에 의해 유도된 파괴적이고 강화된 간섭에 기인할 수 있습니다. 또한, 전력 밀도가 34.0W/cm ² 이상일 때 기기 F의 휘도가 크게 증가했습니다. 그러나 이러한 향상은 장치 E에서 발견되지 않았습니다. 일반적으로 FWHM의 축소 및 광도 향상은 레이저 특성으로 간주될 수 있습니다. 그러나 32nm의 FWHM은 여전히 ​​레이저 방출로 간주하기에는 너무 넓습니다. 이 경우 레이저 특성이 있는 장치 F에서 관찰된 방출은 도파관 작용에 기인할 수 있습니다. 도파관은 우수한 공간 필터로 알려져 있으며, 빛은 거의 회절 제한 지점에서 도파관에서 나올 수 있습니다. 조명은 또한 기판으로 공명하게 누출된 다음 도파관 옆으로 전파되어 좁은 방출을 제공할 수 있습니다[24]. 또한 발광 미세공동도 레이저와 유사한 특성으로 발광을 유도할 수 있는 구조로 여겨진다. 국부적 환경은 분자의 자발적인 방출에 강하게 영향을 미칠 수 있으며, 파장 규모의 미세구조와 미세공동은 간섭 효과를 통해 이 빛 방출의 공간적, 스펙트럼 및 시간적 특성을 변경하여 좁은 선폭으로 이어질 수 있습니다[21]. <그림>

전기적으로 펌핑되는 장치 E a의 전압 증가에 따른 EL 스펙트럼의 진화 및 기기 F b . 삽입은 다양한 전력 밀도에서 광도 및 FWHM의 의존성을 보여줍니다.

이러한 결과는 이 연구에서 측정된 방출이 전기적으로 펌핑된 레이저가 아니었음을 나타내었지만, 스펙트럼 협소화 및 광도의 증가는 레이저 특성에 기인할 수 있으며 다이오드 펌핑에서 유기 반도체 레이저를 실현할 가능성을 보여줍니다. 이러한 결과는 또한 이득 매질로서 POFP의 우수한 레이저 특성과 전기적 성능을 보여주었다. 또한 MEH-PPV와 같은 다양한 폴리머가 POFP와 비교하여 OSL의 성능에 미치는 영향을 연구했습니다(추가 파일 1:지원 정보, 그림 S3 참조). POFP는 펄스 전압을 사용하여 여기 에너지를 제공하거나 기판에 분산된 브래그 공명 패턴을 도입하는 것과 같은 적절한 계획을 사용하여 미래에 유기 전기 펌핑 레이저 장치의 실현에 대한 보다 유망한 접근 방식이 될 수 있음이 밝혀졌습니다. 피>