L'emissione luminescente sotto forma di fosforescenza si verifica comunemente nella vita quotidiana come risultato di una probabilità di transizione quantisticamente piccola. Una durata di emissione luminescente può durare da microsecondi a diverse ore. Popolarmente noto per il suo uso in prodotti fosforescenti e come illuminanti per segnali di emergenza negli edifici pubblici, è anche un metodo pratico per l'archiviazione delle informazioni, compreso il rilevamento e la verifica del timbro. Sebbene attualmente esistano metodi di fabbricazione semplici ed economici per progettare sistemi di fosforescenza utilizzando emettitori organici, ottenere una fosforescenza organica visibile in condizioni ambientali in laboratorio per la traduzione industriale è impegnativo.

In un recente studio, ora pubblicato in Progressi scientifici , Max Gmelch e colleghi dell'Università della tecnologia di Dresda segnalano una nuova pietra miliare nell'etichettatura luminescente organica. Per questo, hanno usato una semplice struttura del dispositivo realizzata con materiali comunemente disponibili per generare ultrasottili, rivestimenti luminescenti flessibili e trasparenti. Il dispositivo di etichettatura risultante è stato veloce, con la capacità di stampare più di 40 cicli di informazioni su qualsiasi supporto di qualsiasi dimensione, ad alta risoluzione. Gli scienziati hanno usato solo la luce, senza inchiostro, per stampare un messaggio luminescente sul materiale. Il processo senza contatto potrebbe anche cancellare l'immagine dallo stesso materiale. Il concetto rappresenta un metodo promettente per produrre tag luminescenti su richiesta per memorizzare informazioni e sostituire le tecniche di etichettatura convenzionali.

Nello studio, Gmelch et al. utilizzato uno strato di materiale emettitore ultrasottile con uno spessore di 900 nm, contenente prevalentemente poli(metilmetacrilato) (PMMA) noto anche come vetro acrilico. Includevano una molecola ospite nota come NPB (N, N'-di(1-naptil)N, N'-difenile-(1, 1'-bifenil)-4, 4'-diammina), un materiale comunemente disponibile per il trasporto di fori (estrazione e trasporto di carica) utilizzato nella tecnologia dei diodi organici a emissione di luce (OLED). Gli scienziati hanno progettato il sottile rivestimento traslucido per l'etichettatura luminescente combinando i due materiali (PMMA:NPB). A seconda del substrato di interesse, il rivestimento può essere utilizzato anche su una varietà di superfici diverse tramite rivestimento a rotazione, verniciatura a spruzzo o verniciatura a immersione.

Gli scienziati hanno osservato lunga durata, fosforescenza a temperatura ambiente dovuta al moderato accoppiamento spin-orbita e all'impaccamento denso dei polimeri PMMA in assenza di ossigeno. Analogamente, per prevenire l'esposizione dello strato che emette fosforescenza all'ossigeno, Gmelch et al. depositato uno strato di barriera all'ossigeno dello spessore di 600 nm sopra il campione. Però, poiché gli scienziati hanno fabbricato i campioni in condizioni ambientali, lo strato emittente conteneva ossigeno molecolare.

Dopo l'eccitazione con luce UV (lunghezza d'onda di 365 nm), le molecole NPB hanno raggiunto il loro stato eccitato singoletto (S ₁ ), da cui sono decaduti allo stato fondamentale per emettere fluorescenza, o popolato il triplo stato eccitato T ₁ attraverso intersystem crossing (un processo di transizione senza radiazioni tra due stati elettronici con spin diverso). I livelli di energia sperimentali osservati si adattano bene ai valori in letteratura. Un approccio promettente per l'etichettatura basata sulla luce prevede la rimozione locale dell'ossigeno molecolare mediante l'irradiazione UV. Però, questa tecnica è stata finora riportata solo in soluzione. Nel presente lavoro, Gmelch et al. implementato la tecnica sul film solido sottile fabbricato.

In questo caso, gli scienziati hanno eccitato sperimentalmente l'emettitore NPB allo stato di tripletta (T ₁ ) da cui sono stati spenti interagendo con lo stato fondamentale di tripletto dell'ossigeno molecolare (T ₀ ). In base alla progettazione, la risultante densità di ossigeno singoletto eccitato è diminuita interagendo con l'ambiente locale dell'emettitore, cioè tramite l'ossidazione del materiale PMMA nei punti di illuminazione, dando luogo alla fosforescenza. L'emissione è stata immediatamente visibile per una lunga durata di τ =406 ms, dopo aver spento l'illuminazione UV. Il processo descritto da Gmelch et al. così attivato la luminescenza per la prima volta rimuovendo l'ossigeno dall'interno di un film sottile. Hanno usato la tecnologia del consumo di ossigeno dipendente dalla luce UV come strumento di scrittura per creare un'immagine su un substrato/materiale.

Le immagini fosforescenti potrebbero essere cancellate altrettanto velocemente e facilmente applicando luce infrarossa (IR) di una lunghezza d'onda di 4 µm per circa un minuto. In questo caso, la radiazione è stata assorbita dal PMMA, e la temperatura è aumentata approssimativamente da circa 90 gradi C a 100 gradi C, che era sufficientemente basso da mantenere la stabilità termica di tutti i materiali utilizzati nello studio. La solidità degli strati di materiale è stata ben conservata durante l'intero processo di cancellazione, mentre sono stati successivamente consentiti ulteriori cicli di scrittura e cancellazione.

Gmelch et al. osservato la diminuzione dell'intensità della fosforescenza durante ogni ciclo a causa del fotosbiancamento (degradazione delle molecole dell'emettitore) e del consumo di ossigeno (dovuto all'aumento delle perdite non radiative dovute al cambiamento di matrice). Ancora, anche dopo 40 cicli, il tasso di emissione ha raggiunto il 40% del suo valore iniziale, sufficientemente rilevabile dall'occhio o dalla telecamera.

I valori dell'intensità luminosa e del tempo necessario per l'illuminazione presentati nello studio erano molto inferiori a quelli richiesti dalle tecniche precedenti, con potenziale per applicazioni industriali fattibili. Lo studio ha anche mostrato che una barriera all'ossigeno imperfetta potrebbe portare alla ricomparsa dell'ossigeno nelle aree attivate nel tempo. Il tempo necessario per la scomparsa della fosforescenza dipendeva dallo spessore dello strato di barriera all'ossigeno.

Per esempio, uno strato rivestito di spin con uno spessore di 600 nm presentava fosforescenza fino a cinque ore, mentre quelli con film barriera all'ossigeno più spessi (da 35 a 40 µm) hanno esteso il fenomeno a più di un giorno. Gli scienziati potrebbero aumentare i tempi di ritenzione con un materiale barriera migliorato o aumentando ulteriormente lo spessore del materiale. Per cancellare rapidamente una stampa, gli scienziati hanno utilizzato la ricarica di ossigeno attraverso il riscaldamento accelerato del campione con IR o una semplice piastra riscaldante. Come per la stampa, il tempo necessario per l'eliminazione della fosforescenza dipendeva dallo spessore e dalla temperatura dello strato barriera.

Gli scienziati hanno testato una varietà di materiali di substrato come superfici per l'illuminazione a fosforescenza. Il lavoro includeva fotografie consuete con lo skyline di New York City per un'applicazione di grandi dimensioni. Poiché il rivestimento di emissione era completamente invisibile quando inattivo, i materiali sono serviti come substrato per la proiezione di didascalie su richiesta programmabile. Gmelch et al hanno inoltre dimostrato la maggiore trasparenza del rivestimento rispetto al vetro puro (1 mm).

In questo modo, Gmelch et al. realizzato un metodo ottico completamente accessibile per la scrittura, lettura e cancellazione su un materiale per la memorizzazione di informazioni. Il lavoro ha mostrato la possibilità di un'etichettatura e una lettura ripetibili senza contatto con una risoluzione oltre la qualità della stampante comunemente osservata. Gmelch et al. proporre successivamente l'uso di processi altamente scalabili per la fabbricazione dei materiali. La risoluzione di lettura nel lavoro era sufficiente per memorizzare una profondità di informazioni di 7 kB cm ^-2 , che è uguale a cinque pagine di testo normale. La tecnica apre un nuovo percorso per l'archiviazione delle informazioni oltre la codifica permanente dei dati a basso costo e ad alta scalabilità. Il nuovo lavoro avrà un potenziale pratico nel campo della logistica industriale (etichettatura, tracciabilità e trasporto).

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