Organische vastestoflasers zijn essentieel voor fotonische toepassingen, maar stroomgestuurde lasers zijn een grote uitdaging om te ontwikkelen in de toegepaste natuurkunde en materiaalkunde. Hoewel het mogelijk is om ladingsoverdrachtscomplexen te creëren (d.w.z. elektron-donor-acceptorcomplexen tussen twee/meer moleculen of over een groot molecuul) met p-/n-type organische halfgeleiders in elektrisch gepompte lasers, de bestaande problemen komen voort uit niet-stralingsverlies als gevolg van de gedelokaliseerde toestanden van ladingsoverdracht (CT). In een recent rapport, Kang Wang en een team van onderzoekers in de scheikunde, moleculaire nanostructuur en nanotechnologie in China toonden de blijvende werking van CT-complexen aan door exciton-trechters in p-type organische microkristallen met n-type dotering.

Ze omringden lokaal gevormde CT-complexen met smalle bandgaps met gastheren met hoge niveaus van energie om zich te gedragen als systemen voor het oogsten van kunstlicht. Ze legden de resulterende excitatielichtenergie vast met behulp van gastheren om aan de CT-complexen te leveren voor hun functie als exciton-trechters om te profiteren van laseracties. Wang et al. verwacht dat de voorlopige resultaten een diepgaand begrip zullen bieden van exciton-trechters in lichtoogstsystemen om hoogwaardige organische laserapparaten te ontwikkelen. De nieuwe resultaten zijn nu beschikbaar op wetenschappelijke vooruitgang .

Organische halfgeleiderlasers die over het volledige zichtbare spectrum werken, worden steeds interessanter vanwege hun praktische toepassingen, van multibandcommunicatie tot full-color laserdisplays. Hoewel ze een uitdaging zijn om te bereiken, elektrisch gepompte organische lasers kunnen de bestaande lasertechnologie vooruit helpen om te concurreren met organische lichtemitterende diodes.

Wang et al. vormden gelokaliseerde CT-complexen door een kleine hoeveelheid elektronenacceptor/donor toe te voegen aan de elektronendonor/acceptor-gastheermatrix. De opstelling bevatte CT-complexen met een smalle bandgap, omgeven door de gastheermatrix met hoge energieniveaus om te dienen als antennes voor het oogsten van kunstlicht. De geoogste excitatielichtenergie produceerde excitonen, die stroomafwaarts naar de acceptoren werden overgebracht om te functioneren als een 'excitatietrechter'. Wang et al. onderzocht het proces van exciton-trechtering in lichtoogstsystemen om richtlijnen te bieden voor het ontwerpen van hoogwaardige organische opto-elektronische materialen voor elektrisch gepompte lasers.

Om de lichtoogstende microkristallen te synthetiseren, Wang et al. gebruikte een cyaan-gesubstitueerd molecuul genaamd OPV (voor oligo-(α-fenyleenvinyleen)-1, 4-bis(R-cyaan-4-difenylaminostyryl)-2, 5-difenylbenzeen) en fullereen (C ₆₀ ). De twee moleculen voldeden aan voorwaarden waarbij;

1. OPV is een typische p-type halfgeleider met hoge optische versterking, en
2. C ₆₀ is een typische n-type halfgeleider met hoge elektronenmobiliteit en grote absorptiedoorsneden.

Ze introduceerden C ₆₀ in OPV om het lichtoogstvermogen te bereiken en de mobiliteit van de vervoerder in evenwicht te brengen. De OPV en C ₆₀ interacties vormden gelokaliseerde CT-complexen met vernauwde bandgap om te functioneren als acceptoren in het lichtoogstsysteem. Wang et al. synthetiseerde de OPV-microkristallen die waren gedoteerd met regelbare hoeveelheden C ₆₀ het gebruik van zelfassemblage in de vloeibare fase om sterke intermoleculaire interacties te vormen en een eendimensionale structuur te ontwikkelen, die ze bevestigden met behulp van scanning-elektronenmicroscopie (SEM) -beelden.

In zijn pure vorm, het OPV-microkristal vertoonde een goed gedefinieerd draadachtig uiterlijk met gladde en vlakke oppervlakken. Bij introductie van C _60, het resulterende microkristal behield een vergelijkbare morfologie om aan te geven dat C ₆₀ veranderde de morfologie van OPV-kristallen niet significant. De wetenschappers hebben de structuur van de kristalmicrodraden geverifieerd met behulp van Raman-spectra, transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), select-area elektronendiffractie (SAED) en röntgendiffractie. De resultaten suggereerden een sterke aanwezigheid van OPV met C ₆₀ gedoteerd in zijn matrices.

De interactie tussen C ₆₀ en de OPV-moleculen genereerden een nieuwe CT-status, die Wang et al bevestigden met behulp van absorptiespectra. Wanneer waargenomen onder ultraviolette excitatie (UV), de C ₆₀ @OPV-moleculen vertoonden rode emissie, in schril contrast met de gele emissie in pure OPV-microdraden en niet-luminescentie in de C ₆₀ microdraadjes. De wetenschappers identificeerden de nieuwe CT-excitatietoestand van C ₆₀ @OPV-kristallen met behulp van fotoluminescentie en berekenden de efficiëntie van de energieoverdracht om een ​​effectief trechterpotentieel tussen de moleculen en efficiënte energieaccumulatie in de CT-toestanden van de licht-oogstende microkristallen aan te tonen.

Om diepgaand inzicht te geven in de systemen voor het oogsten van licht op het niveau van energie-orbitalen, Wang et al. voerde theoretische studies uit en berekende de hoogste bezette moleculaire orbitaal (HOMO) en laagste onbezette moleculaire orbitaal (LUMO) van de afzonderlijke moleculen en de C ₆₀ -OPV CT-complex. Terwijl de HOMO-elektronendichtheid van OPV over het hele molecuul was verdeeld, LUMO was meestal gelokaliseerd op verschillende plaatsen van het molecuul. Met behulp van de experimentele en theoretische resultaten, Wang et al. tekende een energiediagram van de evolutie van excitonen in een lichtoogstsysteem en observeerde het uitgebreide proces dat exciton-trechters vormde.

De onderzoekers voerden vervolgens optisch gepompte lasermetingen uit om de laserprestaties in de lichtoogstende microdraden te testen met behulp van een micro-fotoluminescentie (micro-PL) systeem. Ze verifieerden het optreden van lasering in de C ₆₀ @OPV-microdraden met verschillende pompintensiteiten en gecontroleerd de emissie van CT-complexen door verschillende concentraties C te doteren ₆₀ naar de OPV-hosts. De wetenschappers zouden de licht-oogstende moleculen in het huidige werk kunnen afstemmen om een ​​belangrijke stap te bieden om uiteindelijk organische laserdiodes te synthetiseren in verdere studies.

Op deze manier, Kang Wang en collega's rapporteerden over exciton-trechters en gestimuleerde emissie in lichtoogstende organische halfgeleidermicrokristallen. Met behulp van theoretische en experimentele demonstraties controleerden ze de CT-complexen voor effectief laseren en reguleerden ze de emissie van lichtoogstende microkristallen om microlasers met brede golflengte te bouwen. Hoewel de resultaten op dit moment alleen gedetailleerd inzicht geven in het exciton-trechterproces in lichtoogstsystemen om elektrisch aangedreven organische lasers mogelijk te maken. De resultaten van het werk bieden een veelbelovende route om efficiënte organische materialen te ontwikkelen en in de toekomst elektrisch aangedreven lasers voor full-color laserdisplays te realiseren.

© 2019 Wetenschap X Netwerk