Luminescerende emissie in de vorm van fosforescentie komt in het dagelijks leven veel voor als gevolg van een kwantummechanisch kleine overgangswaarschijnlijkheid. De levensduur van een luminescentie-emissie kan variëren van microseconden tot enkele uren. In de volksmond bekend om zijn gebruik in glow-in-the-dark-producten en als noodverlichtingsverlichting in openbare gebouwen, het is ook een praktische methode voor het opslaan van informatie, inclusief stempeldetectie en -verificatie. Hoewel er momenteel gemakkelijke en kosteneffectieve fabricagemethoden bestaan ​​om fosforescentiesystemen te ontwikkelen met behulp van organische emitters, het bereiken van zichtbare organische fosforescentie onder omgevingsomstandigheden in het laboratorium voor industriële vertaling is een uitdaging.

In een recente studie, nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , Max Gmelch en collega's van de Technische Universiteit van Dresden melden een nieuwe mijlpaal in organische lichtgevende etikettering. Voor deze, ze gebruikten een eenvoudige apparaatstructuur gemaakt van algemeen beschikbare materialen om ultradunne, flexibele en transparante lichtgevende coatings. Het resulterende etiketteerapparaat was snel, met de mogelijkheid om meer dan 40 informatiecycli op elk substraat van elk formaat af te drukken, bij hoge resolutie. De wetenschappers gebruikten alleen licht, zonder inkt, om een ​​lichtgevende boodschap op het materiaal af te drukken. Het contactloze proces kan ook de afbeelding van hetzelfde materiaal wissen. Het concept vertegenwoordigt een veelbelovende methode om lichtgevende on-demand tags te produceren om informatie op te slaan en conventionele labeltechnieken te vervangen.

In de studie, Gmelch et al. gebruikte een ultradunne emitterende materiaallaag met een dikte van 900 nm, overwegend met poly(methylmethacrylaat) (PMMA), ook wel acrylglas genoemd. Ze bevatten een gastmolecuul dat bekend staat als NPB (N, N'-di(1-naftyl)N, N'-difenyl-(1, 1'-bifenyl)-4, 4'-diamine), een algemeen verkrijgbaar gattransportmateriaal (ladingsextractie en transport) dat wordt gebruikt in organische lichtemitterende diode (OLED) -technologie. De wetenschappers ontwikkelden de dunne doorschijnende coating voor luminescente labeling door de twee materialen te combineren (PMMA:NPB). Afhankelijk van het substraat van belang, de coating kan ook worden gebruikt op verschillende oppervlakken via spincoating, spuitcoating of dompelcoating.

De wetenschappers observeerden langdurige, fosforescentie bij kamertemperatuur door matige spin-baankoppeling en dichte pakking van de PMMA-polymeren in afwezigheid van zuurstof. analoog, om de blootstelling van de fosforescentie-emitterende laag aan zuurstof te voorkomen, Gmelch et al. deponeerde een 600 nm dikke zuurstofbarrièrelaag bovenop het monster. Echter, aangezien de wetenschappers de monsters onder omgevingsomstandigheden hebben gefabriceerd, de emitterende laag bevatte moleculaire zuurstof.

Na excitatie met UV-licht (365 nm golflengte), de NPB-moleculen bereikten hun aangeslagen singlet-toestand (S ₁ ), van waaruit ze ofwel teruggingen naar de grondtoestand om fluorescentie uit te zenden, of bevolkte de aangeslagen drievoudige toestand T ₁ via intersystem crossing (een stralingsloos proces van overgang tussen twee elektronische toestanden met verschillende spin). De waargenomen experimentele energieniveaus passen goed bij waarden in de literatuur. Een veelbelovende aanpak voor op licht gebaseerde labeling omvat de lokale verwijdering van moleculaire zuurstof met behulp van UV-straling. Echter, deze techniek is tot nu toe alleen in oplossing gemeld. In het huidige werk, Gmelch et al. implementeerde de techniek op de gefabriceerde dunne vaste film.

In dit geval, de wetenschappers hebben de NPB-straler experimenteel opgewekt tot de triplet-toestand (T ₁ ) waaruit ze werden geblust door interactie met de triplet grondtoestand van moleculaire zuurstof (T ₀ ). Met opzet, de resulterende geëxciteerde singlet-zuurstofdichtheid nam af door interactie met de lokale omgeving van de emitter, d.w.z. via PMMA-materiaaloxidatie op de verlichtingspunten, waardoor fosforescentie ontstaat. De emissie was direct zichtbaar gedurende een lange levensduur van τ =406 ms, na het uitschakelen van de UV-verlichting. Het proces beschreven door Gmelch et al. dus voor het eerst luminescentie geactiveerd door zuurstof uit een dunne film te verwijderen. Ze gebruikten de technologie van UV-lichtafhankelijk zuurstofverbruik als schrijfinstrument om een ​​afbeelding op een substraat/materiaal te creëren.

De fosforescerende beelden konden even snel en gemakkelijk worden gewist door gedurende ongeveer een minuut infrarood (IR) licht met een golflengte van 4 µm toe te passen. Op dit moment, de straling werd geabsorbeerd door de PMMA, en de temperatuur steeg ongeveer tot ongeveer 90 graden C tot 100 graden C, die laag genoeg was om de thermische stabiliteit van alle in het onderzoek gebruikte materialen te behouden. De stevigheid van de materiaallagen bleef goed behouden tijdens het hele proces van wissen, terwijl verdere schrijf- en wiscycli vervolgens werden toegestaan.

Gmelch et al. observeerde de afnemende intensiteit van fosforescentie tijdens elke cyclus als gevolg van fotobleking (afbraak van emittermoleculen) en zuurstofverbruik (als gevolg van verhoogde niet-stralingsverliezen als gevolg van matrixverandering). Nog, zelfs na 40 cycli, de emissie bereikte 40 procent van de oorspronkelijke waarde - voldoende detecteerbaar met het oog of de camera.

De waarden van lichtintensiteit en de tijd die nodig zijn voor verlichting die in het onderzoek werden gepresenteerd, waren ver onder de waarden die nodig waren voor eerdere technieken, met potentieel voor haalbare industriële toepassingen. De studie toonde ook aan dat een onvolmaakte zuurstofbarrière op termijn kan leiden tot het opnieuw verschijnen van zuurstof in de geactiveerde gebieden. De tijdsduur die nodig was voor het verdwijnen van fosforescentie hing af van de dikte van de zuurstofbarrièrelaag.

Bijvoorbeeld, een spin-gecoate laag met een dikte van 600 nm vertoonde fosforescentie tot vijf uur, terwijl die met dikkere zuurstofbarrièrefilms (35 tot 40 µm) het fenomeen tot meer dan één dag verlengden. De wetenschappers zouden de retentietijd kunnen verlengen met een verbeterd barrièremateriaal of door de materiaaldikte verder te vergroten. Om een ​​afdruk snel te wissen, de wetenschappers gebruikten zuurstof bijvullen door middel van versnelde monsterverwarming met IR of een eenvoudige kookplaat. Net als bij het printen, de tijd die nodig is voor het verwijderen van fosforescentie hing af van de dikte en temperatuur van de barrièrelaag.

De wetenschappers testten een verscheidenheid aan substraatmaterialen als oppervlakken voor fosforescentieverlichting. Het werk omvatte gebruikelijke foto's met de skyline van New York City voor toepassingen op grote oppervlakken. Aangezien de emissiecoating volledig onzichtbaar was wanneer deze inactief was, de materialen dienden als een substraat voor programmeerbare on-demand bijschriftprojectie. Gmelch et al. toonden verder de hogere transparantie van de coating aan in vergelijking met puur glas (1 mm).

Op deze manier, Gmelch et al. realiseerde een volledig toegankelijke optische schrijfmethode, lezen en wissen op materiaal voor informatieopslag. Het werk toonde de mogelijkheid van herhaalbaar contactloos labelen en lezen met een resolutie die verder gaat dan de algemeen waargenomen printerkwaliteit. Gmelch et al. stellen vervolgens het gebruik van zeer schaalbare processen voor materiaalfabricage voor. De uitleesresolutie in het werk was voldoende om een ​​informatiediepte van 7 kB cm . op te slaan ^-2 , wat gelijk is aan vijf pagina's platte tekst. De techniek opent een nieuw pad voor informatieopslag die verder gaat dan permanente gegevenscodering tegen lage kosten en hoge schaalbaarheid. Het nieuwe werk zal praktisch potentieel hebben op het gebied van industriële logistiek (etikettering, volgen en transporteren).

© 2019 Wetenschap X Netwerk