JP4837181B2 - 有機マイクロドットの形成方法及び有機半導体レーザー素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機マイクロドットの形成方法及び有機半導体レーザー素子に係り、特に、真空蒸着法による発光性有機分子マイクロドットの作製と、そのマイクロドットの光閉じ込めおよび空洞共振器効果を利用した発光増幅を可能にする有機半導体レーザー素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
【0003】
今後、有機半導体レーザーを実用化するには、さらに安定な分子材料の探索と並んで、より低電流エネルギー閾値でのレーザー発振を可能にするため、制限された活性領域に高効率でキャリアや光を閉じ込める低次元構造を導入することが重要である。
そのような構造体の一つであるマイクロディスクは、微小空洞共振器として、whispering gallery mode〔S.McCall,et al.Appl.Phys.Lett.60(1992)289〕に基づく発振を起こし、その径を小さくすることによりシングル・モード・レーザーとなりうる。
【0004】
また、このような微小構造体を光の波長スケールで周期配列したフォトニック結晶を形成することにより、さらに、発振励起エネルギー閾値の低減や輻射場の制御を可能にすることから注目されている〔E.Yablonovich,Phys.Rev.Lett.58(1987)2059;S.John,Phys.Rev.Lett.58(1987)2486;J.D.Joannopoulos,et al.Nature 386(1997)143〕。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の微小構造体は、従来、無機半導体材料では化学的エッチング、パターン成長、各種のリソグラフィー法等によって作製されている〔U.Gruening,et al.Appl.Phys.Lett.68(1996)747;S.Kawakami,Electronics Leters 33(1997)1260;T.Baba,et al.Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)1348〕。
【0006】
しかしながら、このような方法は、ソフトな有機分子材料には直接適用し難いため、有機色素やポリマー材料を無機構造体中に複合した系が一般的に用いられている。
一方、それに代わる方法として、分子と基板との選択的結合を利用したセルフアセンブル法があるが、この方法は、特定の官能基で修飾した分子を必要とするといった制限がある。
【0007】
そこで、本発明では、より汎用かつ簡便にマイクロメータースケールの有機微小構造体を自己組織的に形成することができる有機マイクロドットの形成方法及び有機半導体レーザー素子を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕有機マイクロドットの形成方法において、蒸着分子として末端にバルキーな置換基を有するジアミノジスチリルベンゼンからなる自発光型π共役系分子を用い、基板としてKClからなるアルカリハライド単結晶基板を用い、真空中で前記基板を加熱することにより、前記基板上で前記自発光型π共役系分子のマイクロドットを自己形成させることを特徴とする。
【0009】
〔2〕上記〔1〕記載の有機マイクロドットの形成方法において、前記基板温度を160〜180℃とすることを特徴とする。
〔3〕上記〔1〕記載の有機マイクロドットの形成方法において、前記自発光型π共役系分子の蒸着量を増減することにより、その直径をサブマイクロメーターから数十マイクロメーターの範囲で制御可能にすることを特徴とする。
【0010】
〔4〕上記〔1〕記載の有機マイクロドットの形成方法において、前記自発光型π共役系分子の蒸着面はKCl単結晶基板の(001)劈開面であることを特徴とする。
〔5〕有機半導体レーザー素子において、蒸着分子として末端にバルキーな置換基を有するジアミノジスチリルベンゼンからなる自発光型π共役系分子を用い、基板としてKClからなるアルカリハライド単結晶基板を用い、前記アルカリハライド単結晶基板上に形成される自発光型π共役系分子のマイクロドットを具備するとともに、前記マイクロドット上に積層された低屈折率の封止剤を有することを特徴とする。
【0011】
〔6〕上記〔5〕記載の有機半導体レーザー素子において、前記マイクロドットの直径が8マイクロメーターから数十マイクロメーターの範囲であることを特徴とする。
〔7〕上記〔5〕記載の有機半導体レーザー素子において、前記封止剤はフッ化マグネシウム膜であることを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
本発明では、高効率の発光を示すπ共役系分子を用い、従来から有機物質の薄膜成長に利用されている真空蒸着法を有機微小構造体の成長に最適化することにより、発光増幅が可能な自発光型有機マイクロドットの作製を行う。
【0013】
(1)真空蒸着法による発光性π共役系分子マイクロドット形成
真空蒸着法では、蒸着分子の構造、蒸着速度、基板材料の種類、基板温度に依存して、基板上で成長する構造形態が異なる。本発明では、蒸着分子として末端にバルキーな置換基を有するπ共役系分子、基板としてアルカリハライド単結晶の劈開面等を用い、基板温度を適度に高くすることにより、基板上で自発光型π共役系分子のマイクロドットを自己形成する。また、分子の蒸着量を増減することにより、その直径をサブマイクロメーターから数十マイクロメーターの範囲で制御できる。このπ共役系分子マイクロドットは高さが直径の20分の1乃至8分の1程度の形態を持つ。
【0014】
(2)自発光型π共役系分子マイクロドットの発光増幅特性の評価
上記(1)でアルカリハライド等基板上に作製したπ共役系分子マイクロドットを適当な励起用レーザー光でポンピングし、その発光スペクトルを測定する。
その結果、ドットの平均サイズがある一定値以上に成長した場合には、励起エネルギーをある閾値以上にすると顕著なスペクトルのgain−narrowingが観察される。これは、ドット内で発光した光がマイクロドット自身に閉じ込められて効率的に誘導放射を起こし、マイクロドットが自己微小空洞共振器効果を持つことによる発光増幅現象である。
【0015】
以上の結果より、π共役系分子の構造ならびに蒸着条件を最適化した真空蒸着法によって、サイズを制御しながら成長させた自発光型有機マイクロドットは、適当な低屈折率の封止剤を積層することにより、マイクロドットを自己微小空洞共振器とする安定な発光増幅を示し、今後、電流注入電極の導入により、有機固体レーザー材料として有望である。
【0016】
図1は本発明の実施例を示す真空蒸着装置の概略構成図である。
この図において、1は蒸着源であり、この蒸着源1は石英ルツボ1Aにタングステン線ヒーター1Bが設けられている。2は基板加熱ヒーター、3はKCl基板(KCl単結晶基板)、4はシャッター、5は蒸着量モニター、6は真空ポンプ、7は昇華したジアミノジスチリルベンゼン(DADSB)分子(自己発光型マイクロドット用分子)である。
【0017】
また、図2に自己発光型マイクロドット用分子として用いた青緑色発光を示すDADSB分子の構造を示す。
ここで、1×10-3Paの真空中で石英ルツボ1Aに充填したDADSB分子7を、タングステン線ヒーター1Bを用いて加熱昇華させ、その直上約10cmに設置した基板加熱ヒーター2に取り付けた塩化カリウム(KCl)基板3の(001)劈開面上に蒸着成長させた。KCl基板3の温度は蒸着中、160〜180°Cに保った。
【0018】
図3にDADSB分子の蒸着量の増加に伴ってKCl基板上に形成されるマイクロドットの成長過程を示す。
KCl基板3上には多くのステップが存在するが、DADSBの蒸着を開始する(0分)と、まずこのステップに沿ってマイクロドットの核が形成される(5分)。やがて蒸着量の増加に伴って核密度が増加するとともにドットのサイズが大きくなる(10分)。さらに蒸着を進めるとドット密度は飽和し(15分)、次第にドット同志の凝集が起こり(23分)、さらに大きなドットが成長してくる(30分)。
【0019】
図4にそのマイクロドットの成長過程を模式的に示す。
KCl基板3上に吸着したDADSB分子7は、KCl基板3の温度が適度に高いためその場にとどまらず、KCl基板3上を拡散して、より表面エネルギーの大きなKCl基板3のステップや欠陥部位に核形成する。そして、さらに吸着、拡散してきた分子7を取り込んでサイズが大きくなり、マイクロメータースケールのドットに成長していく。
【0020】
このようなドットの成長メカニズムは、DADSB分子7が両末端に嵩高いN,N−di−p−tolylamine基を有するため、分子骨格のジスチリルベンゼンπ共役系鎖と基板のKClとの相互作用が弱められ、KCl基板3上での分子の拡散長が長くなる「分子ベアリング」効果によるものである。
図5にはこのようにして得られたDADSBマイクロドットの成長初期(蒸着5分後)と成長後期(蒸着30分後)における形態を観察した原子間力顕微鏡像を示す。
【0021】
この図5(a)に示すように、蒸着初期ではドット径が1ミクロン程度で高さが数十ナノメーター、図5(b)に示すように、蒸着後期ではドット径10ミクロン以上、高さ1ミクロン以上に成長している。この形態像からもわかるように、ドット径に対する高さの比は、成長初期の約20分の1(1/20)から蒸着後期には8分の1(1/8)程度まで増大している。
【0022】
以上のようにして得られたDADSBマイクロドットは、紫外線励起下で青緑色の発光を示すが、その蛍光スペクトルの強度の紫外線励起時間に対する変化を測定した結果、大気中では時間とともに発光強度が急激に低下した。紫外線励起前後のマイクロドットの可視紫外吸収スペクトルおよび赤外スペクトルを測定した結果、このような発光劣化は、紫外線励起によるジスチリルベンゼンπ共役系鎖の光酸化に原因していることが分かった。このことは、窒素中では発光強度の低下が全く起こらなかったことからも明らかとなった。
【0023】
そこで、この大気下におけるDADSBマイクロドットの発光劣化を防止するとともに、DADSBからの発光をマイクロドット中に有効に閉じ込めるため、低屈折率材料のフッ化マグネシウム(MgF2 )膜を、KCl基板上に成長したマイクロドット上に真空蒸着した。その結果、大気中の紫外線励起下においても発光劣化は全く起こらなかった。
【0024】
次に、DADSBマイクロドットの発光増幅特性を評価するため、上記のようにMgF2 層で封止したDADSBマイクロドットをYAGパルスレーザー(λ=355nm)で励起して、その発光スペクトルを測定した。
図6には平均ドット径7.2μmのDADSBマイクロドットをMgF2 層で封止した試料を励起パルスレーザーエネルギーを変化させて測定した発光スペクトルを示している。図7には平均ドット径13.7μmのDADSBマイクロドットをMgF2 層で封止した試料を励起パルスレーザーエネルギーを変化させて測定した発光スペクトルを示している。
【0025】
図6に示すように、径7.2μmのドットでは励起パルスエネルギーを増加させても自然発光によるブロードな蛍光スペクトルの強度が単調に増加していくだけであるが、径13.7μmのドットでは、図7に示すように、あるエネルギー閾値以上で発光強度が上昇しスペクトル幅の狭線化(gain−narrowing)が起こる。
【0026】
これは、後者においてはマイクロドットが発光波長に対して十分大きくなり、自己空洞共振器として機能するため、DADSBの発光がマイクロドット中に閉じ込められて誘導放射が有効に起こり、発光が増幅したAmplified Spontaneous Emission(ASE)に基づくものである。
また、図7(b)中の拡大図に示すように、狭線化したピークの両端にも周期的に発光モードが観測され、このことからもマイクロドットが微小共振器として働いていることがわかる。
【0027】
種々のドットサイズを持つDADSBマイクロドットを用いて同様の測定を行った結果、ドットの平均直径がおよそ8μm以上になると、このような発光閉じ込め空洞共振器効果による発光増幅が観察された。
以上のように、自己形成したDADSBマイクロドットは安定な発光増幅を示し、今後、電流注入による有機半導体レーザー材料として非常に有望である。また、図5(a)に見られるように、DADSBマイクロドットは基板のステップに沿って擬周期配列を自己組織的に形成することから、今後、基板上にステップに代わる人工的なキンクサイトを二次元周期的に加工することによってフォトニッククリスタルを形成することが期待できる。それにより、さらにレーザー発振励起エネルギー閾値の低減や発光の輻射場の制御を試み、より高機能な有機半導体レーザーデバイスへ発展させることが期待できる。
【0028】
なお、分子はDADSBに限らず、「分子ベアリング効果」を有する他の発光性分子を用いることができる。
また、基板にはアルカリハライド以外に、基板上での分子の拡散長が適度に長ければ、金属、ガラスなども用いることができる。なお、マイクロドットの形式に適した基板温度は、用いる分子と基板との間の相互作用力によって変化する。
【0029】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0030】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
(A)より汎用かつ簡便にマイクロメータースケールの有機微小構造体を自己組織的に形成することができる。
【0031】
(B)さらに、発光機能を有するπ共役系分子のマイクロドットを作製し、そのサイズを可変に制御することにより、この自発光型マイクロドットが低損失の空洞共振器となりレーザー発振を可能にすることができる。
(C)マイクロドット上に低屈折率の封止剤を積層することにより、マイクロドットを安定で効率的な光閉じ込め空洞共振器として機能させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例を示す真空蒸着装置の概略構成図である。
【図2】 本発明にかかる自己発光型マイクロドット用分子として用いた青緑色発光を示すジアミノジスチリルベンゼン(DADSB)分子の構造を示す図である。
【図3】 本発明にかかるDADSB分子の蒸着量の増加に伴ってKCl基板上に形成されるマイクロドットの成長過程を示す図である。
【図4】 本発明にかかるマイクロドットの成長過程を模式的に示す図である。
【図5】 本発明にかかるDADSBマイクロドットの成長初期(蒸着5分後)と成長後期(蒸着30分後)における形態を観察した原子間力顕微鏡像を示す図である。
【図6】 本発明にかかる平均ドット径7.2μmのDADSBマイクロドット〔図6(a)はその光学顕微鏡像〕をMgF2 層で封止した試料を励起パルスレーザーエネルギーを変化させて測定した発光スペクトルを示す図である。
【図7】 本発明にかかる平均ドット径13.7μmのDADSBマイクロドット〔図7(a)はその光学顕微鏡像〕をMgF2 層で封止した試料を励起パルスレーザーエネルギーを変化させて測定した発光スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
1 蒸着源
1A 石英ルツボ
1B タングステン線ヒーター
2 基板加熱ヒーター
3 KCl基板(KCl単結晶基板)
4 シャッター
5 蒸着量モニター
6 真空ポンプ
7 ジアミノジスチリルベンゼン(DADSB)分子(自己発光型マイクロドット用分子)
Claims (7)
- 蒸着分子として末端にバルキーな置換基を有するジアミノジスチリルベンゼンからなる自発光型π共役系分子を用い、基板としてKClからなるアルカリハライド単結晶基板を用い、真空中で前記基板を加熱することにより、前記基板上で前記自発光型π共役系分子のマイクロドットを自己形成させることを特徴とする有機マイクロドットの形成方法。
- 請求項1記載の有機マイクロドットの形成方法において、前記基板温度を160〜180℃とすることを特徴とする有機マイクロドットの形成方法。
- 請求項1記載の有機マイクロドットの形成方法において、前記自発光型π共役系分子の蒸着量を増減することにより、その直径をサブマイクロメーターから数十マイクロメーターの範囲で制御可能にすることを特徴とする有機マイクロドットの形成方法。
- 請求項1記載の有機マイクロドットの形成方法において、前記自発光型π共役系分子の蒸着面はKCl単結晶基板の(001)劈開面であることを特徴とする有機マイクロドットの形成方法。
- 蒸着分子として末端にバルキーな置換基を有するジアミノジスチリルベンゼンからなる自発光型π共役系分子を用い、基板としてKClからなるアルカリハライド単結晶基板を用い、前記アルカリハライド単結晶基板上に形成される自発光型π共役系分子のマイクロドットを具備するとともに、前記マイクロドット上に積層された低屈折率の封止剤を有することを特徴とする有機半導体レーザー素子。
- 請求項5記載の有機半導体レーザー素子において、前記マイクロドットの直径が8マイクロメーターから数十マイクロメーターの範囲であることを特徴とする有機半導体レーザー素子。
- 請求項5記載の有機半導体レーザー素子において、前記封止剤はフッ化マグネシウム膜であることを特徴とする有機半導体レーザー素子。
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