Onderzoekers uit Japan hebben aangetoond dat een lang ongrijpbaar soort laserdiode op basis van organische halfgeleiders inderdaad mogelijk is, de weg vrijmaken voor de verdere uitbreiding van lasers in toepassingen zoals biosensing, toont, gezondheidszorg en optische communicatie.

Lang beschouwd als een heilige graal op het gebied van lichtgevende apparaten, organische laserdiodes gebruiken op koolstof gebaseerde organische materialen om licht uit te stralen in plaats van de anorganische halfgeleiders, zoals galliumarsenide en galliumnitride, gebruikt in traditionele apparaten.

De lasers zijn in veel opzichten vergelijkbaar met organische lichtemitterende diodes (OLED's), waarin een dunne laag organische moleculen licht uitstraalt wanneer elektriciteit wordt toegepast. OLED's zijn een populaire keuze geworden voor smartphoneschermen vanwege hun hoge efficiëntie en levendige kleuren, die gemakkelijk kan worden veranderd door nieuwe organische moleculen te ontwerpen.

Organische laserdiodes produceren een veel zuiverder licht waardoor extra toepassingen mogelijk zijn, maar ze vereisen stromen die groter zijn dan die gebruikt in OLED's om het laserproces te bereiken. Deze extreme omstandigheden zorgden ervoor dat eerder bestudeerde apparaten kapot gingen voordat laseren kon worden waargenomen.

Verdere complicerende vooruitgang, eerdere beweringen over elektrisch gegenereerd laseren uit organische materialen bleken meermaals vals te zijn, met andere verschijnselen die worden aangezien voor laseren vanwege onvoldoende karakterisering.

Maar nu, wetenschappers van het Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) aan de Kyushu University rapporteren in het tijdschrift Technische Natuurkunde Express dat ze genoeg gegevens hebben om overtuigend aan te tonen dat er eindelijk organische halfgeleiderlaserdiodes zijn gerealiseerd.

"Ik denk dat veel mensen in de gemeenschap twijfelden of we ooit de realisatie van een organische laserdiode zouden zien, " zegt Atula S.D. Sandanayaka, hoofdauteur op het papier, "maar door het afbrokkelen van de verschillende prestatiebeperkingen te vertragen met verbeterde materialen en nieuwe apparaatstructuren, we hebben het eindelijk gedaan."

Een cruciale stap in laseren is de injectie van een grote hoeveelheid elektrische stroom in de organische lagen om een ​​toestand te bereiken die populatie-inversie wordt genoemd. Echter, de hoge weerstand tegen elektriciteit van veel organische materialen maakt het moeilijk om voldoende elektrische ladingen in de materialen te krijgen voordat ze opwarmen en uitbranden.

Daarbovenop, een verscheidenheid aan verliesprocessen die inherent zijn aan de meeste organische materialen en apparaten die onder hoge stromen werken, verlaagt de efficiëntie, de benodigde stroom nog hoger opdrijven.

Om deze obstakels te overwinnen, de onderzoeksgroep onder leiding van prof. Chihaya Adachi gebruikte een zeer efficiënt organisch lichtgevend materiaal (BSBCz) met een relatief lage weerstand tegen elektriciteit en weinig verliezen, zelfs wanneer het werd geïnjecteerd met grote hoeveelheden elektriciteit. Maar het hebben van het juiste materiaal alleen was niet genoeg.

Ze ontwierpen ook een apparaatstructuur met een rooster van isolatiemateriaal bovenop een van de elektroden die worden gebruikt om elektriciteit in de organische dunne films te injecteren. Van dergelijke rasters, gedistribueerde feedbackstructuren genaamd, is bekend dat ze de optische effecten produceren die nodig zijn voor laserstraling, maar de onderzoekers gingen nog een stap verder.

"Door deze netten te optimaliseren, we konden niet alleen de gewenste optische eigenschappen verkrijgen, maar ook de stroom van elektriciteit in de apparaten regelen en de hoeveelheid elektriciteit die nodig is om laserstraling van de organische dunne film waar te nemen, minimaliseren, ' zegt Adachi.

De onderzoekers hebben zoveel vertrouwen in de belofte van deze nieuwe apparaten dat ze op 22 maart het startup-bedrijf KOALA Tech Inc. – een afkorting van Kyushu Organic Laser Technology Inc. – hebben opgericht. 2019, om het onderzoek te versnellen en de laatste resterende obstakels voor het gebruik van de organische laserdiodes in commerciële toepassingen te overwinnen.

De stichtende leden van KOALA Tech Inc., Prof. Chihaya Adachi, Dr. Jean-Charles Ribierre, Dr. Fatima Bencheikh, en Dr. Takashi Fujihara, zijn nu hard aan het werk om de prestaties van hun organische laserdiodes te verbeteren om deze meest geavanceerde organische lichtemitterende technologie ter wereld te brengen.