Luminescerande emission i form av fosforescens förekommer vanligen i det dagliga livet som ett resultat av en kvantmekaniskt liten övergångssannolikhet. En självlysande emissionstid kan vara från mikrosekunder till flera timmar. Populärt känt för sin användning i glöd-i-mörkret-produkter och som nödskyltbelysning i offentliga byggnader, det är också en praktisk metod för informationslagring, inklusive stämpelupptäckt och verifiering. Även om det för närvarande finns enkla och kostnadseffektiva tillverkningsmetoder för att konstruera fosforescenssystem med hjälp av organiska utsläpp, att uppnå synlig organisk fosforescens under omgivande förhållanden i lab för industriell översättning är utmanande.

I en nyligen genomförd studie, nu publicerad i Vetenskapliga framsteg , Max Gmelch och kollegor vid Dresden tekniska universitet rapporterar om en ny milstolpe inom organisk självlysande märkning. För detta, de använde en enkel enhetsstruktur gjord av vanligt tillgängliga material för att generera ultratunna, flexibla och transparenta självlysande beläggningar. Den resulterande märkningsanordningen var snabb, med möjlighet att skriva ut mer än 40 cykler med information på alla substrat av valfri storlek, vid hög upplösning. Forskarna använde ljus ensam, utan bläck, för att skriva ut ett självlysande meddelande på materialet. Den kontaktlösa processen kan också radera bilden från samma material. Konceptet representerar en lovande metod för att producera självlysande on-demand-taggar för att lagra information och ersätta konventionella märkningstekniker.

I studien, Gmelch et al. använde ett ultratunt emitterande materiallager med en tjocklek på 900 nm, innehåller huvudsakligen poly (metylmetakrylat) (PMMA), även känt som akrylglas. De inkluderade en gästmolekyl känd som NPB (N, N'-di(1-naftyl)N, N'-difenyl- (1, 1'-bifenyl) -4, 4'-diamin), ett allmänt tillgängligt håltransportmaterial (laddningsextraktion och transport) som används i tekniken för organiska ljusemitterande dioder (OLED). Forskarna konstruerade den tunna genomskinliga beläggningen för självlysande märkning genom att kombinera de två materialen (PMMA:NPB). Beroende på underlaget av intresse, beläggningen kan även användas på en mängd olika ytor via spinnbeläggning, spraybeläggning eller doppbeläggning.

Forskarna observerade långvariga, rumstemperaturfosforescens på grund av måttlig spinnomloppskoppling och tät packning av PMMA-polymererna i frånvaro av syre. Analogt, för att förhindra exponering av det fosforescensemitterande skiktet för syre, Gmelch et al. avsatt ett 600 nm tjockt syre-barriärskikt ovanpå provet. Dock, eftersom forskarna tillverkade proverna under omgivande förhållanden, det emitterande skiktet innehöll molekylärt syre.

Efter excitation med UV-ljus (365 nm våglängd), NPB-molekylerna nådde sitt exciterade singletttillstånd (S ₁ ), varifrån de antingen förfallit tillbaka till grundtillståndet för att avge fluorescens, eller befolkade det upphetsade trippeltillståndet T ₁ genom intersystemkorsning (en strålningslös övergångsprocess mellan två elektroniska tillstånd med olika snurr). De observerade experimentella energinivåerna stämmer väl överens med värden i litteraturen. Ett lovande tillvägagångssätt för ljusbaserad märkning innebär lokalt avlägsnande av molekylärt syre med hjälp av UV-bestrålning. Dock, denna teknik har hittills bara rapporterats i lösning. I det nuvarande arbetet, Gmelch et al. implementerade tekniken på den tillverkade tunna fasta filmen.

I detta fall, forskarna exciterade NPB-sändaren experimentellt till tripletttillståndet (T ₁ ) från vilka de släcktes genom att interagera med triplet grundtillstånd för molekylärt syre (T ₀ ). Genom design, den resulterande exciterade singlet -syretätheten minskade genom att interagera med sändarens lokala miljö, dvs via PMMA -materialoxidation vid belysningsplatserna, ger upphov till fosforescens. Utsläppen var omedelbart synlig under en lång livslängd på τ =406 ms, efter att UV-belysningen stängts av. Processen som beskrivs av Gmelch et al. aktiverade således luminescens för första gången genom att ta bort syre inifrån en tunn film. De använde tekniken för UV-ljusberoende syreförbrukning som ett skrivverktyg för att skapa en bild på ett underlag/material.

De fosforescerande bilderna kan raderas lika snabbt och enkelt genom att applicera infrarött (IR) ljus med en våglängd på 4 µm i ungefär en minut. I det här fallet, strålningen absorberades av PMMA, och temperaturen ökade ungefär till cirka 90 grader C till 100 grader C, som var tillräckligt låg för att bibehålla termisk stabilitet för alla material som användes i studien. Materiallagrets täthet bevarades väl under hela raderingsprocessen, medan ytterligare skriv- och raderingscykler efteråt tillåts.

Gmelch et al. observerade den minskande intensiteten av fosforescens under varje cykel på grund av fotoblekning (nedbrytning av emittermolekyler) och syreförbrukning (på grund av ökade icke -strålningsförluster på grund av matrisbyte). Än, även efter 40 cykler, utsläppshastigheten nådde 40 procent av det ursprungliga värdet - tillräckligt detekterbart med ögat eller kamera.

Värdena för ljusintensitet och den tid som krävs för belysning som presenteras i studien var långt under de som krävs av tidigare tekniker, med potential för genomförbara industriella tillämpningar. Studien visade också att en ofullkomlig syrebarriär kan leda till att syre återkommer i de aktiverade områdena i tid. Den tid som krävs för att fosforescensen försvinner beror på tjockleken på syrebarriärskiktet.

Till exempel, ett centrifugerat skikt med en tjocklek på 600 nm som presenterade fosforescens upp till fem timmar, medan de med tjockare syre-barriärfilmer (35 till 40 µm) förlängde fenomenet till mer än en dag. Forskarna kan öka retentionsramarna med ett förbättrat barriärmaterial eller genom att ytterligare öka materialtjockleken. För att snabbt radera en utskrift, forskarna använde syrepåfyllning genom accelererad provuppvärmning med IR eller en enkel kokplatta. Som med tryckning, den tid som krävs för fosforescensradering beror på barriärskiktets tjocklek och temperatur.

Forskarna testade en mängd olika substratmaterial som ytor för fosforescensbelysning. Arbetet inkluderade sedvanliga fotografier med New York Citys skyline för användning i stora områden. Eftersom emissionsbeläggningen var helt osynlig när den var inaktiv, materialen fungerade som ett substrat för programmerbar on-demand bildtextprojektion. Gmelch et al visade vidare den högre transparensen hos beläggningen jämfört med rent glas (1 mm).

På det här sättet, Gmelch et al. insåg en fullt tillgänglig optisk metod för att skriva, läsa och radera material för lagring av information. Arbetet visade möjligheten att upprepa märkning och läsning utan kontakt med en upplösning utöver den vanliga skrivarkvaliteten. Gmelch et al. föreslå användning av mycket skalbara processer för materialtillverkning härnäst. Uppläsningsupplösningen i arbetet var tillräcklig för att lagra ett informationsdjup på 7 kB cm ^-2 , vilket är lika med fem sidor klartext. Tekniken öppnar en ny väg för informationslagring bortom permanent datakodning till låg kostnad och hög skalning. Det nya arbetet kommer att ha praktisk potential inom området industriell logistik (märkning, spårning och transport).

© 2019 Science X Network