Organiska solid-state lasrar är viktiga för fotoniska applikationer, men strömdrivna lasrar är en stor utmaning att utveckla inom tillämpad fysik och materialvetenskap. Även om det är möjligt att skapa laddningsöverföringskomplex (dvs. elektron-donator-acceptorkomplex bland två/fler molekyler eller över en stor molekyl) med organiska halvledare av p-/n-typ i elektriskt pumpade lasrar, de befintliga svårigheterna uppstår från icke -strålningsförlust på grund av de delokaliserade tillståndsöverföringarna (CT). I en ny rapport, Kang Wang och ett team av forskare vid kemiska institutioner, molekylär nanostruktur och nanoteknik i Kina visade CT-komplexens bestående verkan genom excitontrattning i organiska mikrokristaller av p-typ med dopning av n-typ.

De omringade lokalt bildade CT-komplex som innehåller smala bandgap med värden av höga energinivåer för att bete sig som artificiella ljusskördssystem. De fångade den resulterande excitationsljusenergin med hjälp av värdar för att leverera till CT -komplexen för deras funktion som excitontrattar för att gynna lasningsåtgärder. Wang et al. förvänta dig att de preliminära resultaten kommer att ge en djupgående förståelse för exciton-trattning i lätta skördesystem för att utveckla högpresterande organiska laserenheter. De nya resultaten finns nu tillgängliga på Vetenskapliga framsteg .

Organiska halvledarlasrar som fungerar över hela det synliga spektrumet är av allt större intresse på grund av deras praktiska tillämpningar från multibandskommunikation till fullfärgslaserskärmar. Även om de är utmanande att uppnå, elektriskt pumpade organiska lasrar kan avancera den befintliga lasertekniken till rivaliserande organiska ljusemitterande dioder.

Wang et al. bildade lokaliserade CT -komplex genom att tillsätta en liten mängd elektronacceptor/donator i elektrondonator/acceptor -värdmatrisen. Uppsättningen innehöll CT -komplex med en smal bandgap, omgiven av värdmatrisen med höga energinivåer för att fungera som artificiellt ljusskördande antenner. Den skördade excitationsljusenergin producerade excitoner, som överfördes nedströms till acceptörerna för att fungera som en "excitationstratt." I det föreliggande arbetet, Wang et al. undersökte processen för excitontransport i lätta skördesystem för att erbjuda vägledning för att designa högpresterande organiska optoelektroniska material för elektriskt pumpade lasrar.

För att syntetisera de ljusskördande mikrokristallerna, Wang et al. använde en cyanosubstituerad molekyl som kallas OPV (för oligo- (a-fenylenevinylen) -1, 4-bis (R-cyano-4-difenylaminostyryl) -2, 5-difenylbensen) och fulleren (C ₆₀ ). De två molekylerna uppfyllde villkor där;

1. OPV är en typisk halvledare av p-typ med hög optisk förstärkning, och
2. C ₆₀ är en typisk halvledare av n-typ med hög elektronmobilitet och stora absorptionstvärsnitt.

De introducerade C ₆₀ till OPV för att uppnå lätt skördförmåga och balansera bärarens rörlighet. OPV och C ₆₀ interaktioner bildade lokaliserade CT-komplex med minskad bandgap för att fungera som acceptatorer i systemet för skörd av ljus. Wang et al. syntetiserade OPV -mikrokristallerna dopade med kontrollerbara mängder C ₆₀ med hjälp av vätskefas självmontering för att bilda starka intermolekylära interaktioner och konstruera en endimensionell struktur, vilket de bekräftade med hjälp av skanningelektronmikroskopi (SEM) -bilder.

I sin rena form, OPV-mikrokristallen visade ett väldefinierat trådliknande utseende med släta och plana ytor. Vid introduktionen av C _60, den resulterande mikrokristallen upprätthöll liknande morfologi för att indikera att C ₆₀ förändrade inte signifikant morfologin för OPV -kristaller. Forskarna verifierade strukturen hos kristallmikrorna med hjälp av Raman -spektra, transmissionselektronmikroskopi (TEM), select-area electron diffraction (SAED) och röntgendiffraktion. Resultaten föreslog en stark närvaro av OPV med C ₆₀ dopade i sina matriser.

Interaktionen mellan C ₆₀ och OPV -molekylerna genererade ett nytt CT -tillstånd, vilket Wang et al bekräftade med hjälp av absorptionsspektra. När den observeras under ultraviolett excitation (UV), C ₆₀ @OPV -molekyler visade rött utsläpp, i skarp kontrast till den gula emissionen i rena OPV-mikrokablar och icke-luminescens i C ₆₀ mikrokablar. Forskarna identifierade det nya CT -excitationstillståndet för C ₆₀ @OPV-kristaller med hjälp av fotoluminescens och beräknat effektiviteten för energiöverföringen för att visa effektiv trattpotential mellan molekylerna och effektiv energiackumulering i CT-tillstånden för de ljusskördande mikrokristallerna.

För att ge en djup inblick i system för skörd av ljus på nivå med energi-orbitaler, Wang et al. utförde teoretiska studier och beräknade den högsta ockuperade molekylära orbitalen (HOMO) och den lägsta obebodda molekylära orbitalen (LUMO) för de separata molekylerna och C ₆₀ -OPV CT -komplex. Medan HOMO -elektrontätheten för OPV fördelades över hela molekylen, LUMO var mestadels lokaliserat på olika platser i molekylen. Med hjälp av de experimentella och teoretiska resultaten, Wang et al. ritade ett energidiagram över excitonutveckling i ett lätta skördesystem och observerade den omfattande process som bildade excitontratt.

Forskarna genomförde därefter optiskt pumpade lasermätningar för att testa laserprestandan i de mikroskyddade mikrostrådarna med hjälp av ett mikro-fotoluminescenssystem (mikro-PL). De verifierade förekomsten av lasning i C ₆₀ @OPV -mikrotrådar med olika pumpintensiteter och kontrollerade utsläpp från CT -komplex genom att dopa olika koncentrationer av C ₆₀ in till OPV -värdarna. Forskarna kunde ställa in de ljusskördande molekylerna i det nuvarande arbetet för att ge ett viktigt steg för att i slutändan syntetisera organiska laserdioder i ytterligare studier.

På det här sättet, Kang Wang och medarbetare rapporterade om excitontrattning och stimulerade utsläpp i lättskördande organiska halvledarmikrokristaller. Med hjälp av teoretiska och experimentella demonstrationer kontrollerade de CT-komplexen för effektiv lasning och reglerade utsläpp av ljusskördande mikrokristaller för att bygga breda våglängdsinställbara mikrolasrar. Medan resultaten för närvarande endast ger detaljerad inblick i exciton-trattningsprocessen i lätta skördesystem för att möjliggöra elektriskt drivna organiska lasrar. Resultaten av arbetet erbjuder en lovande väg att utveckla effektiva organiska material och uppnå elektriskt drivna lasrar för fullfärgslaserskärmar i framtiden.

© 2019 Science X Network