Illustrazione per l'imbuto degli eccitoni nei sistemi di raccolta della luce. (A) Schemi di raccolta leggera, dove gli ospiti a banda larga (sfere grigie) fungono da antenna e complessi CT formati localmente con banda proibita stretta (sfere rosa) fungono da accettore. (B) Diagramma per l'imbuto degli eccitoni nei sistemi di raccolta della luce. Le frecce nere rappresentano il processo di trasferimento degli eccitoni. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaw2953
I laser organici allo stato solido sono essenziali per le applicazioni fotoniche, ma i laser a corrente continua rappresentano una grande sfida da sviluppare nella fisica applicata e nella scienza dei materiali. Mentre è possibile creare complessi di trasferimento di carica (cioè complessi elettrone-donatore-accettore tra due/più molecole o attraverso una grande molecola) con semiconduttori organici di tipo p/n in laser pompati elettricamente, le difficoltà esistenti derivano dalla perdita non radiativa dovuta agli stati delocalizzati di trasferimento di carica (CT). In un recente rapporto, Kang Wang e un team di ricercatori nei dipartimenti di chimica, la nanostruttura molecolare e la nanotecnologia in Cina hanno dimostrato l'azione duratura dei complessi CT mediante l'incanalamento degli eccitoni in microcristalli organici di tipo p con drogaggio di tipo n.
Hanno circondato complessi CT formati localmente contenenti bande proibite strette con host di alti livelli di energia per comportarsi come sistemi artificiali di raccolta della luce. Hanno catturato l'energia luminosa di eccitazione risultante utilizzando gli host per fornire ai complessi CT per la loro funzione di imbuti di eccitoni al fine di beneficiare delle azioni laser. Wang et al. si aspettano che i risultati preliminari offrano una comprensione approfondita dell'imbuto degli eccitoni nei sistemi di raccolta della luce per sviluppare dispositivi laser organici ad alte prestazioni. I nuovi risultati sono ora disponibili su Progressi scientifici .
I laser a semiconduttore organico che funzionano attraverso l'intero spettro visibile sono di crescente interesse a causa delle loro applicazioni pratiche dalla comunicazione multibanda ai display laser a colori. Sebbene siano difficili da raggiungere, i laser organici pompati elettricamente possono far avanzare la tecnologia laser esistente per competere con i diodi organici a emissione di luce.
Wang et al. formano complessi CT localizzati aggiungendo una piccola quantità di accettore/donatore di elettroni nella matrice ospite donatore/accettore di elettroni. La configurazione conteneva complessi CT con una banda proibita stretta, circondato dalla matrice ospite con alti livelli di energia per fungere da antenne di raccolta della luce artificiale. L'energia luminosa di eccitazione raccolta ha prodotto eccitoni, che sono stati trasferiti a valle agli accettori per funzionare come un "imbuto di eccitazione". Wang et al. ha studiato il processo di imbuto degli eccitoni nei sistemi di raccolta della luce per offrire una guida alla progettazione di materiali optoelettronici organici ad alte prestazioni per laser a pompaggio elettrico.
Preparazione e caratterizzazione strutturale di microcristalli C60@OPV light-harvesting. (A) Strutture chimiche di OPV e C60, e struttura molecolare del complesso CT risultante. (B e C) Immagini SEM dei tipici microfili OPV e C60@OPV. Barre della scala, 5 micron (B) e 2 micron (C). (D ed E) Immagini TEM di singoli microfili OPV e C60@OPV. Barre della scala, 2 micron. (F e G) Schemi SAED dei corrispondenti microfili in (D) ed (E). Barre della scala, 2 1/nm. (H) spettri Raman di OPV individuali, C60, e microfili C60@OPV. a.u., unità arbitrarie. La concentrazione di drogaggio C60 dei microcristalli C60@OPV utilizzati per queste caratterizzazioni è del 5,6 % in moli. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw2953
Per sintetizzare i microcristalli che raccolgono la luce, Wang et al. utilizzato una molecola ciano-sostituita denominata OPV (per oligo-(α-fenilenevinilene)-1, 4-bis(R-ciano-4-difenilamminostiril)-2, 5-difenilbenzene) e fullerene (C 60 ). Le due molecole hanno soddisfatto le condizioni in cui;
Eccitone incanalato negli stati CT nei microcristalli organici che raccolgono la luce. (A) Spettri di assorbimento di OPV (verde), Microfili C60@OPV (rosso), e C60 disperso in ospiti polimerici (nero). a.u., unità arbitrarie. (B) Immagini di microscopia a fluorescenza dei microfili OPV (in alto) e C60@OPV (in basso). Barre della scala, 20 micron. (C e D) Streak delle immagini della telecamera e degli spettri PL dei microcristalli OPV (C) e C60@OPV (D) eccitati con un laser pulsato a 400 nm (~100 fs, 1kHz). tD e tDA sono le vite medie del donatore (~551 nm) in assenza (OPV puro) e presenza (C60@OPV) dell'accettore, rispettivamente. La concentrazione di drogaggio C60 dei microcristalli C60@OPV utilizzati per queste caratterizzazioni è del 5,6 % in moli. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw2953
Hanno introdotto C 60 in OPV per ottenere la capacità di raccolta della luce e bilanciare la mobilità del vettore. L'OPV e C 60 le interazioni formavano complessi CT localizzati con bandgap ristretta per funzionare come accettori nel sistema di raccolta della luce. Wang et al. sintetizzato i microcristalli OPV drogati con quantità controllabili di C 60 utilizzando l'autoassemblaggio in fase liquida per formare forti interazioni intermolecolari e progettare una struttura unidimensionale, che hanno confermato utilizzando immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM).
Nella sua forma pura, il microcristallo OPV ha mostrato un aspetto simile a un filo ben definito con superfici lisce e piatte. Dopo l'introduzione di C 60, il microcristallo risultante ha mantenuto una morfologia simile per indicare che C 60 non ha alterato significativamente la morfologia dei cristalli OPV. Gli scienziati hanno verificato la struttura dei microfili di cristallo utilizzando gli spettri Raman, microscopia elettronica a trasmissione (TEM), diffrazione elettronica ad area selezionata (SAED) e diffrazione di raggi X. I risultati hanno suggerito una forte presenza di OPV con C 60 drogato nelle sue matrici.
L'interazione tra C 60 e le molecole OPV hanno generato un nuovo stato CT, che Wang et al hanno confermato utilizzando spettri di assorbimento. Quando osservato sotto eccitazione ultravioletta (UV), il C 60 Le molecole @OPV hanno mostrato emissione rossa, in netto contrasto con l'emissione gialla nei microfili OPV puri e la non luminescenza nel C 60 microfili. Gli scienziati hanno identificato il nuovo stato di eccitazione CT di C 60 Cristalli @OPV che utilizzano la fotoluminescenza e hanno calcolato l'efficienza del trasferimento di energia per mostrare un potenziale di canalizzazione efficace tra le molecole e un efficiente accumulo di energia negli stati CT dei microcristalli che raccolgono la luce.
Indagine teorica dei processi CT nei sistemi di raccolta della luce. (A) Diagrammi orbitali molecolari di OPV, C60, e complesso CT calcolato dalla teoria della funzione di densità. (B) Schema dell'incanalamento efficiente degli eccitoni per la formazione, accumulo, e la disattivazione radiativa degli eccitoni CT nei sistemi di raccolta della luce C60@OPV. (C) Lunghezza d'onda massima di emissione dei microcristalli rispetto alla concentrazione di drogante C60. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw2953
Per fornire una visione approfondita dei sistemi di raccolta della luce a livello degli orbitali energetici, Wang et al. eseguito studi teorici e calcolato l'orbitale molecolare più alto occupato (HOMO) e l'orbitale molecolare più basso non occupato (LUMO) delle molecole separate e del C 60 -Complesso OPV CT. Mentre la densità elettronica HOMO di OPV era distribuita sull'intera molecola, LUMO era per lo più localizzato in diversi siti della molecola. Utilizzando i risultati sperimentali e teorici, Wang et al. ha disegnato un diagramma energetico dell'evoluzione degli eccitoni in un sistema di raccolta della luce e ha osservato il processo completo che ha formato gli imbuti degli eccitoni.
I ricercatori hanno successivamente condotto misurazioni laser pompate otticamente per testare le prestazioni del laser nei microfili di raccolta della luce utilizzando un sistema di micro-fotoluminescenza (micro-PL). Hanno verificato la presenza di laser nel C 60 Microfili @OPV a diverse intensità di pompaggio e controllavano l'emissione dai complessi CT drogando concentrazioni variabili di C 60 agli host OPV. Gli scienziati potrebbero mettere a punto le molecole che raccolgono la luce nel presente lavoro per fornire un passaggio chiave per sintetizzare infine diodi laser organici in ulteriori studi.
Prestazioni laser nei microfili che raccolgono la luce. (A) Spettri PL registrati da un tipico microfilo C60@OPV (concentrazione di drogaggio, 5,6 moli %) pompato con diverse energie laser. Riquadro:immagini PL del C60@OPV al di sotto e al di sopra della soglia laser. Barra della scala, 10 micron. (B) Intensità di emissione (rosso) e larghezza totale a metà del massimo (FWHM) (nero) in funzione della fluenza della pompa. (C) Spettri laser normalizzati dei microcristalli OPV con diverse concentrazioni di drogaggio C60. Riquadro:immagini PL corrispondenti dei microcristalli OPV drogati pompati al di sopra delle soglie laser. Barre della scala, 10 micron. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw2953
In questo modo, Kang Wang e collaboratori hanno riferito sull'incanalamento degli eccitoni e sull'emissione stimolata nei microcristalli di semiconduttori organici che raccolgono la luce. Utilizzando dimostrazioni teoriche e sperimentali, hanno controllato i complessi CT per un laser efficace e regolato l'emissione di microcristalli che raccolgono la luce per costruire micro-laser regolabili a lunghezza d'onda ampia. Sebbene al momento i risultati forniscano solo informazioni dettagliate sul processo di canalizzazione degli eccitoni nei sistemi di raccolta della luce per abilitare i laser organici azionati elettricamente. I risultati del lavoro offrono un percorso promettente per sviluppare materiali organici efficienti e ottenere in futuro laser azionati elettricamente per display laser a colori.
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