KR102402133B1 - Continuous-wave organic thin-film distributed feedback laser and electrically driven organic semiconductor laser diode - Google Patents

Continuous-wave organic thin-film distributed feedback laser and electrically driven organic semiconductor laser diode Download PDF

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KR102402133B1 KR1020170027963A KR20170027963A KR102402133B1 KR 102402133 B1 KR102402133 B1 KR 102402133B1 KR 1020170027963 A KR1020170027963 A KR 1020170027963A KR 20170027963 A KR20170027963 A KR 20170027963A KR 102402133 B1 KR102402133 B1 KR 102402133B1
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상가랑게 돈 아툴라 산다나야카
지하야 아다치
도시노리 마츠시마
고우 요시다
장-샤를 리비에르
파티마 벤체이크
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고쿠리쓰다이가쿠호진 규슈다이가쿠
가부시키가이샤 코알라 테크
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    • H01S5/1228DFB lasers with a complex coupled grating, e.g. gain or loss coupling

Abstract

분산형 피드백 그레이팅 구조 상에 유기층을 갖는 레이저가 개시되며, 유기층은 유기 그레인 매체를 포함한다. 레이저는 연속파 레이저, 의사 연속파 레이저 및 전기적으로 구동되는 반도체 레이저 다이오드를 포함한다.A laser is disclosed having an organic layer on a dispersive feedback grating structure, the organic layer comprising an organic grain medium. Lasers include continuous wave lasers, pseudo continuous wave lasers, and electrically driven semiconductor laser diodes.

Description

연속파 유기 박막 분산형 피드백 레이저 및 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저 다이오드{CONTINUOUS-WAVE ORGANIC THIN-FILM DISTRIBUTED FEEDBACK LASER AND ELECTRICALLY DRIVEN ORGANIC SEMICONDUCTOR LASER DIODE}CONTINUOUS-WAVE ORGANIC THIN-FILM DISTRIBUTED FEEDBACK LASER AND ELECTRICALLY DRIVEN ORGANIC SEMICONDUCTOR LASER DIODE

도 1. (a) BSBCz 및 CBP의 화학 구조, (b) 2차 분산형 피드백(DFB) 구조에 내장된 BSBCz:CBP 막의 개략도, (c) 전자빔 리소그래피 및 건식 에칭에 의해 분산형 피드백 공진기 구조를 제조하는데 사용되는 방법의 개략도, (d) 4500X 및 (e) 120000X 배율에서의 분산형 피드백 구조의 주사 전자 현미경(SEM) 영상, 및 (f) BSBCz 및 CBP 니트막의 흡수 및 포토루미네선스(photoluminescence) 스펙트럼. 분산형 피드백 구조는 이산화규소 표면에 직접 새겨져 있다. 2차 모드 (m = 2)가 브래그(Bragg) 방정식 (mλ = 2neffΛ)에서 사용될 때, 회절 빔이 (b)에 도시된 바와 같이 막 평면에 수직인 방향으로 방출된다. CBP 방출과 BSBCz 흡수가 크게 중첩되어서 CBP에서 BSBCz로의 효율적인 포르스터(

Figure 112017078655148-pat00001
) 유형의 에너지 전달을 가능하게 한다. BSBCz:CBP 블렌드막에서 CBP 분자는 주로 337 nm 빛에 의해 여기된다. 그런 다음, 효율적인 에너지 전달 때문에 BSBCz에서 방출이 발생하지만 CBP에서는 방출이 관찰되지 않는다.
도 2. 20 Hz에서의 0.8 ns 넓이의 펄스 여기를 사용했을 때 분산형 피드백 구조에 내장된 (a, c) BSBCz:CBP 블렌드막 및 (b, d) BSBCz 니트막의 여기 강도에 따른 방출 세기 및 반치전폭(FWHM)의 방출 스펙트럼 및 도표. (a, b)에서의 삽도는 레이저 동작 임계 근처에서 측정된 방출 스펙트럼을 도시한다.
도 3. BSBCz:CBP 블렌드막에서 (a) 레이저 진동 및 (b, c) 레이저 강도의 시간적 변화의 스트리크 카메라 영상. 반복률이 0.01 MHz에서 8 MHz로 변경되었다. 여기 광 강도는 0.25 μJcm- 2 의 Eth 보다 1.8 배 높은 약 0.44 μJcm-2로 고정되었다. 시간 척도는 (a, b)에서 500 μs이고 (c)에서 2 μs였다.
도 4. BSBCz:CBP 블렌드막 및 BSBCz 니트막을 기반으로 한 유기 분산형 피드백 레이저에서 (a) 반복률 및 (b) 레이저 진동의 작동 안정성에 따른 레이저 동작 임계의 도표. 안정성을 측정하기 위해서 레이저 장치는 8 MHz에서 연속적으로 준 연속파(quasi cw) 작동되었다. 여기 광 강도는 레이저 동작 임계보다 1.5 배 더 높았다.
도 5. (a) 액체 카르바졸(ECHz) 호스트와 헵타플루오렌 유도체의 화학 구조. (b) 1차 1D 그레이팅 패턴을 사용하여 준비된 액체 분산형 피드백 레이저의 개략도. (c) 주기 140 nm 및 높이 100 nm의 PUA 패턴의 SEM 영상. 축척 막대는 200 nm를 나타낸다. (d) 1 MHz의 반복률에서 임계 이상으로 측정된 질소화 및 산소화 액체 분산형 피드백 레이저의 방출 스펙트럼. (e) 준 연속파 영역에서 작동하는 산소화 청색 액체 분산형 피드백 레이저의 사진.
도 6. 질소화 및 산소화 EHCz:헵타플루오렌 분산형 피드백 레이저에서 (a, b) 레이저 동작 방출 및 (c, d) 레이저 강도의 시간 변화의 스트리크 카메라 영상. 반복률이 0.01 MHz에서 4 MHz로 증가되었다. 여기 광 강도는 2.5 μJcm-2로 일정하게 유지되었다.
도 7. 질소화 EHCz:헵타플루오렌 분산형 피드백 레이저에서 서로 다른 반복률에서의 여기 강도에 따른 출력 방출 강도 및 반치전폭.
도 8. 산소화 EHCz:헵타플루오렌 분산형 피드백 레이저에서 서로 다른 반복률에서의 여기 강도에 따른 출력 방출 강도 및 반치전폭.
도 9. (a) 반복률에 따른 질소화 및 산소화 액체 분산형 피드백 유기 반도체 레이저의 레이저 동작 임계. (b) 1 MHz의 반복률에서 준 연속파 영역에서 작동하는 산소화 및 질소화 액체 유기 반도체 분산형 피드백 레이저의 광 안정성. 여기 광 강도는 2.5 μJcm-2이었다.
도 10. (a) 산소화 및 질소화 클로로포름 용액에서 헵타플루오렌의 삼중항-삼중항 흡수 스펙트럼. 삼중항-삼중항 흡수는 분자 산소에 의한 삼중항의 ??칭 (quenching)으로 인해 산소화 용액에서 사라지게 된다. 산소화 분산형 피드백 장치에서 측정된 대표적인 레이저 스펙트럼 또한 도시되어 있다. (b) 1 ms 이상의 시간 상수를 갖는 삼중항-삼중항 흡수 기여의 일시적 감쇄.
도 11. 50 내지 800 μs의 네 가지 서로 다른 펄스 지속시간 동안의 질소화 및 산소화 EHCz:헵타플루오렌 블렌드에서 0.5 kWcm-2에서 측정된 포토루미네선스 강도의 역학. 이 실험을 위해, 게인 매체가 두 동일한 평면 용융 실리카 기판들 사이에 위치되었다. 그 후 샘플들은 325 nm에서 방출되는 연속파 HeCd 레이저로부터 기인하는 레이저 펄스에 의해 광학적으로 펌핑되었다. 스폿 면적은 2.0 x 10-5 cm2이었다. 샘플을 기판 평면에 대해 수직 방향으로 조사하고 PL 강도를 광전자증배관을 사용하여 45도 각도로 측정하였다. 이러한 결과는 산소화가 분자 산소에 의한 삼중항의 ??칭으로 인한 STA 손실의 억제로 이어진다는 것을 명확히 증명하는 것이다.
도 12. 유기 반도체 분산형 피드백 레이저의 제조 방법. 유기 분산형 피드백 레이저를 제조하는데 사용되는 방법의 개략도. 서로 다른 연속 단계들이 전자빔 리소그래피에 의한 분산형 피드백 공진기 구조의 제조, 유기 반도체 박막의 열증발, 및 CYTOP 중합체 막의 스핀 코팅과 이어지는 높은 열전도성 (TC) 사파이어 리드를 이용한 장치의 밀봉을 포함한다.
도 13. 혼합차수 분산형 피드백 공진기의 구조, (A) 이 연구에서 사용된 혼합차수 분산형 피드백 그레이팅 구조의 개략도. (B) 2500X 및 (C) 100000X 배율의 SEM 영상, 및 200 nm 두께의 BSBCz:CBP 블렌드막의 증착 후 장치의 (D) SEM 영상 및 (E) 단면 SEM 영상.
도 14. 준 연속파 영역에서의 유기 분산형 피드백 레이저의 레이저 동작 특성. 대표적인 BSBCz:CBP 캡슐화 혼합차수 분산형 피드백 장치의 (A) 500 μs 또는 (B) 200 ns (오직 80 MHz)의 주기 동안 0.01 내지 80 MHz의 반복률에서의 레이저 진동을 도시하고 있는 스트리크 카메라 영상. 여기 강도는 레이저 동작 임계 (Eth)보다 높은 ~0.5 μJcm-2로 고정되었다. (C) 캡슐화 BSBCz:CBP 혼합차수 분산형 피드백 레이저에서 다양한 반복률(f)에서의 레이저 출력 강도의 시간적 변화. (D) 반복률에 따른 다양한 분산형 피드백 장치에서의 레이저 동작 임계. 실선은 눈에 대한 기준선이다.
도 15. 롱 펄스 영역에서의 유기 분산형 피드백 레이저의 레이저 동작 특성. (A) 게인 매체로서 BSBCz:CBP (20:80 wt%) 막을 사용하고 30 ms 및 2.0 kWcm-2 (상단) 또는 800 μs 및 200 Wcm-2 (하단)의 펄스로 광학적으로 펌핑되는 캡슐화 혼합차수 분산형 피드백 장치로부터 100 펄스 이상으로 레이저 방출을 통합하는 것을 도시하고 있는 스트리크 카메라 영상. (B) 롱 펄스 영역 (30 ms 여기)에서 작동하는 분산형 피드백 장치의 사진. (C) 여기 지속시간에 따른 다양한 분산형 피드백 장치에서의 레이저 동작 임계 (Eth). 점선은 눈에 대한 기준선이다. (D) 입사 펄스 수 (100 μs, 200 Wcm- 2)에 따른 유기 분산형 피드백 레이저로부터의 레이저 출력 강도의 변화.
도 16. 광학 시뮬레이션에 사용되는 기하학의 도식.
도 17. 서로 다른 디멘션의 2차 그레이팅에 대한 BSBCz:CBP (6:94 wt%) 200 nm 두께의 막을 기반으로 하는 혼합차수 분산형 피드백 레이저의 레이저 동작 임계. 장치는 20 Hz의 반복률 및 337 nm의 파장에서 800 ps 펄스를 전달하는 질소 레이저에 의해 광학적으로 펌핑되었다.
도 18. (A) 흡수 스펙트럼, (B) 정상 상태 포토루미네선스 스펙트럼 및 (C) 캡슐화 및 비캡슐화 BSBCz:CBP (6:94 wt%) 막의 CYTOP 막에 의한 일시적인 포토루미네선스 부식.
도 19. (A) BSBCz:CBP (6:94 wt%) 및 (B) BSBCz 니트막을 기반으로 하는 대표적인 유기 혼합차수 분산형 피드백 레이저의 레이저 동작 임계 이하 및 이상에서 다양한 펌핑 강도에서의 방출 스펙트럼. 삽도는 레이저 동작 임계 근처의 방출 스펙트럼을 도시한다. (C) 블렌드막 및 (D) 니트막 분산형 피드백 레이저에서의 펌핑 강도에 따른 방출 출력 강도 및 FWHM. 이 실험에서, 유기막은 스핀 코팅된 CYTOP 막 및 사파이어 리드로 덮였다. 광 펌핑 소스는 20 Hz의 반복률 및 337 nm의 파장에서 0.8 ns 폭의 펄스 여기를 방출하는 질소 레이저였다. 레이저 장치로부터의 방출은 기판 평면에 대해 수직 방향으로 수집되었다.
도 20. (A) 0.01 MHz 및 (B) 80 MHz의 반복률에서의 대표적인 캡슐화 블렌드 혼합차수 분산형 피드백 레이저의 펌핑 강도에 따른 방출 출력 강도 및 FWHM.
도 21. 반복률에 따른 순방향 (반복률 증가) 및 역방향 (반복률 감소)으로 측정된 레이저 동작 임계. 레이저 동작 임계의 비가역적 변화는 강한 광 여기 하에서의 게인 매체의 열화에 기인하는 것이다.
도 22. 80 MHz의 반복률 및 0.5 μJcm-2의 펌핑 강도에서의 비캡슐화 2차, 비캡슐화 혼합차수, 및 캡슐화 혼합차수 분산형 피드백 장치로부터의 방출을 도시하고 있는 (A) 스트리크 카메라 영상 및 (B) 대응 방출 스펙트럼.
도 23. (A) BSBCz:CBP (6:94 wt%) 블렌드막을 기반으로 하는 서로 다른 유기 분산형 피드백 레이저로부터의 레이저 출력 진동의 작동 안정성. 안정성을 측정하기 위해, 레이저 장치는 8 MHz 또는 80 MHz에서 20 분 동안 연속적으로 준 연속파 작동되었다. 각각의 장치에 대해, 여기 광 강도는 레이저 동작 임계의 1.5 배였다. (B) 80 MHz에서의 준 연속파 영역에서 작동하는 캡슐화 블렌드 분산형 피드백 레이저의 사진.
도 24. (A) 200 nm 두께의 BSBCz:CBP (20:80 wt%) 막의 펌프 에너지 및 스트라이프 길이에 따른 472 nm를 중심으로 하는 자연증폭방출(ASE)의 출력 강도. 점선은 참고 문헌 (7, 8)에 보고된 식을 사용하는 데이터에 적합한 것이다. 도파관의 순 게인은 적합도로부터 결정되었다. (B) 도파관 막의 가장자리로부터 방출된 ASE 강도 대 펌프 스트라이프와 블렌드막의 가장자리 사이의 거리. 막의 ASE 특성은 서로 다른 (0.1, 10 및 50 μs) 펄스 폭으로 405 nm에서 방출되는 무기 레이저 다이오드를 사용하여 조사되었다.
도 25. 800 μs 및 30 ms의 롱 펄스 지속 시간 동안 각각 200 Wcm-2 및 2.0 kWcm-2의 펌핑 강도로 측정된 캡슐화 20 wt% 블렌드 혼합차수 분산형 피드백 레이저의 방출 스펙트럼.
도 26. 2.0 kWcm-2의 펌프동력으로 30 ms의 긴 광 여기 동안 캡슐화 혼합차수 분산형 피드백 장치로부터 100 펄스에 대해 통합된 레이저 방출을 보여주는 스트리크 카메라 영상. 게인 매체는 BSBCz:CBP (20:80 wt%)이었다. 여기 파장은 405 nm이었다. 본 스트리크 카메라 시스템으로 30 ms 동안 레이저 동작을 관찰하기 위해서 가동 주기 백분율을 2%로 변경하여 1 ms 프레임 (0.02 X 30 ms = 0.6 ms)에서 30 ms 펄스를 시각화하였다.
도 27. (A) 레이저 동작 출력 강도의 시간적 변화, (B) 폭 30 ms 및 펌핑 강도 2.0 kWcm-2의 평균 펄스 10 회 및 500 회 이후 측정된 캡슐화 혼합차수 분산형 피드백 레이저의 방출 스펙트럼. (C) BSBCz의 유도 방출 및 삼중항 흡수 단면 스펙트럼. 분산형 피드백 레이저의 방출 스펙트럼은 Eth 위의 BSBCz 니트막으로부터 측정되었다. (D) 삼중항 흡수 스펙트럼은 아르곤 아래에서 BSBCz를 함유하는 용액에서 측정되었다. (E) 용액 (디클로로메탄에서의 BSBCz 및 벤젠에서의 벤조페논)에서의 일시적 흡수 스펙트럼의 여기력 의존성.
도 28. (A) (B) 임계 근처 및 (C) 임계 이상에서 분산형 피드백 레이저의 방출된 빔의 발산을 보여주는 도면. 활성 게인 매체는 BSBCz:CBP (20:80 wt%) 막이었다. 장치를 롱 펄스 영역 (10 ms 여기)에서 펌핑하였다.
도 29. (A) 편광 각에 따른 방출 스펙트럼 및 (B) 편광 각에 따른 방출 강도. 장치는 BSBCz:CBP (20:80 wt%) 블렌드를 기반으로 하였으며 혼합차수 분산형 피드백 그레이팅을 사용하였다. 펌핑 강도는 200 Wcm-2이고 펌프 펄스 지속 시간은 800 μs 이었다. 0o는 분산형 피드백 그레이팅의 홈에 평행한 방향에 대응한다는 것을 유의한다.
도 30. (A, B) 1 μs 및 (C, D) 800 μs의 롱 펄스 여기 폭에 대한 펌핑 강도에 따른 캡슐화 혼합차수 블렌드 장치의 방출 스펙트럼, 레이저 출력 강도 및 FWHM.
도 31. (A) 사파이어 또는 (B) 유리 리드로 캡슐화된 혼합차수 블렌드 BSBCz:CBP (20:80 wt%) 분산형 피드백 장치로부터의 레이저 방출을 보여주는 스트리크 카메라 영상. (C) 펌핑 강도가 2.0 kWcm-2인 다양한 펄스 폭에 대한 유리 리드로 캡슐화된 장치의 방출 스펙트럼. 방출 스펙트럼은 펄스 폭이 길어질수록 넓어지는데, 이 펄스 폭을 가지는 레이저 동작 임계의 상당한 증가로 설명될 수 있다. 예를 들어, 2 및 3 ms의 펄스 폭의 경우, 장치는 레이저 동작 임계 이하에서 작동한다. (d) 사파이어 또는 유리 리드로 캡슐화된 분산형 피드백 장치에서 여기 펄스 폭에 따라 측정된 레이저 동작 임계 (Eth). 점선은 눈에 대한 기준선이다.
도 32. 폭 1 ms의 100 여기 펄스에 의한 (A) 조사 전 및 (B) 조사 후의 비캡슐화 블렌드 혼합차수 분산형 피드백 레이저의 레이저 현미경 영상. (B)의 삽도의 두께 프로파일은 고밀도 연속파 조사 동안 유기 박막이 제거되는 것을 보여준다. 펌핑 강도는 200 Wcm-2이었다. (C)와 (D)의 스트리크 카메라 영상은 동일한 조사 조건 (1 ms 펄스 폭, 200 Wcm-2의 펌핑 강도, 및 100 펄스 이상의 스트리크 카메라 영상의 통합)하에서 캡슐화 및 비캡슐화 블렌드로부터의 방출을 보여준다.
도 33. 분산형 피드백 유기 레이저의 구조.
도 34. (a) 3 층 슬래브 도파관의 구조. (b) 레이저 동작 파장 477 nm에서 막 두께 d에 따른 TE 및 TM 모드에 대한 유효 굴절률 (neff).
도 35. 서로 다른 값의 막 두께에 대한 수직 입사 TE 편광 하에서 수치 계산된 (실선) 및 파노 (Fano)-프로파일 피팅 (파선) 반사 스펙트럼.
도 36. (a) 서로 다른 df를 가진 제작된 레이저 장치들의 실험적 레이저 방출 스펙트럼. (b) 실험적 레이저 동작 파장과 계산된 공진 파장.
도 37. (a) Eth (사각형), 수치 계산으로부터 추출된 Q-인자, QFEM-계산 (삼각형), 파노 (Fano) 피팅, Q파노 (QFano) 피팅 (별), df에 따른 Γ (원)의 도표, (b) 레이저 방출의 실험적 FWHM 및 파노 공명으로부터 계산된 것.
도 38. 열 시뮬레이션에 사용되는 기하학의 도식.
도 39. 각 펄스의 단부에서의 최대 온도.
도 40. 게인 영역에서 (A) 1 ms, (B) 10 ms, (C) 30 ms 및 (D) 40 ms의 서로 다른 펄스 폭으로의 시간의 함수로서의 온도 상승.
도 41. 캡슐화 및 비캡슐화 장치에서 10 ms의 펄스 폭에 대한 시간에 따른 온도 상승.
도 42. 게인 영역에서 시간 또는 30 ms의 펄스 수 τp 에 따른 온도 상승.
도 43. 전기적으로 구동되는 유기 반도체 분산형 피드백 레이저 다이오드의 분산형 피드백 그레이팅 및 유기 레이저 다이오드를 제조하는 데 사용되는 방법의 개략도. 서로 다른 연속단계들은 패턴화된 ITO 전극 상부에 100 nm 두께의 SiO2 층을 스퍼터링하는 것, 전자빔 리소그래피 및 건식 에칭에 의해 SiO2에 분산형 피드백 공진기 구조를 제조하는 것, 및 유기 반도체 박막 및 상부 전극을 열 증발시키는 것을 포함한다.
도 44. ITO 위에서 분산형 피드백 제조의 여러 단계 이후의 기판의 개략도. (B) ITO 위에 SiO2를 스퍼터링 한 후, (C) ITO 위에 분산형 피드백를 제조한 후, 및 (D) 분산형 피드백 구조체를 제조한 후의 (A) 패턴화된 ITO.
도 45. 나노임프린트 분산형 피드백 그레이팅 제작 방법의 개략도. 서로 다른 연속 단계들은 패턴화된 ITO 전극의 상부에 70 nm 두께의 중합체 층을 마련하고, 이어서 간단한 나노임프린트 리소그래피 공정에 의해 저비용으로 중합체에 분산형 피드백 공진기 구조를 제작하는 것을 포함한다.
도 46. 유기 레이저 다이오드에 사용되는 혼합차수 분산형 피드백 공진기의 구조적 특성.
ITO 패턴화된 유리 기판 상부에 마련된 혼합차수 분산형 피드백 SiO2 그레이팅 구조의 (A) 레이저 현미경 및 (B) SEM 영상 (5000X 및 200000X 배율 (삽도에서)). (C, D) ITO 상부에 마련된 혼합차수 분산형 피드백 그레이팅의 EDX 및 SEM 분석. 이들 영상은 장치와의 접촉에 대한 ITO의 노출을 확인시켜준다.
도 47. 전기적으로 구동되는 유기 반도체 분산형 피드백 레이저의 구조와 특성.
(A) 유기 반도체 레이저 다이오드의 개략도 및 에너지 준위도. (B) 유기 분산형 피드백 레이저 다이오드의 현미경 사진 및 (C) 4V에서 직류 작동하는 및 직류 작동하지 않는 기준 장치 (그레이팅이 없는 OLED). 장치 면적은 140 x 200 μm이다. 직류 및 펄스 작동 하에서의 기준 OLED 장치 및 유기 분산형 피드백 레이저 다이오드에서 측정된 (D) 전류 밀도-전압 (J-V) 곡선 및 (E) 외부 양자 효율-전류 밀도 (EQE-J) 곡선.
도 48. (a) 전자 전용 장치, (b) 정공 전용 장치 및 (c) 양극성 장치의 에너지 준위도.
도 49. (a) BSBCz에 대한 정공 (파란색)과 전자 (빨간색)의 풀-프란켈 (Pool-Frankel) 필드 종속 모델 (실선)에 대한 보고된 (기호) 및 적합 (실선) 이동성. (b) 정공 전용 장치 (파란색), 전자 전용 장치 (빨간색) 및 양극성 장치 (검은색)에 대한 실험적 (기호) 및 시뮬레이션된 (실선) J(V) 곡선.
도 50. 모든 층들의 증착 후 레이저 다이오드 구조의 SEM (A, B) 표면 형태 영상 및 (C, D) 단면 영상.
도 51. 유기 반도체 레이저 다이오드의 일부 가능한 구성의 개략도. 분산형 피드백 공진기 구조 (2차 및 혼합차수 그레이팅)는 (A) 전자빔 리소그래피 및 건식 에칭에 의해 SiO2에서, (B) 전자빔 리소그래피 및 건식 에칭에 의해 ITO에서, (C) 나노임프린트 리소그래피 공정에 의해 패턴화된 ITO 전극 상부의 중합체에서, 또는 (D) 나노임프린트 리소그래피에 의해 활성층 상부에서 제조될 수 있었다.
도 52. 2D-분산형 피드백 레이저용 2 차원 분산형 피드백 공진기 구조 (2차 및 혼합차수 그레이팅)를 가지는 유기 반도체 레이저 다이오드의 개략도.
도 53. (A-D) 4V에서 직류 작동하는 및 직류 작동하지 않는 유기 분산형 피드백 레이저 다이오드의 현미경 사진 (A, B의 장치는 324 1차 주기로 둘러싸인 36 2차 주기를 가지는 분산형 피드백 구조로 마련되었으며 D, C의 장치는 12 1차 주기로 둘러싸인 4 2차 주기의 반복 구조로 마련되었다). 장치 면적은 30 x 101 μm이다. (E) 서로 다른 주입된 전류 밀도에 대한 기판 평면에 수직으로 수집된 전기적으로 구동된 유기 반도체 분산형 피드백 레이저 (1차 및 2차에 대한 이 장치의 그레이팅 주기는 각각 140 nm 및 280 nm 였다)의 방출 스펙트럼 및 (F) 전류 밀도의 함수로서의 출력 강도.
도 54. BSBCz의 전계발광 및 PL 스펙트럼 (흑색-PL 스펙트럼, 기준 장치의 적색 EL 스펙트럼, 및 레이저 동작 임계 이하의 그레이팅을 가지는 청색 EL 스펙트럼).
도 55. 전기적으로 구동되는 유기 반도체 분산형 피드백 레이저 다이오드의 레이저 동작 특성.
서로 다른 주입된 전류 밀도에 대한 기판 평면에 수직으로 수집된 전기적으로 구동된 유기 반도체 분산형 피드백 레이저 (1차 및 2차에 대한 이 장치의 그레이팅 주기는 각각 140 nm 및 280 nm 였다)의 방출 스펙트럼 및 (B) 전류 밀도의 함수로서의 그것의 출력 강도. 각각 150 nm 및 300 nm의 1차 및 2차의 그레이팅 주기를 사용하는 유기 분산형 피드백 레이저 다이오드에서 얻어지는 (C) 방출 스펙트럼 및 (D) 출력 강도 대 전류 밀도.
도 56. 전기적으로 구동되는 유기 반도체 분산형 피드백 레이저 다이오드의 레이저 동작 특성.
(A) 서로 다른 주입된 전류 밀도에 대한 기판 평면에 수직으로 수집된 전기적으로 구동되는 유기 반도체 분산형 피드백 레이저 (1차 및 2차의 장치의 그레이팅 주기는 각각 140 nm 및 280 nm였다)의 방출 스펙트럼, 및 (B) 전류 밀도에 따른 그것의 출력 밀도.
도 57. (A) 분산형 피드백이 있는 및 분산형 피드백이 없는 전류 밀도-전압 (J-V) 곡선. 분산형 피드백을 가지는 장치는 각각 150 nm 및 300 nm의 1차 및 2차의 차수에 대한 그레이팅 주기를 가진다. (B) 500 ns 펄스 하에서 분산형 피드백 없이 전기적으로 구동되는 유기 분산형 피드백 고체 레이저에서의 외부 양자 효율 대 전류 밀도.
도 58. 1차 및 2차 영역에서 서로 다른 주기 수를 가지는 혼합차수 그레이팅의 SEM 영상 (A, B, C, D 및 E). (F) 설계 분산형 피드백에 대한 1차 및 2차 영역에서의 서로 다른 주기 수를 가지는 혼합차수 그레이팅의 표.
도 59. (A) 서로 다른 주기 수를 가지는 혼합차수 그레이팅의 레이저 스펙트럼. 각 그래프 상단의 주기 수는 2차 주기 수에 해당하며, 1차 주기 수는 도 58에서 확인될 수 있다. 하단 그래프는 장치의 출력 특성을 도시한다. (B) 2차 영역에서의 서로 다른 주기 수에 대한 혼합차수 그레이팅 레이저의 임계 에너지. 광학 펌핑의 경우, 1차 및 2차 영역에서는 각각 4 및 12 주기의 사용이 최저 임계값을 나타내게 된다. 광학 펌핑 소스는 20 Hz의 반복률 및 337 nm의 파장에서 0.8 ns 폭의 펄스 여기를 방출하는 질소 레이저였다. 레이저 장치로부터의 방출은 기판 평면에 대해 수직 방향으로 수집되었다.
도 60. (A) 1차 및 2차 영역에서 각각 12 주기 및 4 주기를 가지는 혼합차수 그레이팅의 SEM 영상. (B, C) 5 V에서 직류 작동하는 및 직류 작동하지 않는 유기 분산형 피드백 레이저 다이오드. 장치 면적은 2.9 x 10 μm이다. (D) 기준 OLED에 대한 방출 스펙트럼.
도 61. (A) 레이저의 편광을 검사하기 위한 실험 기구의 개략도. 분산형 피드백 레이저 다이오드의 (B) 레이저 동작 임계 이하 (415 Acm-2에서), (C) 레이저 동작 임계 이상 (823 Acm-2에서), 및 기준 (800 Acm-2 에서, 분산형 피드백 없음)에 대해, 및 (E) 편광 각에 따른 EL 강도에 대한 EL 스펙트럼의 편광 의존성. EL은 장치의 평면에서 편광된다 (TE 모드).
도 62. (A) 분산형 피드백을 가지는 OLED 구조의 개략도. (B) 디바이스 면적이 560 x 800 ㎛인 ITO 기판상의 분산형 피드백의 현미경 영상. (C) 여기 밀도에 따른 분산형 피드백 레이저의 광학적 펌프 출력 강도; 405 nm에서 연속파 레이저로 여기.
도 63. (A, B) 4 V에서 직류 작동하는 및 직류 작동하지 않는 유기 분산형 피드백 레이저 다이오드 및 (C, D) 기준 장치 (그레이팅이 없는 OLED)의 현미경 사진.
도 64. ITO 패턴 기판 위에 SiO2를 사용하여 마련된 환형 혼합차수 분산형 피드백 그레이팅 구조의 레이저 현미경 영상.
도 65. 구동하는 및 구동하지 않는 유기 환형 분산형 피드백 레이저의 현미경 영상. 환형 분산형 피드백을 가지는 및 환형 분산형 피드백을 갖지 않는 장치에 대한 전류 밀도-전압 (J-V) 곡선. 분산형 피드백을 가지는 및 분산형 피드백을 갖지 않는 OLED에서의 외부 양자 효율 대 전류 밀도.
도 66. (a) 분산형 피드백 그레이팅 OLED의 개략도 및 (b) 분산형 피드백 그레이팅 및 기준 OLED에 대한 실험적 (기호) 및 시뮬레이션된 (실선) J(V) 곡선.
도 67. (a) 10 V 및 (b) 70 V에서의 전하 캐리어 밀도, n, p 및 전계 F의 공간 분포.
도 68. 0.11 μm의 y에서 (a) 70 V에서의 정공 밀도, p, (b) 전자 밀도, n, (c) 2D 단면의 n, p 절개선의 공간 분포 도면.
도 69. 70 V에서의 (a) 전계 F, 및 (b) 전류 밀도 J의 프로파일의 도면.
도 70. 분산형 피드백 장치의 0.10 μm의 y에서 (a) 분산형 피드백 장치에 대한 프로파일 재조합률 R, (b) 기준 장치의 R, (c) 2D 단면의 절개선의 R, 및 (d) 70 V에서 분산형 피드백 장치의 0.164 μm의 y에서 2D 단면의 절개선 n, p의 도면.
도 71. (a) (a) 기준 장치의 서로 다른 Eb 및 (b) 분산형 피드백 및 0.6 eV의 Eb를 가지는 기준 장치에 대해 EFQ가 없는 및 EFQ가 있는 경우의 S(J) 특성.
도 72. 70 V에서 (a) EFQ를 가지는 및 EFQ를 갖지 않는 기준장치 내부, (b) EFQ를 갖지 않는 분산형 피드백 장치의 내부, (b) EFQ를 가지는 분산형 피드백 장치의 내부에서의 엑시톤 분포.
도 73. ??칭이 없는 (왼쪽 상단), EFQ를 가지는 (왼쪽 하단), PQ를 가지는 (오른쪽 상단), PQ 및 EFQ를 가지는 (오른쪽 하단) 분산형 피드백 장치 내부의 엑시톤 밀도 분포.
도 74. 분산형 피드백 장치 내부의 공기/BSBCz/SiO2 (왼쪽 상단), 공기/BSBCz/SiO2/ITO (오른쪽 상단), 실제 장치 Al/Ag/MoO3/BSBCz/SiO2/ITO (하단)의 광학 밀도 분포.
도 75. (a) 옥타플루오렌 유도체의 화학 구조. (b) 스핀 코팅된 옥타플루오렌 니트막에서 실온에서 측정된 흡수 및 정상상태 PL 스펙트럼. PL 스펙트럼의 측정을 위한 여기 파장은 376 nm였다. 자외선 조명 하의 옥타플루오렌 니트막의 사진이 삽도에 도시되어 있다. (c) 가변 입사각 분광 타원법에 의해 측정된 옥타플루오렌 니트막의 전형적 및 비전형적 광학 상수 (k 및 n). 막 두께는 약 75 nm이었다.
도 76. CBP 호스트에서 옥타플루오렌 10 및 20 wt%를 함유하는 블렌드막의 (a) 흡수 및 (b) 정상상태 PL 스펙트럼. 방출 스펙트럼에 사용된 여기 파장은 두 막 모두에서 424 nm이었다.
도 77. 옥타플루오렌 니트막에서, 및 CBP 호스트에 옥타플루오렌 10 및 20 wt%를 함유하는 블렌드막에서 측정된 PL 감쇄. 여기 파장은 365 nm이었다.
도 78. 스핀 코팅된 옥타플루오렌 니트막에서 다양한 입사각으로 측정된 실험 및 시뮬레이션 타원편광 반사 데이터 ψ 및 Δ.
도 79. (a) 유기 박막의 ASE 특성을 특징화하는데 사용되는 실험 구성의 개략도. (b) ASE 임계 이하 및 이상의 서로 다른 여기 강도에 대해 유기층의 모서리로부터 수집된 260 nm 두께의 옥타플루오렌 니트막의 방출 스펙트럼. 정상상태 PL 스펙트럼은 파선으로 표시되어 있다. 강한 광 조사 하에서의 옥타플루오렌 니트막의 사진이 삽도에 도시되어 있다. (c) 여기 밀도에 따른 260 nm 두께의 막 (모든 파장에 대해 통합)의 가장자리로부터의 출력 강도. (d) 옥타플루오렌 니트막 두께에 따른 ASE 임계. 여기 파장은 337 nm이었다.
도 80. 53 내지 540 nm 범위의 다양한 두께를 가지는 여러 옥타플루오렌 니트막의 여기 밀도에 따른 유기층 (모든 파장에 대해 통합)의 가장자리로부터의 출력 강도. 이들 데이터는 도 2d에 도시된 ASE 임계의 두께 의존성을 검사하는 데 사용되었다.
도 81. 펌프 스트라이프와 260 nm 두께의 옥타플루오렌 니트막의 가장자리 사이의 거리에 대해 플롯된 ASE 강도. 실선은 손실계수를 결정하기 위해 단일 지수 감쇄 함수에서 얻은 적합도에 해당한다.
도 82. 공기 또는 질소 기층 안에 놓인 260 nm 두께의 옥타플루오렌 니트막에서 ASE 임계를 초과하는 방출 강도의 시간적 감쇄. 펌핑 강도는 873 μJ/cm2 및 10 Hz이었다.
도 83. (a) 옥타플루오렌 분산형 피드백 레이저의 특성을 특징화하는데 사용되는 실험 구성의 개략도. (b) 이 작동에 사용된 혼합차수 분산형 피드백 그레이팅의 SEM 영상. (c) 레이저 동작 임계 이하 및 이상의 서로 다른 여기 강도에 대해 기판 평면에 대해 수직으로 수집된 옥타플루오렌 니트막을 기반으로 하는 분산형 피드백 레이저의 방출 스펙트럼. (d) 여기 밀도에 따른 분산형 피드백 레이저의 출력 세기.
도 84. (a) 이 연구에서 사용되는 OLED 구조의 개략도. 이들 장치에서 사용되는 유기 재료의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO) 및 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)도 제공되고 있다. (b) 옥타플루오렌 니트막 및 CBP 블렌드막을 기반으로 하는 OLED에서의 외부 양자 효율 대 전류 밀도.
도 85. 공기 중 광전자 분광법을 사용하여 니트막에서 옥타플루오렌의 이온화 포텐셜 결정. 니트막의 흡수 스펙트럼으로부터 결정된 광학 밴드갭 값을 고려하여, 니트막에서의 옥타플루오렌의 전자 친화도를 근사화하였다. 그러나 수직 이온화 포텐셜이 HOMO 에너지의 계산된 절대값과 동일하다는 코프만스(Koopmans)의 정리가 종종 이온화 과정 및 전자 상관 동안의 완화 과정 때문에 충족되지 못한다는 것을 유념하는 것이 중요하다. 광학 밴드갭은 일반적으로 실제 전자 갭과 다르지만 이온 친화도와 LUMO는 이온화 포텐셜과 광학 밴드갭 값 사이의 차이로부터 근사화될 수 있다.
도 86. (a) 10 mA/cm2의 전류 밀도에서 측정된 전계발광(EL) 스펙트럼 및 (b) 옥타플루오렌 니트막 및 CBP 블렌드막을 기반으로 하는 OLED에서의 J-V-L 곡선.
도 87. 옥타플루오렌 니트막에서의 연속파 ASE.
도 88. 옥타플루오렌 니트막에서의 연속파 ASE.Fig. 1. (a) chemical structures of BSBCz and CBP, (b) schematic diagram of BSBCz:CBP film embedded in a second-order distributed feedback (DFB) structure, (c) dispersive feedback resonator structures by electron beam lithography and dry etching. Schematic of the method used to prepare, (d) scanning electron microscope (SEM) images of the distributed feedback structure at 4500X and (e) 120000X magnification, and (f) absorption and photoluminescence of BSBCz and CBP neat membranes. ) spectrum. The distributed feedback structure is etched directly on the silicon dioxide surface. When the second-order mode (m = 2) is used in the Bragg equation (mλ = 2n eff Λ), the diffracted beam is emitted in a direction perpendicular to the film plane as shown in (b). CBP release and BSBCz uptake strongly overlapped, resulting in an efficient forster of CBP to BSBCz (Fig.
Figure 112017078655148-pat00001
) to enable tangible energy transfer. In the BSBCz:CBP blend film, CBP molecules are mainly excited by 337 nm light. Then, emission occurs in BSBCz but not in CBP because of efficient energy transfer.
Figure 2. Emission intensity according to excitation intensity of (a, c) BSBCz:CBP blend film and (b, d) BSBCz neat film embedded in a distributed feedback structure using 0.8 ns wide pulse excitation at 20 Hz Emission spectrum and plot of full width at half maximum (FWHM). Insets in (a, b) show the measured emission spectra near the laser operating threshold.
Figure 3. Streak camera images of (a) laser oscillation and (b, c) temporal change of laser intensity in BSBCz:CBP blend films. The repetition rate was changed from 0.01 MHz to 8 MHz. The excitation light intensity was fixed at about 0.44 μJcm −2 , which is 1.8 times higher than the E th of 0.25 μJcm −2 . The time scale was 500 μs in (a, b) and 2 μs in (c).
Figure 4. Plot of laser operation threshold as a function of (a) repetition rate and (b) operational stability of laser oscillations in organic dispersive feedback lasers based on BSBCz:CBP blend film and BSBCz neat film. To measure the stability, the laser device was continuously operated quasi cw at 8 MHz. The excitation light intensity was 1.5 times higher than the laser motion threshold.
Figure 5. (a) Chemical structures of liquid carbazole (ECHz) hosts and heptafluorene derivatives. (b) Schematic diagram of a liquid-dispersive feedback laser prepared using a first-order 1D grating pattern. (c) SEM image of the PUA pattern with a period of 140 nm and a height of 100 nm. Scale bars represent 200 nm. (d) Emission spectra of nitrated and oxygenated liquid dispersive feedback lasers measured above critical at a repetition rate of 1 MHz. (e) Photograph of an oxygenated blue liquid dispersive feedback laser operating in the quasi-continuous wave region.
Figure 6. Streak camera images of (a, b) laser action emission and (c, d) time change of laser intensity in a nitrogenated and oxygenated EHCz:heptafluorene dispersive feedback laser. The repetition rate was increased from 0.01 MHz to 4 MHz. The excitation light intensity was kept constant at 2.5 μJcm −2 .
Figure 7. Output emission intensity and full width at half maximum as a function of excitation intensity at different repetition rates in a nitrogenated EHCz:heptafluorene dispersive feedback laser.
Figure 8. Output emission intensity and full width at half maximum as a function of excitation intensity at different repetition rates in an oxygenated EHCz:heptafluorene dispersive feedback laser.
Fig. 9. (a) Laser operation thresholds of nitrogenated and oxygenated liquid dispersive feedback organic semiconductor lasers as a function of repetition rate. (b) Photostability of oxygenated and nitrogenated liquid organic semiconductor dispersive feedback lasers operating in the quasi-continuous wave region at a repetition rate of 1 MHz. The excitation light intensity was 2.5 μJcm -2 .
Figure 10. (a) Triplet-triplet absorption spectra of heptafluorene in oxygenated and nitrogenated chloroform solutions. The triplet-triplet absorption disappears in the oxygenated solution due to quenching of the triplet by molecular oxygen. Representative laser spectra measured in an oxygenated dispersive feedback device are also shown. (b) Temporal attenuation of triplet-triplet absorption contributions with time constants greater than or equal to 1 ms.
Figure 11. Kinetics of photoluminescence intensity measured at 0.5 kWcm -2 in nitrogenated and oxygenated EHCz:heptafluorene blends for four different pulse durations from 50 to 800 μs. For this experiment, a gain medium was placed between two identical planar fused silica substrates. The samples were then optically pumped by a laser pulse resulting from a continuous wave HeCd laser emitting at 325 nm. The spot area was 2.0 x 10 -5 cm 2 . The sample was irradiated in a direction perpendicular to the substrate plane and the PL intensity was measured at a 45 degree angle using a photomultiplier tube. These results clearly demonstrate that oxygenation leads to inhibition of STA loss due to quenching of triplets by molecular oxygen.
12. A method of manufacturing an organic semiconductor distributed feedback laser. A schematic diagram of the method used to fabricate an organic dispersive feedback laser. The different successive steps include fabrication of a distributed feedback resonator structure by electron beam lithography, thermal evaporation of organic semiconductor thin films, and spin coating of CYTOP polymer films followed by sealing of the device with high thermal conductivity (TC) sapphire leads.
Figure 13. Structure of a mixed-order distributed feedback resonator, (A) Schematic diagram of the mixed-order distributed feedback grating structure used in this study. (B) SEM images at 2500X and (C) 100000X magnifications, and (D) SEM images and (E) cross-sectional SEM images of the device after deposition of a 200 nm thick BSBCz:CBP blend film.
Fig. 14. Laser operation characteristics of an organic dispersive feedback laser in the quasi-continuous wave region. Streak camera images showing laser oscillations at repetition rates from 0.01 to 80 MHz for periods of (A) 500 μs or (B) 200 ns (80 MHz only) of a representative BSBCz:CBP encapsulated mixed-order distributed feedback device. The excitation intensity was fixed at ~0.5 μJcm −2 , which is higher than the laser action threshold (E th ). (C) Temporal change of laser power intensity at various repetition rates (f) in an encapsulated BSBCz:CBP mixed-order dispersive feedback laser. (D) Threshold of laser operation in various distributed feedback devices according to repetition rate. The solid line is the reference line for the eye.
Fig. 15. Laser operation characteristics of organic dispersive feedback laser in the long pulse region. (A) Encapsulation mixed orders using BSBCz:CBP (20:80 wt%) membrane as gain medium and optically pumped with pulses of 30 ms and 2.0 kWcm -2 (top) or 800 μs and 200 Wcm -2 (bottom) Streak camera image showing integrating laser emission into more than 100 pulses from a distributed feedback device. (B) Photograph of the distributed feedback device operating in the long pulse region (30 ms excitation). (C) Laser operation threshold (E th ) in various distributed feedback devices as a function of excitation duration. The dotted line is the reference line for the eye. (D) Changes in laser output intensity from organic dispersive feedback lasers with the number of incident pulses (100 μs, 200 Wcm 2 ).
Fig. 16. Schematic of the geometry used for optical simulation.
Figure 17. Laser operation threshold of a mixed-order dispersive feedback laser based on a BSBCz:CBP (6:94 wt%) 200 nm thick film for secondary gratings of different dimensions. The device was optically pumped by a nitrogen laser delivering 800 ps pulses at a repetition rate of 20 Hz and a wavelength of 337 nm.
18. (A) Absorption spectra, (B) steady-state photoluminescence spectra, and (C) transient photoluminescence corrosion by CYTOP membranes of encapsulated and unencapsulated BSBCz:CBP (6:94 wt%) membranes.
Figure 19. Emission spectra at various pumping intensities below and above the laser operating threshold of representative organic mixed-order dispersive feedback lasers based on (A) BSBCz:CBP (6:94 wt%) and (B) BSBCz neat films. The inset shows the emission spectrum near the laser operating threshold. Emission output intensity and FWHM as a function of pumping intensity in (C) blend film and (D) neat film distributed feedback laser. In this experiment, the organic film was covered with spin-coated CYTOP film and sapphire lead. The light pumping source was a nitrogen laser emitting 0.8 ns wide pulsed excitation at a repetition rate of 20 Hz and a wavelength of 337 nm. Emissions from the laser device were collected in a direction perpendicular to the substrate plane.
Figure 20. Emission output intensity and FWHM as a function of pumping intensity of representative encapsulated blend mixed-order dispersive feedback lasers at repetition rates of (A) 0.01 MHz and (B) 80 MHz.
21. Thresholds of laser motion measured in the forward (increasing repetition rate) and in the reverse direction (decreasing repetition rate) as a function of repetition rate. The irreversible change in the laser operating threshold is due to degradation of the gain medium under strong optical excitation.
22. (A) streak camera image showing emission from an unencapsulated secondary, unencapsulated mixed-order, and encapsulated mixed-order distributed feedback device at a repetition rate of 80 MHz and a pumping intensity of 0.5 μJcm -2 and (B) Corresponding emission spectra.
Figure 23. (A) Operational stability of laser output oscillations from different organic dispersive feedback lasers based on a BSBCz:CBP (6:94 wt%) blend film. To measure the stability, the laser device was operated continuously quasi-continuous wave at 8 MHz or 80 MHz for 20 min. For each device, the excitation light intensity was 1.5 times the laser operating threshold. (B) Photograph of an encapsulated blended dispersive feedback laser operating in the quasi-continuous wave region at 80 MHz.
Figure 24. (A) Output intensity of spontaneously amplified emission (ASE) centered at 472 nm as a function of the pump energy and stripe length of a 200 nm thick BSBCz:CBP (20:80 wt%) film. The dotted line is the fit for the data using the formula reported in refs (7, 8). The net gain of the waveguide was determined from the fit. (B) ASE intensity emitted from the edge of the waveguide membrane versus the distance between the pump stripe and edge of the blend membrane. The ASE properties of the membranes were investigated using inorganic laser diodes emitting at 405 nm with different (0.1, 10 and 50 μs) pulse widths.
Figure 25. Emission spectra of an encapsulated 20 wt% blend mixed-order dispersive feedback laser, measured with pumping intensities of 200 Wcm -2 and 2.0 kWcm -2 , respectively, for long pulse durations of 800 μs and 30 ms.
Figure 26. Streak camera image showing integrated laser emission for 100 pulses from an encapsulated mixed-order distributed feedback device during long optical excitation of 30 ms with a pump power of 2.0 kWcm -2 . The gain medium was BSBCz:CBP (20:80 wt%). The excitation wavelength was 405 nm. To observe laser motion for 30 ms with this streak camera system, 30 ms pulses were visualized in 1 ms frames (0.02 X 30 ms = 0.6 ms) by changing the duty cycle percentage to 2%.
Figure 27. (A) Temporal change in laser operating output intensity, (B) Emission spectra of an encapsulated mixed-order dispersive feedback laser measured after 10 and 500 average pulses of 30 ms width and 2.0 kWcm -2 pumping intensity. (C) Stimulated emission and triplet absorption cross-sectional spectra of BSBCz. The emission spectra of the distributed feedback laser were measured from the BSBCz neat film on E th . (D) Triplet absorption spectra were measured in solutions containing BSBCz under argon. (E) Excitation force dependence of transient absorption spectra in solution (BSBCz in dichloromethane and benzophenone in benzene).
Figure 28. (A) A diagram showing the divergence of the emitted beam of a distributed feedback laser at (B) near the threshold and (C) above the threshold. The active gain medium was a BSBCz:CBP (20:80 wt%) membrane. The device was pumped in a long pulse region (10 ms excitation).
Figure 29. (A) Emission spectrum as a function of polarization angle and (B) Emission intensity as a function of polarization angle. The apparatus was based on a BSBCz:CBP (20:80 wt%) blend and used mixed-order distributed feedback grating. The pumping intensity was 200 Wcm -2 and the pump pulse duration was 800 μs. Note that 0o corresponds to the direction parallel to the groove of the distributed feedback grating.
Figure 30. Emission spectra, laser power intensity and FWHM of encapsulated mixed-order blend devices as a function of pumping intensity for long pulse excitation widths of (A, B) 1 μs and (C, D) 800 μs.
Figure 31. Streak camera image showing laser emission from (A) sapphire or (B) mixed-order blend BSBCz:CBP (20:80 wt%) dispersive feedback device encapsulated with (B) glass lid. (C) Emission spectra of devices encapsulated in glass leads for various pulse widths with a pumping intensity of 2.0 kWcm −2 . The emission spectrum broadens as the pulse width increases, which can be explained by a significant increase in the threshold of laser operation with this pulse width. For example, for pulse widths of 2 and 3 ms, the device operates below the laser operating threshold. (d) Laser motion threshold (E th ) measured as a function of excitation pulse width in a distributed feedback device encapsulated in sapphire or glass leads. The dotted line is the reference line for the eye.
Figure 32. Laser microscopy images of an unencapsulated blend mixed-order dispersive feedback laser before (A) irradiation and (B) after irradiation with 100 excitation pulses of 1 ms in width. The thickness profile of the inset in (B) shows that the organic thin film is removed during high-density continuous wave irradiation. The pumping intensity was 200 Wcm -2 . Streak camera images in (C) and (D) show release from encapsulated and non-encapsulated blends under the same irradiation conditions (1 ms pulse width, 200 Wcm −2 pumping intensity, and integration of 100 or more streak camera images). shows
Fig. 33. Structure of a distributed feedback organic laser.
Fig. 34. (a) Structure of a three-layer slab waveguide. (b) Effective refractive indices (n eff ) for TE and TM modes as a function of film thickness d at laser operating wavelength 477 nm.
Figure 35. Numerically calculated (solid line) and Fano-profile fit (dashed line) reflection spectra under normal incidence TE polarization for different values of film thickness.
Fig. 36. (a) Experimental laser emission spectra of fabricated laser devices with different d f . (b) Experimental laser operating wavelength and calculated resonant wavelength.
Figure 37. (a) E th (square), Q-factor extracted from numerical computation, QFEM-calculation (triangle), Fano fit, QFano fit (star), Γ ( Plot in circle), (b) calculated from experimental FWHM of laser emission and Fano resonance.
Fig. 38. Schematic of the geometry used for thermal simulation.
Fig. 39. Maximum temperature at the end of each pulse.
Figure 40. Temperature rise as a function of time with different pulse widths of (A) 1 ms, (B) 10 ms, (C) 30 ms and (D) 40 ms in the gain domain.
Figure 41. Temperature rise with time for a pulse width of 10 ms in encapsulated and non-encapsulated devices.
Fig. 42. Temperature rise as a function of time or the number of pulses τ p of 30 ms in the gain domain.
Figure 43. Schematic diagram of the distributed feedback grating of an electrically driven organic semiconductor distributed feedback laser diode and the method used to fabricate the organic laser diode. The different successive steps include sputtering a 100 nm thick SiO 2 layer on top of the patterned ITO electrode, fabricating a distributed feedback resonator structure in SiO 2 by electron beam lithography and dry etching, and organic semiconductor thin film and top thermal evaporation of the electrode.
44. Schematic of the substrate after various stages of distributed feedback fabrication on ITO. (A) Patterned ITO after (B) sputtering of SiO 2 on ITO, (C) after dispersive feedback on ITO, and (D) after dispersive feedback structure is prepared.
45. Schematic diagram of a method for fabricating a nanoimprint distributed feedback grating. The different successive steps include preparing a 70 nm thick polymer layer on top of a patterned ITO electrode, followed by fabricating a dispersive feedback resonator structure in polymer at low cost by a simple nanoimprint lithography process.
Fig. 46. Structural characteristics of a mixed-order distributed feedback resonator used in an organic laser diode.
(A) Laser microscopy and (B) SEM images (5000X and 200000X magnification (in inset)) of a mixed-order distributed feedback SiO 2 grating structure prepared on top of an ITO patterned glass substrate. (C, D) EDX and SEM analysis of mixed-order distributed feedback gratings prepared on top of ITO. These images confirm the exposure of the ITO to contact with the device.
Fig. 47. Structure and characteristics of an electrically driven organic semiconductor distributed feedback laser.
(A) Schematic and energy level diagram of an organic semiconductor laser diode. (B) Micrographs of organic dispersive feedback laser diodes and (C) DC-operated and non-DC-operated reference devices (OLEDs without gratings) at 4 V. The device area is 140 x 200 μm. (D) current density-voltage (JV) curves and (E) external quantum efficiency-current density (EQE-J) curves measured in a reference OLED device and organic dispersive feedback laser diode under direct current and pulsed operation.
Figure 48. Energy level diagrams of (a) electron-only devices, (b) hole-only devices, and (c) bipolar devices.
Figure 49. (a) Reported (symbol) and fitted (solid line) mobility for a Pool-Frankel field dependent model (solid line) of holes (blue) and electrons (red) for BSBCz. (b) Experimental (symbol) and simulated (solid line) J(V) curves for hole-only devices (blue), electron-only devices (red) and bipolar devices (black).
Figure 50. SEM (A, B) surface morphology images and (C, D) cross-sectional images of the laser diode structure after deposition of all layers.
51. Schematic diagram of some possible configurations of an organic semiconductor laser diode. Dispersive feedback resonator structures (second and mixed order gratings) were fabricated on (A) SiO 2 by electron beam lithography and dry etching, (B) in ITO by electron beam lithography and dry etching, and (C) nanoimprint lithography process. It could be fabricated from the polymer on top of the patterned ITO electrode, or (D) on top of the active layer by nanoimprint lithography.
Figure 52. Schematic diagram of an organic semiconductor laser diode with a two-dimensional distributed feedback resonator structure (second and mixed-order gratings) for a 2D-dispersive feedback laser.
Fig. 53. (AD) Micrographs of organic distributed feedback laser diodes with and without DC operating at 4 V (devices A and B were prepared with a distributed feedback structure with 36 second cycles surrounded by 324 first cycles and The devices in D and C were prepared with a repeating structure of 4 secondary cycles surrounded by 12 primary cycles). The device area is 30 x 101 μm. (E) Electrically driven organic semiconductor distributed feedback lasers collected perpendicular to the substrate plane for different injected current densities (the grating periods of this device for primary and secondary were 140 nm and 280 nm, respectively) The emission spectrum of and (F) the output intensity as a function of current density.
Figure 54. Electroluminescence and PL spectra of BSBCz (black-PL spectra, red EL spectra of the reference device, and blue EL spectra with grating below the laser operating threshold).
Fig. 55. Laser operating characteristics of an electrically driven organic semiconductor distributed feedback laser diode.
Emission spectra of an electrically driven organic semiconductor distributed feedback laser (the grating periods of this device for the 1st and 2nd order were 140 nm and 280 nm, respectively) collected perpendicular to the substrate plane for different injected current densities. and (B) its output intensity as a function of current density. (C) Emission spectra and (D) output intensity versus current density obtained from organic dispersive feedback laser diodes using primary and secondary grating periods of 150 nm and 300 nm, respectively.
Fig. 56. Laser operating characteristics of an electrically driven organic semiconductor distributed feedback laser diode.
(A) Emission of electrically driven organic semiconductor distributed feedback lasers (the grating periods of the primary and secondary devices were 140 nm and 280 nm, respectively) collected perpendicular to the substrate plane for different injected current densities. spectrum, and (B) its power density as a function of current density.
Figure 57. (A) Current density-voltage (JV) curves with and without distributed feedback. Devices with distributed feedback have grating periods for the first and second orders of 150 nm and 300 nm, respectively. (B) External quantum efficiency versus current density in an electrically driven organic dispersive feedback solid-state laser without dispersive feedback under a 500 ns pulse.
Fig. 58. SEM images (A, B, C, D and E) of mixed-order gratings with different number of cycles in the first and second domains. (F) Table of mixed-order gratings with different number of cycles in the first and second domains for design distributed feedback.
Fig. 59. (A) Laser spectra of mixed-order gratings with different number of cycles. The number of cycles at the top of each graph corresponds to the number of secondary cycles, and the number of primary cycles can be confirmed in FIG. 58 . The bottom graph shows the output characteristics of the device. (B) Critical energy of mixed-order grating laser for different number of cycles in the secondary region. In the case of optical pumping, the use of 4 and 12 cycles in the 1st and 2nd regions, respectively, represents the lowest threshold. The optical pumping source was a nitrogen laser emitting 0.8 ns wide pulsed excitation at a repetition rate of 20 Hz and a wavelength of 337 nm. Emissions from the laser device were collected in a direction perpendicular to the substrate plane.
Fig. 60. (A) SEM images of mixed-order gratings with 12 and 4 cycles, respectively, in the first and second regions. (B, C) Organic distributed feedback laser diodes with and without DC operating at 5 V. The device area is 2.9 x 10 μm. (D) Emission spectrum for a reference OLED.
Figure 61. (A) Schematic diagram of the experimental apparatus for examining the polarization of the laser. (B) below the laser operating threshold (at 415 Acm -2 ), (C) above the laser operating threshold (at 823 Acm -2 ), and reference (at 800 Acm -2 , no distributed feedback) of a distributed feedback laser diode , and (E) polarization dependence of the EL spectrum on the EL intensity as a function of polarization angle. The EL is polarized in the plane of the device (TE mode).
Figure 62. (A) Schematic diagram of OLED structure with distributed feedback. (B) Microscopy image of dispersive feedback on an ITO substrate with a device area of 560 x 800 μm. (C) optical pump output intensity of a dispersive feedback laser as a function of excitation density; Excitation with a continuous wave laser at 405 nm.
Figure 63. (A, B) Micrographs of organic dispersive feedback laser diodes with and without direct current operating at 4 V and (C, D) reference device (OLED without grating).
64. A laser microscope image of an annular mixed-order distributed feedback grating structure prepared using SiO 2 on an ITO patterned substrate.
Figure 65. Microscopy images of an organic annular dispersive feedback laser with and without driving. Current density-voltage (JV) curves for devices with and without annular distributed feedback. External quantum efficiency versus current density in OLEDs with and without distributed feedback.
Figure 66. (a) Schematic of a distributed feedback grating OLED and (b) experimental (symbol) and simulated (solid line) J(V) curves for a distributed feedback grating and reference OLED.
Figure 67. Spatial distribution of charge carrier density, n, p and electric field F at (a) 10 V and (b) 70 V.
Figure 68. Diagram of spatial distribution of hole density at (a) 70 V, p, (b) electron density, n, (c) n, p incision in 2D cross section at y of 0.11 μm.
Figure 69. Plot of the profile of (a) electric field F, and (b) current density J at 70 V.
Figure 70. Profile recombination rate R for the distributed feedback device at 0.10 μm y of the distributed feedback device, (b) R of the reference device, (c) R of the cut line of the 2D section, and (d) Figures of incisions n, p of the 2D section at 0.164 μm y of the distributed feedback device at 70 V.
Figure 71. (a) S(J) characteristics with and without EFQ and EFQ for a reference device with different E b and (b) distributed feedback and E b of 0.6 eV of (a) reference device.
Figure 72. Excitons at 70 V (a) inside a reference device with and without EFQ, (b) inside a distributed feedback device without EFQ, (b) inside a distributed feedback device with EFQ Distribution.
Figure 73. Exciton density distribution inside a distributed feedback device without quenching (top left), with EFQ (bottom left), with PQ (top right), with PQ and EFQ (bottom right).
Figure 74. Air/BSBCz/SiO 2 inside a distributed feedback device (top left), optical density distribution of air/BSBCz/SiO 2 /ITO (top right) and real device Al/Ag/MoO 3 /BSBCz/SiO 2 /ITO (bottom).
Figure 75. (a) Chemical structure of an octafluorene derivative. (b) Absorption and steady-state PL spectra measured at room temperature on spin-coated octafluorene neat films. The excitation wavelength for the measurement of the PL spectrum was 376 nm. A photograph of the octafluorene knit membrane under ultraviolet illumination is shown in the inset. (c) Typical and atypical optical constants (k and n) of octafluorene neat films measured by variable incidence angle spectroscopic ellipticity. The film thickness was about 75 nm.
Figure 76. (a) absorption and (b) steady-state PL spectra of blend films containing 10 and 20 wt% of octafluorene in CBP host. The excitation wavelength used for the emission spectra was 424 nm for both films.
77. PL attenuation measured on octafluorene neat membranes and on blend membranes containing 10 and 20 wt% octafluorene in the CBP host. The excitation wavelength was 365 nm.
Fig. 78. Experimental and simulated elliptically polarized reflection data ψ and Δ measured at various angles of incidence on spin-coated octafluorene knit films.
Figure 79. (a) Schematic of the experimental setup used to characterize the ASE properties of organic thin films. (b) Emission spectra of a 260 nm thick octafluorene neat film collected from the edges of the organic layer for different excitation intensities below and above the ASE threshold. The steady-state PL spectrum is indicated by the dashed line. A photograph of the octafluorene knit film under strong light irradiation is shown in the inset. (c) Output intensity from the edge of a 260 nm thick film (integrated for all wavelengths) as a function of excitation density. (d) ASE threshold according to octafluorene knit film thickness. The excitation wavelength was 337 nm.
Figure 80. Output intensity from the edge of the organic layer (integrated for all wavelengths) as a function of excitation density of different octafluorene neat films with varying thicknesses in the range of 53 to 540 nm. These data were used to examine the thickness dependence of the ASE threshold shown in Fig. 2d.
81. ASE intensity plotted against the distance between the pump stripe and the edge of a 260 nm thick octafluorene knit membrane. The solid line corresponds to the fit obtained from a single exponential decay function to determine the loss factor.
82. Temporal decay of emission intensity above the ASE threshold in a 260 nm thick octafluorene neat film placed in an air or nitrogen base layer. The pumping intensity was 873 μJ/cm 2 and 10 Hz.
Figure 83. (a) Schematic of the experimental setup used to characterize the properties of an octafluorene dispersive feedback laser. (b) SEM image of the mixed-order distributed feedback grating used in this operation. (c) Emission spectra of a distributed feedback laser based on an octafluorene neat film collected perpendicular to the substrate plane for different excitation intensities below and above the laser operating threshold. (d) The output intensity of the distributed feedback laser as a function of excitation density.
Figure 84. (a) Schematic diagram of the OLED structure used in this study. The highest occupied molecular orbital (HOMO) and lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) for organic materials used in these devices are also provided. (b) External quantum efficiency versus current density in OLEDs based on octafluorene neat films and CBP blend films.
Figure 85. Determination of the ionization potential of octafluorene in neat membranes using photoelectron spectroscopy in air. Considering the optical bandgap value determined from the absorption spectrum of the neat film, the electron affinity of octafluorene in the knit film was approximated. It is important to note, however, that Koopmans' theorem that the perpendicular ionization potential is equal to the calculated absolute value of the HOMO energy is often not satisfied because of the relaxation process during the ionization process and electron correlation. The optical bandgap is usually different from the actual electron gap, but the ion affinity and LUMO can be approximated from the difference between the ionization potential and the optical bandgap value.
Figure 86. (a) Electroluminescence (EL) spectrum measured at a current density of 10 mA/cm 2 and (b) JVL curve in OLED based on octafluorene neat film and CBP blend film.
Fig. 87. Continuous wave ASE in an octafluorene neat film.
Fig. 88. Continuous wave ASE in an octafluorene neat film.

[1] 연속파 유기 박막 분산형 피드백 레이저[1] Continuous Wave Organic Thin Film Dispersive Feedback Laser

유기 고체 레이저의 발견 이후[1-6], 작은 분자, 올리고머 및 중합체를 포함하는 유기 재료에서의 연속파 레이저 동작을 개발하기 위해 많은 노력을 기울여왔다.[ 7-10] 그러나, 매우 높은 반복률 (준 연속파 여기)에서 광학 연속파 여기 또는 펄스 여기 하의 유기 고체 레이저를 작동시키는 것은 굉장한 도전인 것이다. 유기막이 이러한 조건 하에서 광학적으로 펌핑될 때, 장주기 삼중항 엑시톤 및 전하 캐리어의 축적이 통상적으로 발생하여,[ 11-14] 삼중항 엑시톤 형성에 의해 흡수 손실을 증가시키고 및 삼중항 엑시톤에 의해 단일 엑시톤을 ??칭시킨다 (즉, 단일-삼중항 소멸).[11-16] 이러한 흡수 손실과 방출 ??칭은 레이저 동작 임계를 극적으로 증가시키고 최악의 경우 레이저 동작을 완전히 정지시키기 때문에 연속파 및 준 연속파 작동을 달성시키는데 해결되어야 할 중요한 문제이다.[ 17-19] 흡수 손실 및 방출 ??칭을 억제하기 위해 유기막에서의 산소와 같은 삼중항 ??처,[ 15,16] 시클로옥타테트라엔,[ 20] 또는 안트라센 유도체[19]의 혼합이 제안되었다. 그러나, 숄스(Schols) 등[20]에 의해 제안된 바와 같이, 삼중항 ??처에 필요한 것은 낮은 삼중항 에너지, 짧은 삼중항 수명, 및 단일 및 삼중항 상태 에너지들 사이의 큰 차이이며, 레이저 동작을 방해하지 않으면서 이들 조건을 충족시키는 적절한 삼중항 ??처를 발견하기 어렵게 만들고 있다. 라베(Rabe) 등은 삼중항 ??처없이 12% (BN-PFO)의 6,6'-(2,2'-옥틸옥시-1,1'-비나프탈렌)비나프틸 스페이서 기를 함유하는 폴리(9,9-디옥틸플루오렌) 유도체에서 5 MHz의 반복률로 준 연속파 작동을 입증해내었다.[9] 이러한 높은 반복률은 BN-PFO에서 방출과 삼중항 흡수 사이의 작은 스펙트럼 중첩때문에 얻어질 수 있다.[ 10] 따라서, 낮은 임계를 가지는 연속파 및 준 연속파 레이저 동작을 실현하기 위해서는 여기 상태 흡수 및 방출간에 스펙트럼 중첩이 적은 유기 레이저 염료를 개발하는 것이 중요하다.Since the discovery of organic solid-state lasers [1-6] , much effort has been devoted to developing continuous-wave laser operation in organic materials, including small molecules, oligomers and polymers. [ 7-10] However, operating an organic solid-state laser under optical continuous-wave excitation or pulsed excitation at very high repetition rates (quasi-continuous-wave excitation) is a great challenge. When organic films are optically pumped under these conditions, accumulation of long-period triplet excitons and charge carriers typically occurs, [ 11-14] increasing absorption losses by triplet exciton formation and single excitons by triplet excitons. (ie, single-triplet annihilation). [11-16] These absorption losses and emission quenching are important problems to be solved in achieving continuous-wave and quasi-continuous-wave operation because they dramatically increase the laser operation threshold and, in the worst case, completely stop the laser operation. [ 17-19] Mixing of triplet catalysts such as oxygen in organic films, [ 15,16] cyclooctatetraenes, [ 20] or anthracene derivatives [19] to suppress absorption loss and emission quenching This has been suggested. However, as suggested by Schols et al. [20] , what is required for triplet dislocation is low triplet energy, short triplet lifetime, and large differences between singlet and triplet state energies, and the laser It makes it difficult to find a suitable triplet anchor that satisfies these conditions without interfering with operation. Rabe et al. disclose a poly containing 12% (BN-PFO) of 6,6′-(2,2′-octyloxy-1,1′-binaphthalene)binaphthyl spacer groups without triplet A quasi-continuous wave operation with a repetition rate of 5 MHz was demonstrated in the (9,9-dioctylfluorene) derivative. [9] This high repetition rate can be obtained because of the small spectral overlap between emission and triplet absorption in BN-PFO. [ 10] Therefore, it is important to develop organic laser dyes with little spectral overlap between excited state absorption and emission to realize continuous wave and quasi-continuous wave laser operation with low threshold.

본 그룹에서는 전기적으로 펌핑된 유기 레이저 다이오드를 실현하기 위해 많은 유기 재료의 광학 및 자연증폭방출 (ASE) 특성을 지속적으로 조사해왔다.[ 21-27] 그 중 4,4'-비스[(N-카르바졸)스티릴]비페닐 (BSBCz)은 가장 유망한 후보중 하나인데, 화학구조가 도 1a에 도시되어 있는 6 wt% BSBCz와 블렌드된 호스트 재료 4,4'-비스(N-카르바졸일)-1,1'-비페닐 (CBP)의 진공 증착 막이 거의 100%의 높은 포토루미네선스 양자 수율 (ΦPL)과 약 1.0 ns의 짧은 PL 수명 (τPL)과 같은 우수한 광학 및 ASE 특성을 가지고 있어서 약 109 s-1의 큰 복사 손실 상수 (kr)와 약 0.3 μJcm-2의 낮은 ASE 임계 에너지를 가지기 때문이다.[ 23,26] 이 논문에서는 이러한 BSBCz:CBP 블렌드막을 기반으로 하는 분산형 피드백 장치에서의 준 연속파 면 발광 레이저 동작을 보고하고 있다. 이러한 레이저 장치에서는 유기 박막 시스템을 기반으로 하는 준 연속파 레이저에 대해 지금껏 보고된 가장 높은 반복률 (최대 8 MHz)과 최저 임계 (0.25 μJ cm-2 정도)를 얻었다. 본 블렌드막에서는 ΦPL이 높고 BSBCz의 방출과 삼중항 흡수 사이에 중대한 스펙트럼 중첩이 없기 때문에 삼중항 ??처의 혼입이 필수적인 것은 아니다.[ 24] In this group, the optical and spontaneous amplified emission (ASE) properties of many organic materials have been continuously investigated to realize electrically pumped organic laser diodes. [ 21-27] Among them, 4,4'-bis[(N-carbazole)styryl]biphenyl (BSBCz) is one of the most promising candidates, 6 wt% BSBCz and Vacuum deposited films of the blended host material 4,4'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl (CBP) exhibited high photoluminescence quantum yield (ΦPL) of nearly 100% and approximately 1.0 ns This is because it has excellent optical and ASE properties such as a short PL lifetime ( τPL ) of [ 23,26] In this paper, we report the operation of a quasi-continuous wave front-emitting laser in a distributed feedback device based on such a BSBCz:CBP blend film. In this laser device, the highest repetition rate (up to 8 MHz) and the lowest threshold (on the order of 0.25 μJ cm -2 ) reported so far for quasi-continuous wave lasers based on organic thin film systems were obtained. Incorporation of triplet junctions is not essential in this blend film, as ΦPL is high and there is no significant spectral overlap between emission and triplet absorption of BSBCz. [ 24]

DFB 구조에서, 레이저 진동은 다음의 브래그 조건이 충족될 때 발생한다: mλBragg = 2neffΛ, 여기서 m은 회절 차수, λBragg는 브래그 파장, neff는 게인 매체의 유효 굴절률, 및 Λ는 그레이팅의 주기이다.[ 28,29] 2차 모드 (m = 2)를 고려할 때, 그레이팅 주기는 BSBCZ에 대해 보고된 neff 및 λBragg를 사용하여 Λ가 280 nm인 것으로 계산된다.[ 21,22] 280 nm의 Λ를 가지는 그레이팅은 도 1b에 도시된 바와 같이 기판 평면에 수직 방향으로 면 발광 레이저 동작을 제공한다. 2차 그레이팅이 일반적으로 1차 그레이팅에 비해 높은 레이저 동작 임계를 유도하지만, 2차 그레이팅을 사용하는 면 발광 레이저 동작은 동일한 면 발광을 보이는 유기 발광 다이오드 구조를 가지는 전기적으로 펌핑된 유기 레이저 다이오드의 제조에 적합하다.[ 30,31] 전자빔 리소그래피와 반응성 이온 에칭을 사용하여, 5 X 5 mm2 면적에 대해 그레이팅을 이산화규소 표면에 직접 새겨 넣었다 (도 1c). 도 1d 및 1e는 이 연구에서 제조된 대표적인 그레이팅의 SEM 영상을 도시한다. SEM 영상으로부터 본 사양과 완벽하게 일치하는 280 2 nm의 Λ 및 70±5 nm의 그레이팅 깊이 d를 얻었다. 레이저 장치를 제조하기 위해 두께 200 nm의 6 wt% BSBCz:CBP 블렌드막 또는 BSBCz 니트막을 진공 증착에 의해 그레이팅 위에 마련하였다.In a DFB structure, laser oscillation occurs when the following Bragg condition is met: mλ Bragg = 2n eff Λ, where m is the diffraction order, λ Bragg is the Bragg wavelength, n eff is the effective refractive index of the gain medium, and Λ is the grating is the cycle of [ 28,29] Considering the second-order mode (m = 2), the grating period is calculated to be Λ of 280 nm using n eff and λ Bragg reported for BSBC Z. [ 21,22] A grating with a Λ of 280 nm provides a surface emitting laser motion in the direction perpendicular to the substrate plane as shown in Fig. 1b. Although secondary gratings generally lead to higher laser operation thresholds compared to primary gratings, surface emitting laser operation using secondary gratings can be used to produce electrically pumped organic laser diodes with organic light emitting diode structures exhibiting the same surface emission. suitable for [ 30,31] Using electron beam lithography and reactive ion etching, gratings were directly etched into the silicon dioxide surface for an area of 5 X 5 mm 2 (Fig. 1c). 1D and 1E show SEM images of representative gratings prepared in this study. From the SEM image, a Λ of 280 2 nm and a grating depth d of 70±5 nm were obtained, which perfectly match this specification. To fabricate a laser device, a 6 wt% BSBCz:CBP blend film or BSBCz neat film with a thickness of 200 nm was prepared on the grating by vacuum deposition.

우선, 20 Hz에서 0.8 ns 폭의 펄스 여기 하에 질소 가스 레이저로부터 DFB 시스템의 면 발광 레이저 동작 특성을 조사하였다. 이러한 337 nm의 파장을 가지는 여기 광은 주로 블렌드막에서 CBP에 의해 흡수된다. 그러나, CBP 방출과 BSBCz 흡수 사이의 큰 스펙트럼 중첩은 두 분자 사이의 효율적인 포르스터 유형의 에너지 전달을 확보하게 한다 (도 1f).[ 26] 따라서 높은 여기 하에서도 CBP로부터 어떠한 방출도 관찰하지 못했다. 도 2a 및 도 2b는 서로 다른 여기 강도에서 레이저 장치, (a) BSBCz:CBP 및 (b) 니트 BSBCz막으로부터 측정된 방출 스펙트럼을 도시한다. 특정 여기 광 세기에 대해, 두 장치 모두 매우 좁은 피크로 레이저 동작 방출을 보였다. 동일 기판 위에 그레이팅이 없는 영역으로부터의 면 발광 레이저 동작이 없다는 것을 확인하였다. τPL과 반치전폭 (FWHM)은 본 레이저 장치 (도 2a와 2b)에서 Eth에 대해 높은 여기 에너지 하에서 유도 방출[32-35] 때문에 크게 감소되는 것으로 밝혀졌으며, 그레이팅이 잘 작동하여 면 발광으로서 도파관 막으로부터 광을 아웃커플링시킨다는 것을 나타낸다. 낮은 여기 강도 (도 2a 및 2b의 삽도)에서 측정된 방출 스펙트럼에서 블렌드막에 대해서는 약 478 nm 및 니트막에 대해서는 474 nm에서 브래그 딥이 관찰되었다. 브래그 딥은 그레이팅에 의한 도파관 광의 전파의 억제 때문이며 도파관 모드용 포토닉스 정지 대역으로서 예상될 수 있다.[ 36] 레이저 동작은 브래그 딥의 짧은 파장 가장자리에서 발생한다 (블렌드막에 대해서는 477 nm 및 니트막에 대해서는 473 nm). 브래그 딥 위치들이 차이가 나는 것은 아마도 블렌드막 및 니트막의 굴절률이 서로 다르기 때문일 것이다. 여기 강도가 증가함에 따라 방출 강도가 선형적으로 증가하게 되며 그 후 블렌드막에 대해서는 0.30 nm 미만으로 및 니트막에 대해서는 0.40 nm 미만으로 FWHM이 감소하면서 레이저 동작용으로 증폭되기 시작한다 (도 2c 및 2d 참조). 방출 강도에 맞는 두 직선의 교차점으로부터 측정된 레이저 동작 임계 에너지 (Eth)는 블렌드막에 대해서는 Eth가 0.22 μJcm-2이고 니트막에 대해서는 Eth가 0.66 μJcm-2이었으며 275 및 825 Wcm-2의 동력밀도에 대응하는 것이다. 이들 값은 그레이팅의 우수한 품질 때문에 그레이팅 없이 375 및 1625 Wcm-2의 ASE 임계 동력 밀도보다 낮은 것이다.[ 23,26] 얻어진 Eth 값은 모든 준 연속파 유기 박막 레이저에서 보고된 가장 낮은 값이다. 니트막에서보다 블렌드막에서 더 낮은 Eth는 농도 ??칭이 억제되기 때문에 니트막 (76%)보다 블렌드막 (98%)에 대한 ΦPL이 더 높기 때문이다.[ 36] 일반적으로 Eth와 레이저 게인은 ΦPL에 반비례한다.[37,38] First, the operating characteristics of the surface emitting laser of the DFB system from a nitrogen gas laser under pulse excitation of 0.8 ns width at 20 Hz were investigated. This excitation light having a wavelength of 337 nm is mainly absorbed by CBP in the blend film. However, the large spectral overlap between CBP emission and BSBCz absorption ensures efficient Forster-type energy transfer between the two molecules (Fig. 1f). [ 26] Therefore, no emission from CBP was observed even under high excitation. Figures 2a and 2b show emission spectra measured from laser devices, (a) BSBCz:CBP and (b) neat BSBCz films at different excitation intensities. For a particular excitation light intensity, both devices showed laser-driven emission with very narrow peaks. It was confirmed that there was no surface emission laser operation from the area without grating on the same substrate. It was found that τPL and full width at full width at half maximum (FWHM) are greatly reduced due to stimulated emission [32–35] under high excitation energy for E th in the present laser device (Figs. It indicates that light is outcoupled from the film. In emission spectra measured at low excitation intensities (insets in FIGS. 2A and 2B ), Bragg dips were observed at about 478 nm for the blend film and 474 nm for the neat film. The Bragg dip is due to suppression of propagation of waveguide light by the grating and can be expected as a photonics stopband for waveguide mode. [ 36] The laser action occurs at the short-wavelength edge of the Bragg dip (477 nm for the blend film and 473 nm for the neat film). The difference in the Bragg dip positions is probably because the refractive indices of the blend film and the knit film are different from each other. The emission intensity increases linearly with increasing excitation intensity and then begins to be amplified for laser operation as the FWHM decreases to less than 0.30 nm for the blend film and less than 0.40 nm for the neat film (Fig. 2c and see 2d). The laser motion threshold energies (E th ) measured from the intersection of two straight lines fitted to the emission intensity were 0.22 μJcm -2 for the blend film and 0.66 µJcm -2 for the neat film, and 275 and 825 Wcm -2 for the neat film. It corresponds to the power density of These values are lower than the ASE critical power densities of 375 and 1625 Wcm -2 without grating because of the good quality of the grating. [ 23,26] The obtained E th values are the lowest values reported for all quasi-continuous wave organic thin-film lasers. The lower E th in the blend film than in the neat film is because ?PL is higher for the blend film (98%) than the neat film (76%) because concentration quenching is suppressed. [ 36] In general, E th and laser gain are inversely proportional to ΦPL. [37,38]

본 장치는 Ti 사파이어 레이저로부터의 365 nm의 파장 및 10 ps의 폭을 가지는 광 펄스를 사용하여 준 연속파 모드로 작동되었다. 도 3은 레이저 동작 파장에서 BSBCz:CBP 블렌드막에서의 레이저 진동 및 대응하는 레이저 강도의 시간변화의 스트리크 카메라 영상을 도시한다. 여기 광 강도는 약 0.44 μJcm-2로 고정되어 Eth보다 약 2 배 높았다. 0.01 MHz의 반복률에서는, 레이저 동작 진동은 100 μs 간격으로 관찰되었다. 더 높은 반복률에서는 레이저 진동들 사이의 시간 간격이 단축되었다. 인접한 레이저 진동은 500 μs의 넓은 시간 범위에 대해 8 MHz에서 연속적으로 나타나고 있다 (도 3a 및 3b); 그러나 125 ns 간격의 개별 레이저 진동은 여전히 8 MHz에서도 2 μs의 짧은 시간 범위 동안 식별될 수 있었다 (도 3c). 유사한 준 연속파 작동이 BSBCz 니트막에서도 가능하다는 것이 확인되었다.The device was operated in quasi-continuous wave mode using light pulses with a wavelength of 365 nm and a width of 10 ps from a Ti sapphire laser. Fig. 3 shows a streak camera image of the laser oscillation and the time change of the corresponding laser intensity in a BSBCz:CBP blend film at the laser operating wavelength. The excitation light intensity was fixed at about 0.44 μJcm −2 , which was about two times higher than that of E th . At a repetition rate of 0.01 MHz, laser motion oscillations were observed at intervals of 100 μs. At higher repetition rates, the time interval between laser oscillations was shortened. Adjacent laser oscillations appear continuously at 8 MHz for a wide time range of 500 μs (Figs. 3a and 3b); However, individual laser oscillations at intervals of 125 ns could still be discerned for a short time span of 2 μs even at 8 MHz (Fig. 3c). It was confirmed that a similar quasi-continuous wave operation is possible with the BSBCz neat membrane.

블렌드막과 니트막을 가지는 두 레이저 장치들의 방출 강도는 도 3에 도시된 바와 같이 최대 8 MHz로 거의 일정하였다. 이러한 최대 반복률은 지금까지 보고된 최고치이며 삼중항 엑시톤 형성으로 인해 흡수 손실과 방출 ??칭이 작기 때문인 것으로 간주되고 있다. BSBCz의 ΦPL은 매우 높아서 계간 교차를 통해, 특히 블렌드막에 대해 삼중항 엑시톤의 발생을 최소화시킨다. 또한, 방출 및 삼중항 흡수 사이의 스펙트럼 중첩은 무시될 수 있는 것이어서 단일 및 삼중항 엑시톤들 사이의 충돌 가능성을 감소시킨다. 레이저 장치가 80 MHz (본 장치에서 가능한 가장 높은 주파수)에서 작동할 때, 방출 강도는 급격히 감소했으며, 급격한 재료 열화로 인해 명확한 레이저 동작 임계를 추정하는 것이 불가능하였다. 또한, 80 MHz에서 관찰된 방출 피크의 FWHM은 더 낮은 주파수에서 방출 피크의 FWHM의 약 2 배이다. 본 단계에서는 이것이 레이저 동작인지는 확실하지 않다.The emission intensity of the two laser devices having a blend film and a neat film was almost constant at a maximum of 8 MHz as shown in FIG. 3 . This maximum repetition rate is the highest reported so far and is believed to be due to the small absorption loss and emission quenching due to triplet exciton formation. The ΦPL of BSBCz is very high, which minimizes the occurrence of triplet excitons through intersystem crossing, especially for blend films. In addition, the spectral overlap between emission and triplet absorption is negligible, reducing the likelihood of collisions between singlet and triplet excitons. When the laser device was operated at 80 MHz (the highest frequency possible in the device), the emission intensity decreased sharply, and it was impossible to estimate an unambiguous laser operating threshold due to the rapid material degradation. Also, the FWHM of the emission peak observed at 80 MHz is about twice that of the emission peak at lower frequencies. At this stage, it is not clear whether this is a laser operation.

도 4a는 블렌드막 및 니트막에 대한 반복률에 따른 레이저 동작 임계의 도표를 도시한다. 흥미롭게도, 레이저 동작 임계는 무시할 수 있는 흡수 손실과 방출 ??칭으로 인해 블렌드막의 반복률과 거의 무관하였다. 그러나, 니트막의 경우, 반복률이 증가함에 따라 점차적으로 임계가 증가된 것이 관찰되었다. 임계의 점진적 증가에 대한 정확한 이유는 알려져 있지 않으며, 따라서 이러한 관찰을 명확히 하기 위해 추가 연구가 필요하다.Figure 4a shows a plot of the laser operation threshold as a function of repetition rate for a blend film and a neat film. Interestingly, the laser motion threshold was almost independent of the repetition rate of the blend film due to negligible absorption loss and emission quenching. However, in the case of the knit membrane, it was observed that the criticality gradually increased as the repetition rate increased. The exact reason for the gradual increase in threshold is not known, and therefore further studies are needed to clarify this observation.

장치가 8 MHz에서 지속적으로 작동될 때 레이저 동작 진동의 작동 안정성을 조사하였다 (도 4b). 방출 강도는 시간에 따라 점차적으로 감소했다. 변화는 비가역적이었으며 재료의 광학적 열화를 의미한다. 방출 강도가 초기의 90%로 감소될 때까지의 수명은 블렌드막의 경우 니트막의 480 초보다 긴 900 초였다. 더 높은 임계로 인해 블렌드막에서보다 니트막에서 레이저 동작을 얻기 위해서는 더 강한 여기 광이 필요하였다. 따라서, 광학적 열화는 니트막에서 더 빠를 것으로 예상될 수 있다. 임계를 낮추는 것은 광학적 열화를 억제하는 데 중요하다.The operational stability of the laser operating oscillations was investigated when the device was continuously operated at 8 MHz (Fig. 4b). The emission intensity gradually decreased with time. The change was irreversible and indicates optical degradation of the material. The lifetime until the emission intensity was reduced to 90% of the initial time was 900 seconds, longer than 480 seconds for the neat film for the blend film. Stronger excitation light was required to obtain laser action in the neat film than in the blend film due to the higher threshold. Therefore, the optical degradation can be expected to be faster in the neat film. Lowering the threshold is important to suppress optical degradation.

요약하면, 게인 매체로서의 BSBCz:CBP 블렌드막과 2차 그레이팅을 결합하는 DFB 레이저 장치를 제작하여 평가하였다. 준 연속파 동작 하에서 장치로부터 우수한 면 발광 레이저 동작을 얻었으며, 방출 강도와 레이저 동작 임계는 반복률과 무관하였다. 본 레이저 장치의 경우 최대 반복률은 8 MHz로서 지금까지 보고된 최고치이며 레이저 동작 임계는 약 0.25 μJcm-2이며 지금까지 보고된 최저치이다. 삼중항 엑시톤의 축적이 거의 없고 방출과 삼중항 흡수 사이의 스펙트럼 중첩이 작기 때문에 본 장치에서는 유기 박막 레이저의 제조에 일반적으로 사용되는 삼중항 ??처가 필요하지 않았다. 따라서 BSBCz가 전기적으로 펌핑된 유기 레이저 다이오드를 광학 특성면에서 최초로 구현한 가장 유망한 후보라고 여겨지고 있다. 그러나 전하 캐리어 이동도, 전하 캐리어 포획 단면 등과 같은 전기적 특성 또한 매우 중요하며 전기적으로 펌핑된 유기 레이저의 구현을 위해 추가 조사와 개선이 필요하다.In summary, a DFB laser device combining a BSBCz:CBP blend film as a gain medium and a secondary grating was fabricated and evaluated. Excellent surface-emitting laser behavior was obtained from the device under quasi-continuous wave operation, and the emission intensity and laser operation threshold were independent of the repetition rate. For this laser device, the maximum repetition rate is 8 MHz, which is the highest reported so far, and the laser operation threshold is about 0.25 μJcm -2 , which is the lowest reported so far. Because there is little accumulation of triplet excitons and the spectral overlap between emission and triplet absorption is small, the triplet antenna commonly used in the fabrication of organic thin-film lasers was not required in this device. Therefore, BSBCz is considered as the most promising candidate for the first realization of an electrically pumped organic laser diode in terms of optical properties. However, electrical properties such as charge carrier mobility and charge carrier trapping cross-section are also very important, and further investigation and improvement are needed for the realization of electrically pumped organic lasers.

실험 섹션Experiment section

1 μm 두께의 열 성장시킨 이산화규소 층으로 덮인 실리콘 기판을 중성 세제, 순수, 아세톤 및 이소프로판올을 사용하여 초음파 세척한 다음 UV-오존 처리를 하였다. 이산화규소 표면을 헥사메틸디실라잔 (HMDS)으로 4000 rpm에서 15 초 동안 스핀 코팅하여 처리하였다. 약 70nm 두께의 레지스트 층을 ZEP520A-7 용액 (ZEON Co.)으로부터 4000 rpm으로 30 초 동안 기판 위에 스핀 코팅하고 180 ℃에서 240초 동안 베이킹 하였다. 0.1 nCcm-2의 최적화된 선량을 갖는 JBX-5500SC 시스템 (JEOL)을 사용하여 레지스트 층 위에 그레이팅 패턴을 도출하기 위해 전자빔 리소그래피를 수행하였다. 전자선 조사 후, 상온에서 현상액 (ZED-N50, Zeon Co.)에서 패턴을 현상하였다. 패턴화된 레지스트 층을 에칭 마스크로 사용하였으며 기판을 EIS-200ERT 에칭 시스템 (ELIONIX)을 사용하여 CHF3로 플라즈마 에칭하였다. 기판으로부터 레지스트 층을 완전히 제거하기 위해, 기판을 FA-1EA 에칭 시스템 (SAMCO)을 사용하여 O2로 플라즈마 에칭하였다. 이산화규소 표면에 형성된 그레이팅은 주사 전자 현미경 (SU8000, Hitachi)으로 관찰되었다. 레이저 장치를 완성하기 위해, 4.0 x 10-4 Pa의 압력 하에서 0.1 내지 0.2 nms-1의 총 증발 속도의 열 증발에 의해 200 nm 두께의 6 wt% BSBCz:CBP 블렌드막과 BSBCz 니트막을 그레이팅 위에 마련하였다.A silicon substrate covered with a 1 μm-thick thermally grown silicon dioxide layer was ultrasonically cleaned using neutral detergent, pure water, acetone and isopropanol, followed by UV-ozone treatment. The silicon dioxide surface was treated by spin coating with hexamethyldisilazane (HMDS) at 4000 rpm for 15 seconds. A resist layer with a thickness of about 70 nm was spin-coated from a ZEP520A-7 solution (ZEON Co.) at 4000 rpm for 30 sec on the substrate and baked at 180 °C for 240 sec. Electron beam lithography was performed to derive a grating pattern on the resist layer using a JBX-5500SC system (JEOL) with an optimized dose of 0.1 nCcm -2 . After electron beam irradiation, the pattern was developed in a developer (ZED-N50, Zeon Co.) at room temperature. The patterned resist layer was used as an etch mask and the substrate was plasma etched with CHF 3 using an EIS-200ERT etch system (ELIONIX). To completely remove the resist layer from the substrate, the substrate was plasma etched with O 2 using a FA-1EA etching system (SAMCO). The grating formed on the silicon dioxide surface was observed with a scanning electron microscope (SU8000, Hitachi). To complete the laser device, a 200 nm thick 6 wt% BSBCz:CBP blend film and BSBCz neat film were prepared on the grating by thermal evaporation with a total evaporation rate of 0.1 to 0.2 nms -1 under a pressure of 4.0 x 10 -4 Pa. did.

레이저 작동을 위해, 질소 가스 레이저 (USHO, KEN-2020)로부터의 펄스 여기 광을 렌즈 및 슬릿을 통해 6 X 10-3 cm2 면적의 장치에 집속시켰다. 여기 파장은 337 nm, 펄스 폭은 0.8 ns, 반복률은 20 Hz이었다. 여기 광은 장치 평면에 수직 방향에 대해 약 20도로 장치에 입사되었다. 장치로부터 3 cm 떨어진 곳에 위치하는 다중채널 분광계 (PMA-50, Hamamatsu Photonics)에 연결되는 광섬유로 장치 표면에 대해 수직으로 방출된 광을 수집하였다. 여기 강도는 일련의 중립 밀도 필터를 사용하여 제어되었다. 준 연속파 동작을 위해, 모드 고정 주파수 이중 Ti 사파이어 레이저 (Millennia Prime, Spectra physics)를 사용하여 여기 파장 365 nm, 펄스 폭 10 ps, 반복률 0.01 내지 8 MHz의 여기 광을 생성하였다. 여기 광을 렌즈 및 슬릿을 통해 1.9 × 10-4 cm2 면적의 장치에 집속시켰으며, 방출된 광을 15 ps의 시간 해상도를 가지며 디지털 카메라 (C9300, Hamamatsu Photonics)에 연결되어 있는 스트리크 스코프 (C10627, Hamamatsu Photonics)를 사용하여 수집하였다. 동일한 조사 및 검출 각을 앞서 설명한 바와 같이 이 측정에서 사용하였다. 여기 면적의 크기는 빔 프로파일러 (WimCamD-LCM, DataRay)를 사용하여 신중하게 확인하였다. 모든 측정은 수분과 산소로 인한 열화를 막기 위해 질소 기층 안에서 수행되었다.For laser actuation, pulsed excitation light from a nitrogen gas laser (USHO, KEN-2020) was focused through a lens and a slit into a device with an area of 6 X 10 -3 cm 2 . The excitation wavelength was 337 nm, the pulse width was 0.8 ns, and the repetition rate was 20 Hz. The excitation light was incident on the device at about 20 degrees to the normal to the device plane. Light emitted perpendicular to the device surface was collected with an optical fiber connected to a multichannel spectrometer (PMA-50, Hamamatsu Photonics) located 3 cm away from the device. The excitation intensity was controlled using a series of neutral density filters. For quasi-continuous wave operation, excitation light with an excitation wavelength of 365 nm, a pulse width of 10 ps, and a repetition rate of 0.01 to 8 MHz was generated using a mode-fixed frequency dual Ti sapphire laser (Millennia Prime, Spectra physics). The excitation light was focused through a lens and a slit to a device with an area of 1.9 × 10 −4 cm 2 , and the emitted light was focused on a streak scope (C9300, Hamamatsu Photonics) connected to a digital camera (C9300, Hamamatsu Photonics) with a temporal resolution of 15 ps. C10627, Hamamatsu Photonics). The same irradiation and detection angles were used in this measurement as previously described. The size of the excitation area was carefully checked using a beam profiler (WimCamD-LCM, DataRay). All measurements were performed in a nitrogen atmosphere to prevent degradation due to moisture and oxygen.

0.15 mM의 CH2Cl2에 BSBCz를 함유하는 용액을 제조하고, 사용하기 전에 아르곤으로 버블링시켰다. Nd:YAG 레이저 (Quanta-Ray GCR-130, Spectra-Physics)로부터의 파장 355 nm 및 FWHM 5 ns의 제3 고조파 레이저 광을 펌프광으로 사용하였고, Xe 램프로부터의 펄스 백색광을 스트리크 카메라 (C7700, Hamamatsu Photonics)를 사용하여 용액상의 삼중항 흡수 측정을 위한 탐침광으로 사용하였다.A solution containing BSBCz in 0.15 mM CH 2 Cl 2 was prepared and bubbled with argon before use. Third harmonic laser light of wavelength 355 nm and FWHM 5 ns from Nd:YAG laser (Quanta-Ray GCR-130, Spectra-Physics) was used as pump light, and pulsed white light from Xe lamp was used as a streak camera (C7700, Hamamatsu Photonics) was used as a probe for triplet absorption measurements in solution phase.

[1] F. Hide, B. J. Schwartz, M. A.

Figure 112017078655148-pat00002
, A. J. Heeger, Chem. Phys. Lett. 1996, 256, 424.[1] F. Hide, BJ Schwartz, MA
Figure 112017078655148-pat00002
, AJ Heeger, Chem. Phys. Lett. 1996, 256, 424.

[2] F. Hide, M. A.

Figure 112017078655148-pat00003
, B. J. Schwartz, M. Andersson, Q. Pei, A. J. Heeger, Science 1996, 273, 1833.[2] F. Hide, MA
Figure 112017078655148-pat00003
, BJ Schwartz, M. Andersson, Q. Pei, AJ Heeger, Science 1996, 273, 1833.

[3] N. Tessler, G. J. Denton, R. H. Friend, Nature 1996, 382, 695.[3] N. Tessler, G. J. Denton, R. H. Friend, Nature 1996, 382, 695.

[4] M. D. McGehee, A. J. Heeger, Adv. Mater. 2000, 12, 1655.[4] M. D. McGehee, A. J. Heeger, Adv. Mater. 2000, 12, 1655.

[5] N. Tessler, Adv. Mater. 1999, 11, 363.[5] N. Tessler, Adv. Mater. 1999, 11, 363.

[6] I. D. W. Samuel, G. A. Turnbull, Chem. Rev. 2007, 107, 1272.[6] I. D. W. Samuel, G. A. Turnbull, Chem. Rev. 2007, 107, 1272.

[7] R. Bornemann, U. Lemmer, E. Thiel, Opt. Lett. 2006, 31, 1669.[7] R. Bornemann, U. Lemmer, E. Thiel, Opt. Lett. 2006, 31, 1669.

[8] R. Bornemann, E. Thiel, P. H.

Figure 112017078655148-pat00004
, Opt. Express. 2011, 19, 26383.[8] R. Bornemann, E. Thiel, P.H.
Figure 112017078655148-pat00004
, Opt. Express. 2011, 19, 26383.

[9] T. Rabe, K. Gerlach, T. Riedl, H.-H. Johannes, W. Kowalsky, J. Niederhofer, W. Gries, J. Wang, T. Weimann, P. Hinze, F. Galbrecht, U. Scherf, Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 081115.[9] T. Rabe, K. Gerlach, T. Riedl, H.-H. Johannes, W. Kowalsky, J. Niederhofer, W. Gries, J. Wang, T. Weimann, P. Hinze, F. Galbrecht, U. Scherf, Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 081115.

[10] M. Lehnhardt, T. Riedl, U. Scherf, T. Rabe, W. Kowalsky, Org. Electron. 2011, 12, 1346.[10] M. Lehnhardt, T. Riedl, U. Scherf, T. Rabe, W. Kowalsky, Org. Electron. 2011, 12, 1346.

[11] N. C. Giebink, S. R. Forrest, Phys. Rev. B 2009, 79, 073302.[11] N. C. Giebink, S. R. Forrest, Phys. Rev. B 2009, 79, 073302.

[12] M. A. Baldo, R. J. Holmes, S. R. Forrest, Phys. Rev. B 2002, 66, 035321.[12] M. A. Baldo, R. J. Holmes, S. R. Forrest, Phys. Rev. B 2002, 66, 035321.

[13] M. Lehnhardt, T. Riedl, T. Weimann, W. Kowalsky, Phys. Rev. B 2010, 81, 165206.[13] M. Lehnhardt, T. Riedl, T. Weimann, W. Kowalsky, Phys. Rev. B 2010, 81, 165206.

[14] M. A. Stevens, C. Silva, D. M. Russell, R. H. Friend, Phys. Rev. B 2001, 63, 165213.[14] M. A. Stevens, C. Silva, D. M. Russell, R. H. Friend, Phys. Rev. B 2001, 63, 165213.

[15] M. Inoue, T. Matsushima, H. Nakanotani, C. Adachi, Chem. Phys. Lett. 2015, 624, 43.[15] M. Inoue, T. Matsushima, H. Nakanotani, C. Adachi, Chem. Phys. Lett. 2015, 624, 43.

[16] L. Zhao, M. Inoue, K. Yoshida, A. S. D. Sandanayaka, J.-H. Kim, J.-C. Ribierre, C. Adachi, IEEE Quantum Electronics 2016, 22, 1, 1300209.[16] L. Zhao, M. Inoue, K. Yoshida, A. S. D. Sandanayaka, J.-H. Kim, J.-C. Ribierre, C. Adachi, IEEE Quantum Electronics 2016, 22, 1, 1300209.

[17] P. P. Sorokin, J. R. Lankard, E. C. Hammond, V. L. Moruzzi, IBM J. Res. Dev. 1967, 11, 130.[17] P. P. Sorokin, J. R. Lankard, E. C. Hammond, V. L. Moruzzi, IBM J. Res. Dev. 1967, 11, 130.

[18] O. G. Peterson, S. A. Tuccio, B. B. Snavely, Appl. Phys. Lett. 1970, 17, 245.[18] O. G. Peterson, S. A. Tuccio, B. B. Snavely, Appl. Phys. Lett. 1970, 17, 245.

[19] Y. Zhang, S. R. Forrest, Phys. Rev. B 2011, 84, 241301.[19] Y. Zhang, S. R. Forrest, Phys. Rev. B 2011, 84, 241301.

[20] S. Schols, A. Kadashchuk, P. Heremans, A. Helfer, U. Scherf, Chem. Phys. Chem. 2009, 10, 1071.[20] S. Schols, A. Kadashchuk, P. Heremans, A. Helfer, U. Scherf, Chem. Phys. Chem. 2009, 10, 1071.

[21] D. Yokoyama, M. Moriwake, C. Adachi, J. Appl. Phys. 2008, 103, 123104.[21] D. Yokoyama, M. Moriwake, C. Adachi, J. Appl. Phys. 2008, 103, 123104.

[22] H. Yamamoto, T. Oyamada, H. Sasabe, C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 1401.[22] H. Yamamoto, T. Oyamada, H. Sasabe, C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 1401.

[23] M. Inoue, K. Goushi, K. Endo, H. Nomura, C. Adachi, J. Lumin. 2013, 143, 754.[23] M. Inoue, K. Goushi, K. Endo, H. Nomura, C. Adachi, J. Lumin. 2013, 143, 754.

[24] H. Nakanotani, C. Adachi, S. Watanabe, R. Katoh, Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 231109.[24] H. Nakanotani, C. Adachi, S. Watanabe, R. Katoh, Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 231109.

[25] D. Yokoyama, H. Nakanotani, Y. Setoguchi, M. Moriwake, D. Ohnishi, M. Yahiro, C. Adachi, Jpn. J. Appl. Phys. 2007, 46, 826.[25] D. Yokoyama, H. Nakanotani, Y. Setoguchi, M. Moriwake, D. Ohnishi, M. Yahiro, C. Adachi, Jpn. J. Appl. Phys. 2007, 46, 826.

[26] T. Aimono, Y. Kawamura, K. Goushi, H. Yamamoto, H. Sasabe, C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 071110.[26] T. Aimono, Y. Kawamura, K. Goushi, H. Yamamoto, H. Sasabe, C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 071110.

[27] H. Nakanotani, S. Akiyama, D. Ohnishi, M. Moriwake, M. Yahiro, T. Yoshihara, S. Tobita, C. Adachi, Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 2328.[27] H. Nakanotani, S. Akiyama, D. Ohnishi, M. Moriwake, M. Yahiro, T. Yoshihara, S. Tobita, C. Adachi, Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 2328.

[28] I. D. W. Samuel, G. A. Turnbull, Chem. Rev. 2007, 107, 1272.[28] I. D. W. Samuel, G. A. Turnbull, Chem. Rev. 2007, 107, 1272.

[29] S.

Figure 112017078655148-pat00005
, S. Forget, Polym. Int. 2012, 61, 390.[29] S.
Figure 112017078655148-pat00005
, S. Forget, Polym. Int. 2012, 61, 390.

[30] A. E. Vasdekis, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, P. Andrew, W. L .Barnes, Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 161102.[30] A. E. Vasdekis, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, P. Andrew, W. L. Barnes, Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 161102.

[31] S. Riechel, C. Kallinger, U. Lemmer, J. Feldmann, A. Gombert, V. Wittwer, Appl. Phys. Lett. 2000, 77, 2310.[31] S. Riechel, C. Kallinger, U. Lemmer, J. Feldmann, A. Gombert, V. Wittwer, Appl. Phys. Lett. 2000, 77, 2310.

[32] Y. Takahashi, H. Hagino, Y. Tanaka, B.-S. Song, T. Asano, S. Noda, Opt. Express. 2007, 15, 17206.[32] Y. Takahashi, H. Hagino, Y. Tanaka, B.-S. Song, T. Asano, S. Noda, Opt. Express. 2007, 15, 17206.

[33] M. Koschorreck, R. Gehlhaar, V. G. Lyssenko, M. Swoboda, M. Hoffmann, K. Leo Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 181108.[33] M. Koschorreck, R. Gehlhaar, V. G. Lyssenko, M. Swoboda, M. Hoffmann, K. Leo Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 181108.

[34] P. A. Morton, V. Mizrahi, S. G. Kosinski, L. F. Mollenauer, T. Tanbuu-Ek, R. A. Logan, D. L. Coblentz, A. M. Sergent, K. W. Wecht, Electron. Lett. 1992, 28, 561.[34] P. A. Morton, V. Mizrahi, S. G. Kosinski, L. F. Mollenauer, T. Tanbuu-Ek, R. A. Logan, D. L. Cobletz, A. M. Sergent, K. W. Wecht, Electron. Lett. 1992, 28, 561.

[35] P. A. Morton, V. Mizrahi, T. Tanbun-Ek, R. A. Logan, P. J. Lemaire, H. M. Presby, T. Erdogan, S. L. Woodward, J. E. Sipe, M. R. Phillips, A. M. Sergent, K. W. Wecht, Appl. Phys. Lett. 1994, 64, 2634.[35] P. A. Morton, V. Mizrahi, T. Tanbun-Ek, R. A. Logan, P. J. Lemaire, H. M. Presby, T. Erdogan, S. L. Woodward, J. E. Sipe, M. R. Phillips, A. M. Sergent, K. W. Wecht, Appl. Phys. Lett. 1994, 64, 2634.

[36] G. A. Turnbull, P. Andrew, M. J. Jory,W. L. Barnes, I. D.W. Samuel, Phys. Rev. B 2001, 64, 125122.[36] G. A. Turnbull, P. Andrew, M. J. Jory, W. L. Barnes, I. D. W. Samuel, Phys. Rev. B 2001, 64, 125122.

[37] B. Zhen, S.-L. Chua, J. Lee, A. W. Rodriguez, X. Liang, S. G. Johnson, J. D. Joannopoulos, M. Soljacic, O. Shapira, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2013, 110, 13711.[37] B. Zhen, S.-L. Chua, J. Lee, A. W. Rodriguez, X. Liang, S. G. Johnson, J. D. Joannopoulos, M. Soljacic, O. Shapira, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2013, 110, 13711.

[38] J. C. Ribierre, G. Tsiminis, S. Richardson, G. A. Turnbull, H. S. Barcena, P. L. Burn, I. D. W. Samuel, Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 081108.[38] J. C. Ribierre, G. Tsiminis, S. Richardson, G. A. Turnbull, H. S. Barcena, P. L. Burn, I. D. W. Samuel, Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 081108.

[2] [2] 삼중항triplet ??처로서as wife 산소를 사용하는 유기 반도체 레이저에서의 준 연속파 레이저 동작 특성의 개선 Improvement of Quasi-Continuous Wave Laser Operating Characteristics in Oxygen-Using Organic Semiconductor Lasers

청색 방출 헵타플루오렌 유도체가 도핑된 액체 9-(2-에틸헥실)카르바졸 호스트를 함유하는 블렌드에 기초한 무용매 액체 유기 반도체 분산형 피드백 레이저에서의 준 연속파 레이저 동작을 입증한다. 액체 게인 매체를 산소 또는 질소로 버블링시켜서 유기 반도체 레이저의 준 연속파 레이저 동작 특성에 대한 분자 산소와 같은 삼중항 ??처의 역할을 조사한다. 산소화 레이저 장치는 2 μJcm-2의 낮은 임계를 나타내며 질소화 장치에서 측정된 것보다 낮으며 0.01 내지 4 MHz 범위의 반복률에 독립적이다.We demonstrate quasi-continuous-wave laser operation in a solvent-free liquid organic semiconductor dispersive feedback laser based on a blend containing a liquid 9-(2-ethylhexyl)carbazole host doped with a blue emitting heptafluorene derivative. By bubbling a liquid gain medium with oxygen or nitrogen, we investigate the role of triplet emitters, such as molecular oxygen, on the quasi-continuous-wave laser operating characteristics of organic semiconductor lasers. The oxygenating laser device exhibits a low threshold of 2 μJcm −2 , lower than that measured in the nitridation device and is independent of the repetition rate in the range of 0.01 to 4 MHz.

1996 년 최초의 광학적으로 펌핑되는 유기 고체 반도체 레이저의 시연 이후1 ,2 유기 레이저는 넓은 흡수 및 방출 스펙트럼 및 높은 광학 게인 계수와 같은 유기 반도체 재료의 여러 매력적인 특성 때문에 주로 집중적인 연구 대상이 되어 왔다.3 ,4 지난 20 년 동안 유기 고체 레이저의 성능이 크게 향상되어 왔으며 분광학 및 증기 화학 센서를 위한 통합 광원의 개발을 포함하는 응용 분야가 현재 새롭게 부상하고 있다.5 펄스 무기 발광 다이오드는 현재 광학적으로 유기 고체 레이저를 펌핑하는데 사용될 수 있지만6, 연속파 영역에서 작동하는 광학적으로 펌핑되는 유기 반도체 레이저를 입증하고 궁극적으로는 전기적으로 펌핑되는 유기 레이저 다이오드를 구현하기 위해서는 추가의 돌파구가 여전히 필요하다.Since the demonstration of the first optically pumped organic solid-state semiconductor lasers in 1996 , 1,2 organic lasers have been the subject of intensive research mainly because of several attractive properties of organic semiconductor materials, such as broad absorption and emission spectra and high optical gain coefficients. 3 ,4 The performance of organic solid-state lasers has improved significantly over the past two decades, and emerging applications are currently emerging, including the development of integrated light sources for spectroscopy and vapor chemistry sensors. 5 -pulse inorganic light-emitting diodes can currently be used to optically pump organic solid-state lasers 6 , but further development is needed to demonstrate optically pumped organic semiconductor lasers operating in the continuous wave region and ultimately to realize electrically pumped organic laser diodes. A breakthrough is still needed.

계간 교차를 통한 장수명의 삼중항 엑시톤의 생성은 높은 광자 및 단일 손실을 야기하여 연속파 광학 펌핑 영역에서의 레이저 동작을 방지한다는 것이 잘 알려져 있다.7 -12 이러한 중요한 문제를 해결하기 위해, 삼중항 ??처를 유기 반도체 게인 매체에 혼입시키는 것이 제안되었다. 장(Zhang) 등은 4-(디시아노메틸렌)-2-메틸-6-줄로리딜-9-에닐-4H-피란 (DCM2) 도핑 트리스(8-히드릭시퀴놀린) 알루미늄 (Alq3)에서의 삼중항 ??처로서 안트라센 유도체를 사용하였으며, 그것의 분산형 피드백 (DFB) 유기 소자의 레이저 지속 시간을 거의 100 μs로 확장시킬 수 있었다.8 동시에, 몇몇 다른 연구에서는 삼중항 ??처로서 산소 또는 시클로옥타테트라엔 (COT)을 사용함으로써 광학적으로 펌핑되는 유기 반도체 레이저에서의 삼중항 손실이 감소될 수 있음을 입증하였다.9-11 삼중항 ??처의 사용이 진정한 연속파 유기 고체 레이저 기술의 개발에 매우 유망한 것이기는 하지만, 이러한 목적을 달성하기 위한 다른 접근 방식도 제안되었었다는 것을 알고 있어야 한다. 최근, 4,4'-비스[(N-카르바졸)스티릴]비페닐 (BSBCz)로 도핑된 4,4'-비스(N-카르바졸일) -1,1'-비페닐 (CBP) 호스트계 유기 DFB 레이저에서 8 MHz의 반복률을 가지는 준 연속파 레이저 동작을 입증해 내었다.13 이러한 달성은 재료의 100%에 도달하는 포토루미네선스 양자 수율 뿐만 아니라 BSBCz의 레이저 동작 방출 및 삼중항 흡수 스펙트럼 사이의 무시할 수 있는 중첩에 의해 설명되는 것이며, 이에 따라 광학 펌핑 하에서 삼중항의 생성이 매우 약하였다. 고 동력 연속파 유기 고체 염료 레이저를 구현하는데 사용되는 또 다른 방법은 작동 중 장치의 매우 빠른 회전에 기반을 두고 있으나, 이러한 장치의 장시간 출력 안정성은 실용적인 용도로는 너무 제한적인 것으로 보인다.14 It is well known that generation of long-lived triplet excitons through intercalation causes high photons and single losses, preventing laser operation in the continuous wave optical pumping region. 7 -12 To solve this important problem, it has been proposed to incorporate a triplet actuator into the organic semiconductor gain medium. Zhang et al. in 4-(dicynomethylene)-2-methyl-6-juloridyl-9-enyl-4H-pyran (DCM2) doped tris(8-hydroxyquinoline) aluminum (Alq 3 ) Anthracene derivatives were used as triplet actuators of , and their dispersive feedback (DFB) organic devices were able to extend the laser duration to nearly 100 μs. 8 At the same time, several other studies have demonstrated that triplet losses in optically pumped organic semiconductor lasers can be reduced by using oxygen or cyclooctatetraene (COT) as the triplet actuator. Although the use of 9-11 triplet antennas is very promising for the development of true continuous wave organic solid-state laser technology, it should be noted that other approaches have also been proposed to achieve this goal. Recently, 4,4'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl (CBP) doped with 4,4'-bis[(N-carbazole)styryl]biphenyl (BSBCz) We demonstrated the operation of a quasi-continuous wave laser with a repetition rate of 8 MHz in a host-based organic DFB laser. 13 This achievement is explained not only by the photoluminescence quantum yield reaching 100% of the material, but also by the negligible overlap between the laser-operated emission and triplet absorption spectra of BSBCz, thus reducing the generation of triplets under optical pumping. very weak. Another method used to realize high-power continuous-wave organic solid-state dye lasers is based on very fast rotation of the device during operation, but the long-term output stability of these devices appears to be too limited for practical use. 14

이 연구에서는 용매가 없는 액체 유기 반도체 재료를 레이저 게인 매체로 사용하여 준 연속파 영역에서 작동하는 유기 반도체 DFB 레이저의 제조에 대해 보고한다.16-23 이 레이저 동작 재료는 헵타플루오렌 유도체로 도핑된 9-(2-에틸헥실)카르바졸 (EHCz) 호스트17로 구성된다.24 이러한 분자의 화학 구조는 도 5a에 도시되어 있다. 이 블렌드의 선택은 펄스 광학 펌핑 하에서 85%의 포토루미네선스 양자 수율 (PLQY) 및 0.4 μJcm-2의 저 자연증폭방출 (ASE) 임계에 따랐다.22 그런 맥락에서 EHCz:헵타플루오렌 블렌드의 준 연속파 DFB 레이저 동작 특성에 대한 산소화의 영향을 조사한다. 이러한 결과는 광학적으로 펌핑되는 연속파 유기 반도체 레이저의 추가적 실현을 위해서는 분자 산소와 같은 삼중항 ??처의 사용이 매우 유망한 것이라는 명확한 증거를 제공하는 것이다.In this study, we report the fabrication of an organic semiconductor DFB laser operating in the quasi-continuous wave region using a solvent-free liquid organic semiconductor material as the laser gain medium. 16-23 This laser-operated material consists of 9-(2-ethylhexyl)carbazole (EHCz) host 17 doped with a heptafluorene derivative. 24 The chemical structure of this molecule is shown in Figure 5a. The choice of this blend was followed by a photoluminescence quantum yield (PLQY) of 85% and a low spontaneous amplification emission (ASE) threshold of 0.4 μJcm −2 under pulsed optical pumping. 22 In this context, the effect of oxygenation on the quasi-continuous wave DFB laser operating properties of EHCz:heptafluorene blends is investigated. These results provide clear evidence that the use of triplet emitters such as molecular oxygen is very promising for the further realization of optically pumped continuous wave organic semiconductor lasers.

액체 카르바졸, EHCz를 구입하고 (Sigma-Aldrich), 추가 정제 없이 사용하면서 헵타플루오렌 유도체를 문헌25에서의 이전에 공지된 방법에 따라 합성하였다. 실온에서 액체이고 유리 전이 온도가 0℃보다 훨씬 낮은 EHCz17를 클로로포름 용액 중의 헵타플루오렌과 혼합시켰다. 이어서, EHCz:헵타플루오렌 (90:10 wt%) 블렌드 용액을 약 20 분 동안 산소 또는 질소로 버블링시켰다. 가스를 내경이 0.7 mm인 바늘을 사용하여 약 0.02 MPa의 압력으로 용액에 혼입시켰다. 블렌드는 용매를 완전히 증발시킨 후 레이저 장치에서 게인 매체로 사용되었다. 액체 DFB 레이저의 장치 구조는 도 5b에 개략적으로 도시되어 있다. 이들 장치를 제조하기 위해, 이전에 보고된 방법에 따라 자외선 (UV) 경화성 폴리우레탄 아크릴레이트 (PUA) 혼합물을 합성하였다.26 파형의 중합체 DFB 패턴은 PUA 혼합물을 가지는 실리콘의 그레이팅 마스터 몰드를 복제함으로써 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) 기판 위에서 용이하게 제조되었다.27 원하는 레이저 동작 파장 λ에 대한 그레이팅 주기 Λ는 m이 차수이고 neff가 유도 모드의 유효 굴절률인 브래그 조건 Λ = mλ/(2neff)을 만족시켜야 한다. 낮은 임계 레이저 작동을 달성하기 위해서 m = 1에 해당하는 1차 피드백이 선택되었으며, 장치 가장자리로부터 레이저가 방출되게 한다. PUA 막과 EHCz 블렌드의 굴절률은 각각 약 1.54와 1.7이어서 비굴절률차가 0.16이라는 것을 의미한다는 점에 주목할 필요가 있다.22 도 5c에 도시된 바와 같이, PUA 층 상의 패턴화된 파형 구조는 140 nm의 주기 및 100 nm의 높이를 가지는 1D 그레이팅으로 구성되어 있다. 이러한 그레이팅 주기는 브래그 공식 및 청색 방출 헵타플루오렌 유도체의 방출 스펙트럼에 기반하여 약 450 nm의 방출 파장을 가지는 1차 DFB 레이저 작동을 위해 선택되었다. 이어서, 파형의 PUA 층을 용융 실리카 기판으로 덮고, PUA 복제와 커버 사이의 틈새 거리를 직경 1 ㎛의 실리카 미소구를 사용하여 고정시켰다. 빈 틈새는 모세관 현상을 통해 액체 게인 매체로 채워졌다. 그것의 준 연속파 레이저 특성을 조사하기 위해서, 질소화 및 산소화 EHCz:헵타플루오렌 DFB 레이저를 펄스 폭이 10 ps인 365 nm에서의 광 펄스를 전달하는 Ti 사파이어 레이저 시스템 (Millennia Prime, Spectra Physics)을 사용하여 광학적으로 펌핑했다. 광 여기의 반복률은 0.01 MHz에서 4 MHz까지 변화시켰다. 장치에 집속된 레이저 펌프 광선의 스폿 면적은 1.9 x 10-4 cm2였다. 하마마쓰(Hamamatsu) 디지털 카메라 (C9300)와 연결된 하마마쓰 스트리크 스코프 (C10627)를 사용하여 장치의 가장자리로부터의 방출을 검출하였다.A liquid carbazole, EHCz, was purchased (Sigma-Aldrich), and a heptafluorene derivative was synthesized according to a previously known method in document 25 while using without further purification. EHCz 17 , which is liquid at room temperature and whose glass transition temperature is much lower than 0° C., was mixed with heptafluorene in chloroform solution. The EHCz:heptafluorene (90:10 wt%) blend solution was then bubbled with oxygen or nitrogen for about 20 minutes. Gas was introduced into the solution at a pressure of about 0.02 MPa using a needle with an inner diameter of 0.7 mm. The blend was used as the gain medium in the laser device after the solvent was completely evaporated. The device structure of the liquid DFB laser is schematically shown in Fig. 5b. To fabricate these devices, ultraviolet (UV) curable polyurethane acrylate (PUA) mixtures were synthesized according to previously reported methods. A 26 wavy polymer DFB pattern was readily fabricated on a polyethylene terephthalate (PET) substrate by replicating a grating master mold of silicone with a PUA mixture. 27 The grating period Λ for the desired laser operating wavelength λ must satisfy the Bragg condition Λ = mλ/(2n eff ), where m is the order and n eff is the effective refractive index of the induced mode. To achieve low-threshold laser actuation, a first-order feedback corresponding to m = 1 was chosen, allowing the laser to be emitted from the device edge. It is worth noting that the refractive indices of the PUA film and the EHCz blend are about 1.54 and 1.7, respectively, meaning that the specific refractive index difference is 0.16. 22 As shown in Fig. 5c, the patterned wavy structure on the PUA layer consists of a 1D grating with a period of 140 nm and a height of 100 nm. This grating period was selected for first order DFB laser operation with an emission wavelength of about 450 nm based on the Bragg formula and the emission spectrum of the blue emitting heptafluorene derivative. Then, the wavy PUA layer was covered with a fused silica substrate, and the interstitial distance between the PUA replica and the cover was fixed using silica microspheres with a diameter of 1 μm. The voids were filled with liquid gain medium through capillary action. In order to investigate its quasi-continuous wave laser properties, a Ti sapphire laser system (Millennia Prime, Spectra Physics), which transmits optical pulses at 365 nm with a pulse width of 10 ps, was used with nitrogenated and oxygenated EHCz:heptafluorene DFB lasers. was optically pumped. The repetition rate of the photoexcitation was varied from 0.01 MHz to 4 MHz. The spot area of the laser pump beam focused on the device was 1.9 x 10 -4 cm 2 . Emissions from the edge of the device were detected using a Hamamatsu Streak Scope (C10627) coupled with a Hamamatsu digital camera (C9300).

헵타플루오렌 유도체는 이전에 5.3 %의 높은 외부 양자 효율을 갖는 용액 처리 형광 유기 발광 다이오드 (OLED)에서 사용되었다.28 이러한 우수한 전계발광 성능은 4,4'-비스(N-카르바졸일)-1,1'-비페닐 (CBP) 호스트에서의 헵타플루오렌 에미터의 수평 배향으로 인해 달성될 수 있었다. 또 다른 연구에서는, 가시 스펙트럼의 청색 영역에서 작동하는 무용매 액체 유기 2차 DFB 레이저를 입증하기 위해 헵타플루오렌 분자를 EHCz 호스트에 블렌드시켰다.22 이를 위해, 펄스 질소 레이저 (λ = 337 nm, 펄스 지속 시간 800 ps 및 반복률 8 Hz)를 사용하여 장치를 광학적으로 펌핑하고 레이저 출력 방출을 표면에 대해 수직방향으로 검출하였다. 동일한 액체 복합 재료를 사용하여 가장자리-방출 1차 DFB 레이저를 제작하였다. 도 5d 및 도 5e에 도시된 바와 같이, 질소화 및 산소화 액체 DFB 레이저의 가장자리로부터 검출된 청색 레이저 방출은 각각 450 및 449 nm의 피크 파장을 갖는다. 두 장치의 레이저 동작 파장 사이의 아주 작은 차이는 아마도 유기 액체층의 두께의 미세한 변화 때문일 것이다.29 Heptafluorene derivatives have previously been used in solution-processed fluorescent organic light-emitting diodes (OLEDs) with high external quantum efficiencies of 5.3%. 28 This excellent electroluminescent performance could be achieved due to the horizontal orientation of the heptafluorene emitter in the 4,4′-bis(N-carbazolyl)-1,1′-biphenyl (CBP) host. In another study, heptafluorene molecules were blended into an EHCz host to demonstrate a solvent-free liquid organic secondary DFB laser operating in the blue region of the visible spectrum. 22 For this, the device was optically pumped using a pulsed nitrogen laser (λ = 337 nm, pulse duration 800 ps and repetition rate 8 Hz) and the laser power emission was detected perpendicular to the surface. The same liquid composite material was used to fabricate an edge-emitting primary DFB laser. 5D and 5E, the blue laser emission detected from the edge of the nitrogenated and oxygenated liquid DFB lasers have peak wavelengths of 450 and 449 nm, respectively. The very small difference between the laser operating wavelengths of the two devices is probably due to the slight change in the thickness of the organic liquid layer. 29

도 6a 및 도 6b는 다양한 반복률에서의 질소화 및 산소화 무용매 액체 유기 DFB 레이저들에 대한 레이저 방출의 스트리크 카메라 영상을 도시한다. 이러한 측정을 위해, 여기 강도는 2.5 μJcm-2의 값으로 일정하게 유지되었다. DFB 레이저에서 방출된 레이저 펄스는 100 μs 시간 척도 창에서 명확하게 관찰될 수 있지만 반복률이 증가함에 따라 펄스 간 시간 간격은 점차 감소한다. 1 MHz 및 4 MHz의 최고 반복율의 경우, 도 6c와 6d의 DFB 레이저 출력 방출은 이 시간 범위 내에서 연속적으로 이루어지는 것으로 여겨지며, 질소화 및 산소화 장치 모두 준 연속파 영역에서 적절하게 작동한다는 증거를 제공한다. 그러나 준 연속파 영역, 특히 4 MHz에서의 산소화 장치의 출력 강도는 항상 질소화 장치의 출력 강도보다 훨씬 더 높다는 것을 발견하였다는 것에 유념할 필요가 있다.30 6A and 6B show streak camera images of laser emission for nitrogenated and oxygenated solvent-free liquid organic DFB lasers at various repetition rates. For these measurements, the excitation intensity was kept constant at a value of 2.5 μJcm −2 . The laser pulses emitted from the DFB laser can be clearly observed in the 100 μs timescale window, but the time interval between pulses gradually decreases as the repetition rate increases. For the highest repetition rates of 1 MHz and 4 MHz, the DFB laser output emission in Figs. 6c and 6d is considered to be continuous within this time range, providing evidence that both the nitridation and oxygenation devices operate adequately in the quasi-continuous wave region. . It is worth noting, however, that we have found that the output intensity of the oxygenator in the quasi-continuous wave region, especially at 4 MHz, is always much higher than that of the nitrifier. 30

방출 스펙트럼의 레이저 출력 강도와 반치전폭 (FWHM)을 각각 질소화 및 산소화 무용매 액체 유기 DFB 레이저들에서 서로 다른 반복률에서의 여기 강도에 대해 도시하였다 (도 7 및 8).30 두 샘플의 방출 피크의 FWHM은 유도 방출에 의한 증폭으로 인해 높은 여기 밀도에서 1.8 nm로 낮아지는 것으로 나타났다. 이러한 선폭은 분광계의 0.7 nm 분해능보다 높은 것이다. 출력 강도 대 여기 강도를 보여주는 곡선을 보면, 기울기 효율의 급격한 변화는 레이저 동작 임계와 직접적으로 관련되어 있다.29 ,31-34 이들 데이터를 사용하여 두 장치에서의 반복률에 따라 레이저 동작 임계를 결정하였다. 도 9a의 결과는 레이저 동작 임계가 2 μJcm-2의 값을 갖는 산소화 샘플에서의 반복률보다 낮고 거의 독립적임을 보여준다. 흥미롭게도 질소화 샘플의 레이저 동작 임계는 광학 피코초 펄스 여기의 반복률이 0.01 MHz에서 4 MHz로 증가함에 따라 점차 2.8 μJcm-2에서 4.4 μJcm-2로 증가하는 것으로 밝혀졌다.The laser power intensity and full width at half maximum (FWHM) of the emission spectra were plotted for excitation intensities at different repetition rates in nitrogenated and oxygenated solvent-free liquid organic DFB lasers, respectively ( FIGS. 7 and 8 ). 30 The FWHM of the emission peaks of both samples was shown to be lowered to 1.8 nm at high excitation density due to amplification by stimulated emission. This linewidth is higher than the 0.7 nm resolution of the spectrometer. Looking at the curve showing the output intensity versus the excitation intensity, the sharp change in the slope efficiency is directly related to the laser operation threshold. 29,31-34 These data were used to determine the laser operation threshold according to the repetition rate in both devices. The results in FIG. 9a show that the laser operation threshold is lower and almost independent of the repetition rate in the oxygenated sample with a value of 2 μJcm −2 . Interestingly, it was found that the laser action threshold of the nitrogenated sample gradually increased from 2.8 μJcm −2 to 4.4 μJcm −2 as the repetition rate of optical picosecond pulsed excitation increased from 0.01 MHz to 4 MHz.

클로로포름 용액 중의 헵타플루오렌 분자의 삼중항-삼중항 흡수 스펙트럼과 게인 재료의 대표적인 레이저 스펙트럼 사이에는 무시할 수 없는 중첩이 관찰된다 (도 10).30 사실, 이전 연구에서는 헵타플루오렌의 유도 방출 단면은 ASE/레이저 동작 파장에서의 삼중항 흡수 단면보다 7 배 더 크다고 보고되고 있었다.10 주목할 만하게도, 삼중항-삼중항 흡수는 삼중항 ??처로 작용하는 산소 분자의 존재로 인해 산소화 용액에서 완전히 사라진다. 분자 산소가 헵타플루오렌계 레이저 게인 매체에서 삼중항을 효율적으로 ??칭할 수 있다는 추가적인 증거를 제공하기 위해, 산소 또는 질소로 버블링된 액체 블렌드 재료에서 단일항-삼중항 엑시톤 소멸 (STA)에 의한 단일항 엑시톤의 ??칭을 조사하였다. 이 목적을 위해, 질소화 및 산소화 게인 재료를 두 평평한 융합 실리카 기판들 사이에 끼웠다. 샘플에는 0.5 kWcm-2의 여기 밀도에서 325 nm 광 펄스 (펄스 지속 시간이 50에서 800 μs까지 변화)를 조사하였으며, 포토루미네선스 강도의 시간적 변화를 모니터링 하였다.8 -10 질소화 샘플의 일시적 곡선은 광학 펌프가 시작된 후 방출 강도가 정상 상태에 도달하기 전 300μs 후에 거의 60 %까지 현저하게 감소한다는 것을 보여주고 있다 (도 11).30 이들 데이터는 단일항 엑시톤이 질소화 액체 재료에서 STA에 의해 ??칭된다는 것을 증명하는 것이다.8 -10 대조적으로, 산소화 액체 게인 매체는 이러한 ??칭을 보이지 않으며, 800 μs 동안의 고 강도 연속파 조사 하에서 열화의 징후를 보이지 않는다. 이것은 이전의 연구10에서 보고된 결과와 일치하는 것이며 실제로 분자 산소가 헵타플루오렌계 재료의 단일항에 영향을 미치지 않고 삼중항을 ??칭시키는 데 사용될 수 있다는 분명한 증거를 제공하는 것이다. 산소화 샘플에서의 STA에 의한 단일항 ??칭의 억제는 DFB 레이저 방출의 강도가 질소화 장치에서보다 산소화 장치에서 더 강한 것 같다는 사실과도 일치하는 것이다.A non-negligible overlap is observed between the triplet-triplet absorption spectrum of the heptafluorene molecule in chloroform solution and the representative laser spectrum of the gain material ( FIG. 10 ). 30 In fact, a previous study reported that the stimulated emission cross-section of heptafluorene was 7 times larger than the triplet absorption cross-section at the ASE/laser operating wavelength. 10 Remarkably, the triplet-triplet absorption completely disappears in the oxygenated solution due to the presence of oxygen molecules acting as triplet sites. To provide additional evidence that molecular oxygen can efficiently quench triplets in heptafluorene-based laser gain media, singlet-triplet exciton annihilation (STA) in liquid blend materials bubbled with oxygen or nitrogen was analyzed. The quenching of singlet excitons by For this purpose, a nitrogenated and oxygenated gain material was sandwiched between two planar fused silica substrates. The sample was irradiated with a 325 nm light pulse (pulse duration varied from 50 to 800 μs) at an excitation density of 0.5 kWcm -2 , and the temporal change of photoluminescence intensity was monitored. Temporal curves of 8-10 nitrated samples show that after the optical pump is started, the emission intensity decreases significantly by almost 60% after 300 μs before reaching a steady state (Fig. 11). 30 These data demonstrate that singlet excitons are quenched by STAs in nitrogenated liquid materials. 8 -10 In contrast, the oxygenated liquid gain medium shows no such quenching and no sign of degradation under high-intensity continuous wave irradiation for 800 μs. This is consistent with the results reported in a previous study 10 and provides clear evidence that, in fact, molecular oxygen can be used to quench triplets without affecting singlets in heptafluorene-based materials. The suppression of singlet quenching by STAs in oxygenated samples is also consistent with the fact that the intensity of the DFB laser emission appears to be stronger in the oxygenator than in the nitrifier.

이러한 고려 사항으로부터, 최고 임계값 및 질소화 DFB 레이저 장치에서의 이러한 임계의 반복률 의존성은 게인 매체에서의 장수명 삼중항 엑시톤의 생성 및 축적에 기인하는 것일 수 있어서 삼중항 흡수 및 단일항-삼중항 엑시톤 소멸과 관련된 추가적인 손실을 야기하게 된다. 액체 블렌드가 85 %의 높은 PLQY와 낮은 ASE/레이저 동작 임계를 보이는 것에 관심을 기울여야 한다. 또한, 계간 교차 수율은 올리고플루오렌 및 폴리플루오렌 유도체에서 통상적으로 작다 (약 3%).35 이러한 맥락에서, 4 MHz의 반복률에 대한 준 연속파 영역에서의 레이저 동작을 관찰하기 위해, 광학 펌핑 하에서 계간 교차를 통해 생성된 삼중항의 농도가 질소화 헵타플루오렌계 게인 재료에서 충분히 낮게 유지된다는 것은 매우 타당한 것이다. 중요하게도, 레이저 동작 임계가 낮아지고 산소화 DFB 장치에서의 반복률에 독립적이라는 사실은 삼중항 ??처로 작용하는 분자 산소의 존재에 의해 직접적으로 설명될 수 있다.From these considerations, it can be concluded that the highest threshold and this critical repetition rate dependence in the nitrogenated DFB laser device can be attributed to the generation and accumulation of long-lived triplet excitons in the gain medium, leading to triplet absorption and singlet-triplet excitons. It causes additional losses related to extinction. It should be noted that the liquid blend exhibits a high PLQY of 85% and a low ASE/laser operation threshold. In addition, interstitial crossover yields are typically small (about 3%) for oligofluorene and polyfluorene derivatives. 35 In this context, to observe laser operation in the quasi-continuous wave region for a repetition rate of 4 MHz, it is clear that the concentration of triplets generated through intersystem crossing under optical pumping is kept sufficiently low in the nitrogenated heptafluorene-based gain material. That's very reasonable. Importantly, the fact that the laser operating threshold is lowered and is independent of the repetition rate in the oxygenated DFB apparatus can be directly explained by the presence of molecular oxygen acting as a triplet actuator.

또한, 준 연속파 레이저 동작 방출의 광 안정성은 1 MHz의 반복률에서 질소화 및 산소화 DFB 레이저 모두에서 레이저 동작 임계 이상의 액체층 가장자리로부터의 출력 강도의 시간 변화를 모니터링함으로써 평가되었다. 특징적인 광 안정성 시간상수는 출력 강도의 초기값으로부터의 10 %의 감소와 관련된 지속 시간을 측정함으로써 평가되었다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 질소화 및 산소화 장치에 대한 시간상수는 각각 4 분 및 5 분인 것으로 밝혀졌다. 시간에 따른 출력 레이저 동작 강도의 감소는 아마도 헵타플루오렌 분자의 블리칭으로 인한 것일 것이다. 이러한 광학적 열화의 문제는 진정한 준 연속파 무용매 액체 유기 반도체 레이저 기술을 달성하기 위한 미세유체 회로의 사용으로 확실하게 해결할 수 있다.22 흥미롭게도 산소의 존재는 삼중항 엑시톤의 ??칭 후 화학적으로 반응성이 큰 산소 단일항이 형성됨에도 불구하고 액체 장치의 빠른 광학적 열화를 유도하지는 않는다.36 이는 산소화 샘플로부터의 포토루미네선스 강도가 0.5 kWcm-2 의 높은 여기 밀도에서 연속파 광학 펌핑 하에서 800 μs 후에 거의 일정하게 유지된다는 결과에 의해 잘 뒷받침되고 있다.30 In addition, the photostability of quasi-continuous-wave laser operation emission was evaluated by monitoring the time change of the output intensity from the liquid layer edge above the laser operation threshold in both nitrogenated and oxygenated DFB lasers at a repetition rate of 1 MHz. The characteristic light stability time constant was evaluated by measuring the duration associated with a 10% decrease from the initial value of the output intensity. As shown in Figure 9b, the time constants for the nitrification and oxygenation units were found to be 4 and 5 minutes, respectively. The decrease in output laser operating intensity with time is probably due to bleaching of heptafluorene molecules. This problem of optical degradation can be reliably solved by the use of microfluidic circuits to achieve true quasi-continuous wave solvent-free liquid organic semiconductor laser technology. 22 Interestingly, the presence of oxygen does not induce rapid optical degradation of the liquid device, despite the formation of chemically reactive oxygen singlets after quenching of the triplet excitons. 36 This is well supported by the results that the photoluminescence intensity from the oxygenated sample remains almost constant after 800 μs under continuous wave optical pumping at a high excitation density of 0.5 kWcm −2 . 30

요약하면, 삼중항 ??처로서의 산소의 사용이 연속파 유기 반도체 레이저 기술을 개발하는 유망한 경로라는 것을 증명하고 있는 것이다. 본 1차 유기 DFB 레이저에서 사용된 게인 매체는 청색 형광 헵타플루오렌 유도체가 도핑된 무용매 액체 카르바졸 호스트에 기반을 둔 것이다. 분자 산소로 액체 분자 반도체 블렌드를 버블링시킴으로써, 준 연속파 영역에서의 DFB 레이저 임계가 감소되었고 반복률에 대해 거의 독립적인 것으로 밝혀졌다. 산소화 DFB 장치는 실제로 4 MHz의 높은 반복률에서도 2 μJcm-2의 레이저 동작 임계를 나타내었다. 이러한 준 연속파 레이저 동작 성능의 향상은 분자 산소에 의한 게인 매체에서의 삼중항의 선택적 ??칭에 기인하는 것이다.In summary, the use of oxygen as a triplet actuator is proving that it is a promising route to develop continuous wave organic semiconductor laser technology. The gain medium used in this first order organic DFB laser is based on a solvent-free liquid carbazole host doped with a blue fluorescent heptafluorene derivative. By bubbling the liquid molecular semiconductor blend with molecular oxygen, the DFB laser threshold in the quasi-continuous wave region was reduced and found to be almost independent of the repetition rate. The oxygenated DFB device actually exhibited a laser operating threshold of 2 μJcm −2 even at a high repetition rate of 4 MHz. This improvement in quasi-continuous wave laser operation performance is due to the selective quenching of triplets in the gain medium by molecular oxygen.

참조문헌References

1 F. Hide, M.A.

Figure 112017078655148-pat00006
, B.J. Schwartz, M. Andersson, Q. Pei, A.J. Heeger, Science 273, 1833 (1996). 1 F. Hide, MA
Figure 112017078655148-pat00006
, B. J. Schwartz, M. Andersson, Q. Pei, A. J. Heeger, Science 273, 1833 (1996).

2 N. Tessler, G.J. Denton, R.H. Friend, Nature 382, 695 (1996). 2 N. Tessler, G. J. Denton, RH Friend, Nature 382, 695 (1996).

3 I.D.W. Samuel, G. Turnbull, Chem. Rev. 107, 1272 (2007). 3 IDW Samuel, G. Turnbull, Chem. Rev. 107, 1272 (2007).

4 S.

Figure 112017078655148-pat00007
, S. Forget, Polym. Int. 61, 390 (2012). 4 S.
Figure 112017078655148-pat00007
, S. Forget, Polym. Int. 61, 390 (2012).

5 A. Rose, Z.G. Zhu, C.F. Madigan, T.M. Swager, V.

Figure 112017078655148-pat00008
, Nature 434, 876 (2005). 5 A. Rose, ZG Zhu, CF Madigan, TM Swager, V.
Figure 112017078655148-pat00008
, Nature 434, 876 (2005).

6 Y. Yang, G. Turnbull, I.D.W. Samuel, Appl. Phys. Lett. 92, 163306 (2008). 6 Y. Yang, G. Turnbull, IDW Samuel, Appl. Phys. Lett. 92, 163306 (2008).

7 O.G. Peterson, S.A. Tuccio, B.B. Snavely, Appl. Phys. Lett. 17, 245 (1970). 7 OG Peterson, SA Tuccio, BB Snavely, Appl. Phys. Lett. 17, 245 (1970).

8 Y. Zhang, S.R. Forrest, Phys. Rev. B 84, 241301 (2011). 8 Y. Zhang, S. R. Forrest, Phys. Rev. B 84, 241301 (2011).

9 M. Inoue, T. Matsushima, H. Nakanotani, C. Adachi, Chem. Phys. Lett. 624, 43 (2015). 9 M. Inoue, T. Matsushima, H. Nakanotani, C. Adachi, Chem. Phys. Lett. 624, 43 (2015).

10 L. Zhao, M. Inoue, K. Yoshida, A.S.D. Sandanayaka, J.H. Kim, J.C. Ribierre, C. Adachi, IEEE J. Select. Top. Quant. Electr. 22, 1300209 (2016). 10 L. Zhao, M. Inoue, K. Yoshida, ASD Sandanayaka, JH Kim, JC Ribierre, C. Adachi, IEEE J. Select. Top. Quant. Electr. 22, 1300209 (2016).

11 S. Schols, A. Kadashchuk, P. Heremans, A. Helfer, U. Scherf, Chem. Phys. Chem. 10, 1071 (2009). 11 S. Schols, A. Kadashchuk, P. Heremans, A. Helfer, U. Scherf, Chem. Phys. Chem. 10, 1071 (2009).

12 T. Rabe, K. Gerlach, T. Riedl, H.H. Johannes, W. Kowalsky, J. Niederhofer, W. Gries, J. Wang, T. Weimann, P. Hinze, F. Galbrecht, U. Scherf, Appl. Phys. Lett. 89, 081115 (2006). 12 T. Rabe, K. Gerlach, T. Riedl, HH Johannes, W. Kowalsky, J. Niederhofer, W. Gries, J. Wang, T. Weimann, P. Hinze, F. Galbrecht, U. Scherf, Appl. Phys. Lett. 89, 081115 (2006).

13 A.S.D. Sandanayaka, K. Yoshida, M. Inoue, C. Qin, K. Goushi, J.C. Ribierre, T. Matsushima, C. Adachi, Adv. Opt. Mater. 2016, DOI: 10.1002/adom.201600006 13 ASD Sandanayaka, K. Yoshida, M. Inoue, C. Qin, K. Goushi, JC Ribierre, T. Matsushima, C. Adachi, Adv. Opt. Mater. 2016, DOI: 10.1002/adom.201600006

14 R. Bornemann, E. Thiel, P.H.

Figure 112017078655148-pat00009
, Opt. Expr., 19, 26382 (2011). 14 R. Bornemann, E. Thiel, P.H.
Figure 112017078655148-pat00009
, Opt. Expr., 19, 26382 (2011).

15 S.S. Babu, T. Nakanishi, Chem. Comm. 49, 9373 (2013). 15 SS Babu, T. Nakanishi, Chem. Comm. 49, 9373 (2013).

16 B.A. Kamino, T.P. Bender, R.A. Klenker, J. Phys. Chem. Lett., 3, 1002 (2012). 16 BA Kamino, TP Bender, RA Klenker, J. Phys. Chem. Lett., 3, 1002 (2012).

17 J.C. Ribierre, T. Aoyama, T. Muto, Y. Imase, T. Wada, Org. Electron. 9, 396 (2008). 17 JC Ribierre, T. Aoyama, T. Muto, Y. Imase, T. Wada, Org. Electron. 9, 396 (2008).

18. J.C. Ribierre, T. Aoyama, T. Kobayashi, T. Sassa, T. Muto, T. Wada, J. App. Phys. 102, 033106 (2007). 18 . JC Ribierre, T. Aoyama, T. Kobayashi, T. Sassa, T. Muto, T. Wada, J. App. Phys. 102, 033106 (2007).

19 J.C. Ribierre, T. Aoyama, T. Muto, P. Andre', Org. Electron. 12, 1800 (2011). 19 JC Ribierre, T. Aoyama, T. Muto, P. Andre', Org. Electron. 12, 1800 (2011).

20 D. Xu, C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 95, 053304 (2009). 20 D. Xu, C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 95, 053304 (2009).

21 E.Y. Choi, L. Mager, T.T. Cham, K.D. Dorkenoo, A. Fort, J.W. Wu, A. Barsella, J.C. Ribierre, Opt. Expr. 21, 11368 (2013). 21 EY Choi, L. Mager, TT Cham, KD Dorkenoo, A. Fort, JW Wu, A. Barsella, JC Ribierre, Opt. Expr. 21, 11368 (2013).

22 J.H. Kim, M. Inoue, L. Zhao, T. Komino, S.M. Seo, J.C. Ribierre, C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 106, 053302 (2015). 22 JH Kim, M. Inoue, L. Zhao, T. Komino, SM Seo, JC Ribierre, C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 106, 053302 (2015).

23 J.C. Ribierre, L. Zhao, M. Inoue, P.O. Schwartz, J.H. Kim, K. Yoshida, A.S.D. Sandanayaka, H. Nakanotani, L. Mager, S. Me'ry, C. Adachi, Chem. Comm. 52, 3103 (2016). 23 JC Ribierre, L. Zhao, M. Inoue, PO Schwartz, JH Kim, K. Yoshida, ASD Sandanayaka, H. Nakanotani, L. Mager, S. Me'ry, C. Adachi, Chem. Comm. 52, 3103 (2016).

24 E.Y. Choi, L. Mazur, L. Mager, M. Gwon, D. Pitrat, J.C. Mulatier, C. Monnereau, A. Fort, A.J. Attias, K. Dorkenoo, J.E. Kwon, Y. Xiao, K. Matczyszyn, M. Samoc, D.W. Kim, A. Nakao, B. Heinrich, D. Hashizume, M. Uchiyama, S.Y. Park, F. Mathevet, T. Aoyama, C. Andraud, J.W. Wu, A. Barsella, J.C. Ribierre, J.C. Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 16941 (2014). 24 EY Choi, L. Mazur, L. Mager, M. Gwon, D. Pitrat, JC Mulatier, C. Monnereau, A. Fort, AJ Attias, K. Dorkenoo, JE Kwon, Y. Xiao, K. Matczyszyn, M Samoc, DW Kim, A. Nakao, B. Heinrich, D. Hashizume, M. Uchiyama, SY Park, F. Mathevet, T. Aoyama, C. Andraud, JW Wu, A. Barsella, JC Ribierre, JC Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 16941 (2014).

25 R. Anemian, J.C. Mulatier, C. Andraud, O. Stephan, J.C. Vial, Chem. Comm. 1608 (2002). 25 R. Anemian, JC Mulatier, C. Andraud, O. Stephan, JC Vial, Chem. Comm. 1608 (2002).

26 S.J. Choi, P.J. Yoo, S.J. Baek, T.W. Kim, H,H, Lee, J. Am. Chem. Soc. 126, 7744 (2004). 26 SJ Choi, PJ Yoo, SJ Baek, TW Kim, H,H, Lee, J. Am. Chem. Soc. 126, 7744 (2004).

27 J.H. Kim, M.J. Han, S. Seo, J. Polym. Sci. Part B 53, 453 (2015). 27 JH Kim, MJ Han, S. Seo, J. Polym. Sci. Part B 53, 453 (2015).

28 L. Zhao, T. Komino, M. Inoue, J.H. Kim, J.C. Ribierre, C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 106, 063301 (2015). 28 L. Zhao, T. Komino, M. Inoue, JH Kim, JC Ribierre, C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 106, 063301 (2015).

29 J.C. Ribierre, G. Tsiminis, S. Richardson, G.A. Turnbull, I.D.W. Samuel, H.S. Barcena, P.L. Burn, Appl. Phys. Lett. 91, 081108 (2007). 29 JC Ribierre, G. Tsiminis, S. Richardson, GA Turnbull, IDW Samuel, HS Barcena, PL Burn, Appl. Phys. Lett. 91, 081108 (2007).

30 Material for a characterization of the triplet losses and the determination of the threshold in the quasi-cw regime. 30 Material for a characterization of the triplet losses and the determination of the threshold in the quasi-cw regime.

31 C. Kamutsch, C. Gyrtner, V. Haug, U. Lemmer, T. Farrell, B.S. Nehls, U. Scherf, J. Wang, T. Weimann, G. Heliotis, C. Pflumm, J.C. deMello, D.D.C. Bradley, Appl. Phys. Lett. 89, 201108. (2006). 31 C. Kamutsch, C. Gyrtner, V. Haug, U. Lemmer, T. Farrell, BS Nehls, U. Scherf, J. Wang, T. Weimann, G. Heliotis, C. Pflumm, JC deMello, DDC Bradley, Appl. Phys. Lett. 89, 201108. (2006).

32 G. Tsiminis, J.C. Ribierre, A. Ruseckas, H.S. Barcena, G.J. Richards, G.A. Turnbull, P.L. Burn, I.D.W. Samuel, Adv. Mater. 20, 1940 (2008). 32 G. Tsiminis, JC Ribierre, A. Ruseckas, HS Barcena, GJ Richards, GA Turnbull, PL Burn, IDW Samuel, Adv. Mater. 20, 1940 (2008).

33 G. Tsiminis, Y. Wang, P.E. Shaw, A.L. Kanibolotsky, I.F. Perepichka, M.D. Dawson, P.J. Skabara, G.A. Turnbull, I.D.W. Samuel, Appl. Phys. Lett. 94, 243304 (2009). 33 G. Tsiminis, Y. Wang, PE Shaw, AL Kanibolotsky, IF Perepichka, MD Dawson, PJ Skabara, GA Turnbull, IDW Samuel, Appl. Phys. Lett. 94, 243304 (2009).

34 A.E. Vasdekis, G. Tsiminis, J.C. Ribierre, L. O'Faolain, T.F. Krauss, G.A. Turnbull, I.D.W. Samuel, Opt. Expr. 14, 9211 (2006). 34 AE Vasdekis, G. Tsiminis, JC Ribierre, L. O'Faolain, TF Krauss, GA Turnbull, IDW Samuel, Opt. Expr. 14, 9211 (2006).

35 H.L. Chen, Y.F. Huang, C.P. Hsu, T.S. Lim, L.C. Kuo, M.K. Leung, T.C. Chao, K.T. Wong, S.A. Chen, W. Fann, J. Phys. Chem. A, 111, 9424 (2007) 35 HL Chen, YF Huang, CP Hsu, TS Lim, LC Kuo, MK Leung, TC Chao, KT Wong, SA Chen, W. Fann, J. Phys. Chem. A, 111, 9424 (2007)

36 T. Gallavardin, C. Armagnat, O. Maury, P.L. Baldeck, M. Lindgren, C. Monnereau, C. Andraud, Chem. Comm. 48, 1689 (2012). 36 T. Galllavardin, C. Armagnat, O. Maury, PL Baldeck, M. Lindgren, C. Monnereau, C. Andraud, Chem. Comm. 48, 1689 (2012).

[3] 유기 반도체 레이저의 연속파 동작[3] Continuous wave operation of organic semiconductor lasers

요약: 유기 반도체 막으로부터의 연속파 레이저 동작의 시연은 분광학, 데이터 통신 및 감지 분야의 실제 응용 분야에 매우 바람직하지만 여전히 어려운 목표로 남아 있다. 80 MHz에서 및 30 ms의 연속파 광 여기 하에서 준 연속파 영역에서 작동하는 낮은 임계의 면 발광 유기 분산형 피드백 레이저를 보고하고 있다. 혼합차수 분산형 피드백 그레이팅과 조합된 레이저 동작 파장에서 높은 광학 게인, 높은 포토루미너선스 양자 수율을 가지며 삼중항 흡수 손실이 없는 유기 반도체 박막을 사용하여 이러한 뛰어난 성능이 달성되어서 낮은 레이저 동작 임계를 달성시켰다. 간단한 캡슐화 기술은 레이저 유도 열적 열화를 크게 줄였으며 강한 연속파 광 여기 하에서 다르게 발생하는 게인 매체의 제거를 억제하였다. 전반적으로 이 연구는 게인 매체 및 장치 아키텍처의 엔지니어링을 통해 진정한 연속파 유기 반도체 레이저 기술의 개발이 가능하다는 증거를 제공하게 되는 것이다. Abstract: Demonstration of continuous wave laser operation from organic semiconductor films remains a highly desirable but still challenging goal for practical applications in spectroscopy, data communication and sensing. We report a low-threshold surface-emitting organic dispersive feedback laser operating in the quasi-continuous wave region at 80 MHz and under continuous-wave optical excitation of 30 ms. These outstanding performances are achieved using organic semiconductor thin films with high optical gain, high photoluminescence quantum yield and no triplet absorption loss at laser operating wavelengths in combination with mixed-order dispersive feedback grating to achieve low laser operating thresholds. made it The simple encapsulation technique greatly reduced laser-induced thermal degradation and suppressed the gain medium removal that occurs differently under strong continuous wave optical excitation. Overall, this study will provide evidence that the development of true continuous wave organic semiconductor laser technology is possible through the engineering of gain media and device architectures.

짧은 결론문: 80 MHz에서의 준 연속파 영역에서 30 ms의 연속파 광 여기 하에서 작동하는 광학적으로 펌핑되는 유기 반도체 레이저가 시연된다. Short conclusion: An optically pumped organic semiconductor laser operating under continuous wave optical excitation of 30 ms in the quasi-continuous wave region at 80 MHz is demonstrated.

도입introduction

유기 반도체 재료는 일반적으로 광을 방출, 변조 및 검출하는 능력으로 인해 포토닉스에서의 응용에 적합한 것으로 간주되고 있다 (1). 특히 지난 20 년간 저비용 제조, 가공 용이성, 화학적 다양성, 기계적 유연성 및 총 가시 범위에 대한 파장 가변성의 측면에서 뛰어난 특성으로 인해 광학적으로 펌핑되는 고체 레이저 광원에서 사용하기 위한 상당한 연구 노력이 이루어져 왔다 (2-6). 광학적으로 펌핑되는 유기 반도체 레이저 (OSL)의 첫 번째 시연 이후 (2), 높은 게인 유기 반도체 재료 및 장치 설계에서의 상당한 발전으로 인해 성능이 크게 향상되었다 (7-15). 최근의 저-임계 분산형 피드백 (DFB) OSL의 진보로 인해 전기적으로 구동되는 나노초 펄스 무기 발광 다이오드에 의한 직접적인 광학 펌핑이 시연되었으며, 새로운 소형의 저비용 가시 레이저 기술에 대한 경로를 제공하게 되었다 (12,13). 분광학 도구, 데이터 통신 장치, 의학 진단 및 화학 센서의 개발을 포함하는 이들 OSL을 기반으로 한 응용 프로그램이 현재 새롭게 부상하고 있다 (16, 20). 그럼에도 불구하고, OSL은 여전히 펄스 광 여기 (일반적으로 펄스 폭이 100 fs에서 10 ns로 다양함)에 의해 광학적으로 펌핑되고 10 Hz에서 10 kHz 범위의 반복률 (f)로 구동된다. 이러한 맥락에서 연속파 영역에서 작동하는 광학적으로 펌핑되는 OSL을 시연하고 궁극적으로는 전기적으로 펌핑되는 유기 레이저 다이오드를 구현하기 위해서는 여전히 더 많은 돌파구가 필요하다 (21, 22).Organic semiconductor materials are generally considered suitable for applications in photonics due to their ability to emit, modulate, and detect light (1). In particular, significant research efforts have been made over the past two decades for use in optically pumped solid-state laser light sources due to their excellent properties in terms of low-cost manufacturing, ease of processing, chemical diversity, mechanical flexibility, and wavelength tunability over the total visible range (2- 6). Since the first demonstration of optically pumped organic semiconductor lasers (OSLs) (2), significant advances in high-gain organic semiconductor materials and device design have resulted in significant performance improvements (7-15). Recent advances in low-threshold distributed feedback (DFB) OSL have demonstrated direct optical pumping by electrically driven nanosecond pulsed inorganic light emitting diodes, providing a pathway for new compact, low-cost visible laser technologies (12). , 13). Applications based on these OSLs, including the development of spectroscopy tools, data communication devices, medical diagnostics, and chemical sensors, are currently emerging (16, 20). Nevertheless, OSLs are still optically pumped by pulsed light excitation (typically with pulse widths varying from 100 fs to 10 ns) and driven with repetition rates (f) ranging from 10 Hz to 10 kHz. In this context, further breakthroughs are still needed to demonstrate optically pumped OSL operating in the continuous wave domain and ultimately to realize electrically pumped organic laser diodes (21, 22).

연속파 영역에서의 OSL의 작동이 어렵다는 것은 입증되어 있다 (23, 24). 강한 롱 펄스 광학 펌핑 하에서의 유기 게인 매체의 열적 열화는 장기간의 레이저 작동에 심각한 문제가 된다 (25). 극복해야 할 또 다른 중요한 문제는 계간 교차를 통한 장수명의 삼중항 엑시톤의 생성에 의해 야기되는 손실과 관련이 있다 (26-29). 유기막이 롱 펄스 영역에서 광학적으로 펌핑될 때, 삼중항 엑시톤의 축적이 일반적으로 발생하여 삼중항 흡수 (TA)로 인해 레이저 동작 파장에서 흡수가 증가되고 단일항-삼중항 엑시톤 소멸 (STA)로 인해 단일항 엑시톤의 ??칭이 야기된다. 이러한 장애를 극복하기 위해, 산소 (30, 31), 시클로옥타테트라엔 (32) 및 안트라센 유도체 (33)와 같은 삼중항 ??처를 유기막에 혼입시키는 것이 제안되었다. 삼중항 손실을 상당히 줄이는 또 다른 방법은 삼중항 여기 상태의 흡수 밴드 및 단일항 여기 상태의 방출 밴드 사이에서 높은 포토루미네선스 양자 수율 (PLQY)을 나타내며 스펙트럼 중첩이 없는 에미터를 사용하는 것에 기초하고 있다 (34-36). OSL에서 삼중항 손실을 억제하는 두 가지 방법이 준 연속파 영역에서 장치 성능을 향상시키는 데 성공적으로 사용되었다 (31, 35). 동시에, 삼중항 ??처와 같은 안트라센 유도체를 포함하는 OSL에서 거의 100 μs의 연속파 레이저 동작 지속 시간이 달성될 수 있었다 (33). 탁월하고 전례가 없는 성능의 준 연속파 레이저 동작 (80 MHz의 매우 높은 반복률에서) 및 연속파 면 발광 레이저 동작을 가능하게 하는 향상된 DFB OSL 아키텍처를 제안한다. 이러한 결과는 유기 포토닉스 분야의 중요한 진보를 나타내며 신뢰성 있고 비용 효율적인 유기계 연속파 고체 레이저 기술의 개발에 대한 새로운 전망을 제시하는 것이다.It has been demonstrated that the operation of OSL in the continuous wave region is difficult (23, 24). Thermal degradation of organic gain media under strong long-pulse optical pumping is a serious problem for long-term laser operation (25). Another important problem to be overcome relates to the loss caused by generation of long-lived triplet excitons through intercalation (26–29). When organic films are optically pumped in the long pulse region, the accumulation of triplet excitons usually occurs, resulting in increased absorption at the laser operating wavelength due to triplet absorption (TA) and due to singlet-triplet exciton annihilation (STA). Quenching of singlet excitons results. To overcome this obstacle, it has been proposed to incorporate triplet partners such as oxygen (30, 31), cyclooctatetraene (32) and anthracene derivatives (33) into the organic film. Another method to significantly reduce the triplet loss is based on using an emitter that exhibits a high photoluminescence quantum yield (PLQY) between the absorption band of the triplet excited state and the emission band of the singlet excited state, and there is no spectral overlap. (34-36). Two methods of suppressing triplet loss in OSL have been successfully used to improve device performance in the quasi-continuous wave region (31, 35). At the same time, continuous-wave laser operation durations of nearly 100 μs could be achieved in OSLs containing anthracene derivatives such as triplet actuators (33). We propose an improved DFB OSL architecture that enables quasi-continuous-wave laser operation (at a very high repetition rate of 80 MHz) and continuous-wave surface-emitting laser operation with excellent and unprecedented performance. These results represent a significant advance in the field of organic photonics and offer new prospects for the development of reliable and cost-effective organic-based continuous wave solid-state laser technology.

결과result

이 연구에서 제작된 면 발광 OSL은 에미터로서 도 12에서의 4,4'-비스[(N-카르바졸)스티릴]비페닐 (BSBCz)을 사용했다 (34). 삼중항 ??처를 BSBCz 막에 혼입하는 것은 계간 교차를 통한 삼중항의 극히 약한 생성 및 이 재료의 레이저 동작 파장에서 무시할 수 있는 삼중항 흡수 때문에 필요하지 않다 (35). 이 연구에서 제작된 유기 반도체 DFB 레이저의 제조 방법 및 구조가 각각 도 12 및 도 13A에 개략적으로 도시되어 있다. 기판 평면에 수직 방향으로 레이저 동작이 방출되는 낮은 레이저 동작 임계를 달성하기 위해, 강한 피드백을 야기하는 1차 스캐터링 영역으로 둘러싸인 2차 브래그 스캐터링 영역을 가지는 혼합 차수 DFB 그레이팅 아키텍처를 설계하여 레이저 방사의 효과적인 수직 아웃커플링을 제공하였다 (8). DFB 구조에서, 레이저 진동은 브래그 조건 mλBragg = 2 neffΛ가 만족될 때 발생하는데 (5), m은 회절 차수, λBragg는 브래그 파장, neff는 게인 매체의 실효 굴절률, 그리고 Λ는 그레이팅의 주기이다. BSBCz에 대해 보고된 neff 및 λBragg 값을 사용 (37-39)하여 혼합 차수 (m = 1, 2) DFB 레이저 장치의 그레이팅 주기가 각각 140 및 280 nm로 계산된다. 이러한 그레이팅은 5 X 5 mm2 면적에 대해 이산화규소 표면에 전자빔 리소그래피 및 반응성 이온 에칭을 사용하여 직접 새겨넣었다. 공진기 설계에 사용된 매개 변수를 선택하기 위해 도 16-17과 표 S1-S3에 보고된 광학 시뮬레이션 및 실험 데이터 (보충 자료 섹션 A 참조)가 고려되었다는 것을 유념해야 한다.The surface-emitting OSL fabricated in this study used 4,4'-bis[(N-carbazole)styryl]biphenyl (BSBCz) in FIG. 12 as an emitter (34). Incorporation of triplet anchors into BSBCz films is not necessary because of the extremely weak generation of triplets through intercalation and negligible triplet absorption at the laser operating wavelength of this material (35). The fabrication method and structure of the organic semiconductor DFB laser fabricated in this study are schematically shown in Figs. 12 and 13A, respectively. To achieve a low laser motion threshold where the laser motion is emitted in the direction perpendicular to the substrate plane, we design a mixed-order DFB grating architecture with a secondary Bragg scattering region surrounded by a primary scattering region causing strong feedback to generate the laser radiation. provided an effective vertical outcoupling of (8). In the DFB structure, laser oscillation occurs when the Bragg condition mλ Bragg = 2 n eff Λ is satisfied (5), where m is the diffraction order, λ Bragg is the Bragg wavelength, n eff is the effective refractive index of the gain medium, and Λ is the grating. is the cycle of Using the reported values of n eff and λ Bragg for BSBCz (37–39), the grating periods of the mixed order (m = 1, 2) DFB laser device are calculated to be 140 and 280 nm, respectively. These gratings were directly etched into the silicon dioxide surface using electron beam lithography and reactive ion etching for an area of 5 X 5 mm 2 . It should be noted that the optical simulation and experimental data reported in Figs. 16-17 and Tables S1-S3 (see Supplementary Material section A) were considered to select the parameters used in the resonator design.

본 명세서에 따르면, 도 13B-C의 주사 전자 현미경 (SEM) 영상에 의해 도시된 바와 같이, 이 연구에서 제조된 DFB 그레이팅은 약 65 ± 5 nm의 그레이팅 깊이를 갖는 140 ± 5 및 280 ± 5 nm의 그레이팅 주기를 가진다. 각각의 1차 및 2차 DFB 그레이팅의 길이는 각각 약 15.12 및 10.08 ㎛였다. 200 nm의 두께를 가지는 BSBCz 니트막 및 BSBCz:CBP (6:94 wt% 및 20:80 wt%) 블렌드막을 진공 증착에 의해 그레이팅 상부에서 제조하였다. 도 13D-E에 도시된 바와 같이, 유기층의 표면 형태는 20 내지 30 ㎚의 표면 변조 깊이를 갖는 그레이팅 구조를 나타낸다. 준 연속파 및 롱 펄스 영역에서 작동하는 DFB 레이저의 효율성과 안정성을 크게 향상시키기 위해 장치를 질소 충진된 글로브 박스에서 캡슐화하였다 (40). 이 목적을 위해, 0.05 ㎖의 CYTOP (약 1.35의 굴절률을 갖는 화학적으로 튼튼하고 광학적으로 투명한 플루오로 중합체)을 유기층의 상부에 직접 스핀-코팅하고, 그 후 중합체막을 BSBCz 레이저 동작 파장에서 양호한 열전도도 (300 K에서 TC ~ 25 Wm-1K-1) 및 양호한 투명성으로 인해 선택되는 투명한 사파이어 리드로 덮어서 유기 레이저 장치를 밀폐하였다. CYTOP 막은 일반적으로 약 2 μm의 두께를 가지며 BSBCz 막의 광학 물성에 영향을 미치지 않는 것으로 판명되었다 (도 18).According to the present specification, the DFB gratings prepared in this study were 140 ± 5 and 280 ± 5 nm with a grating depth of about 65 ± 5 nm, as shown by the scanning electron microscopy (SEM) images of Figs. 13B-C. has a grating period of The length of each primary and secondary DFB grating was about 15.12 and 10.08 μm, respectively. A BSBCz neat film having a thickness of 200 nm and a BSBCz:CBP (6:94 wt% and 20:80 wt%) blend film were prepared on the grating by vacuum deposition. 13D-E, the surface morphology of the organic layer exhibits a grating structure with a surface modulation depth of 20 to 30 nm. To significantly improve the efficiency and stability of DFB lasers operating in the quasi-continuous-wave and long-pulse regions, the device was encapsulated in a nitrogen-filled glove box (40). For this purpose, 0.05 ml of CYTOP (a chemically robust and optically transparent fluoropolymer with a refractive index of about 1.35) is spin-coated directly on top of the organic layer, and then the polymer film has good thermal conductivity at the BSBCz laser operating wavelength. (TC ~ 25 Wm -1 K -1 at 300 K) and the organic laser device was sealed by covering with a transparent sapphire lead, which was chosen for its good transparency. It was found that the CYTOP film generally had a thickness of about 2 μm and did not affect the optical properties of the BSBCz film (Fig. 18).

BSBCz 니트막 또는 BSBCz:CBP (6:94 wt%) 블렌드막을 게인 매체로 사용하는 캡슐화된 혼합차수 DFB 장치의 레이저 동작 특성을 먼저 20 Hz의 반복률과 337 nm의 파장에서 800 ps의 펄스를 전달하는 질소 가스 레이저를 사용하여 펄스 광학 펌핑 하에 조사하였다 (보충 자료 섹션 B 및 도 19 참조). CBP 블렌드막의 경우, 여기 광은 주로 CBP 호스트에 의해 흡수되지만, CBP 방출과 BSBCz 흡수 사이의 큰 스펙트럼 중첩은 호스트에서 게스트 분자로의 효율적인 포르스터 유형의 에너지 전달을 보장한다. 이는 337 nm 광 여기 하에서 CBP 방출이 없는 것에 의해 확인되었다. 도 19에 도시된 결과에 따르면 니트막 및 블렌드막 장치는 800 ps 펄스 영역에서 각각 0.22 및 0.09 μJcm-2의 낮은 레이저 동작 임계를 보이는 것으로 나타났다. 두 경우 모두 이들 값은 BSBCz:CBP 블렌드에서 증폭된 자연증폭방출 (ASE) (0.30 μJcm-2) (39) 및 2차 DFB 레이저 (0.22 μJcm-2) (35)에 대해 이전에 보고된 임계보다 낮으며 (35-39), 고성능 유기 고체 레이저에 대한 혼합차수 그레이팅의 잠재력을 뒷받침해 주고 있다 (8). 중요하게도, 이 펄스 광학 펌핑 영역에서의 장치 캡슐화는 혼합차수 DFB 레이저의 임계 및 레이저 동작 파장을 변형시키지 않는 것으로 밝혀졌다.The laser operation characteristics of an encapsulated mixed-order DFB device using a BSBCz neat film or a BSBCz:CBP (6:94 wt%) blend film as a gain medium were first investigated by delivering a pulse of 800 ps at a repetition rate of 20 Hz and a wavelength of 337 nm. A nitrogen gas laser was used to irradiate under pulsed optical pumping (see Supplementary Material section B and FIG. 19 ). For the CBP blend film, the excitation light is mainly absorbed by the CBP host, but the large spectral overlap between the CBP emission and the BSBCz absorption ensures efficient Forster-type energy transfer from the host to the guest molecule. This was confirmed by the absence of CBP emission under 337 nm light excitation. According to the results shown in FIG. 19, the neat film and the blend film device showed low laser operation thresholds of 0.22 and 0.09 μJcm -2 in the 800 ps pulse region, respectively. In both cases these values were above thresholds previously reported for amplified spontaneously amplified emission (ASE) (0.30 μJcm −2 ) (39) and secondary DFB lasers (0.22 μJcm −2 ) (35) in the BSBCz:CBP blend. low (35–39), supporting the potential of mixed-order gratings for high-performance organic solid-state lasers (8). Importantly, it has been found that device encapsulation in this pulsed optical pumping region does not modify the critical and laser operating wavelengths of mixed-order DFB lasers.

유기 반도체 DFB 레이저에서의 준 연속파 레이저 동작Quasi-continuous-wave laser operation in organic semiconductor DFB lasers

서로 다른 공진기 구조를 갖는 다양한 BSBCz 및 BSBCz:CBP (6:94 wt%) DFB 장치들의 레이저 동작 특성이 광학 펌핑을 위해 Ti 사파이어 레이저로부터의 파장 365 nm 및 폭 10 ps의 광학 펄스를 사용하여 준 연속파 영역에서 조사되었다. 도 14A-C는 임계 이상의 레이저 진동 및 대표적인 캡슐화 블렌드 혼합차수 DFB 장치에서의 상이한 반복률에서의 방출 강도의 상응하는 변화의 스트리크 카메라 영상을 도시한다. 여기 광 강도는 약 0.5 μJcm-2로 고정되었다. 광 여기의 반복률을 10 kHz에서 80 MHz로 증가시킬 때 레이저 진동들 사이의 시간 간격은 100 μs에서 12.5 ns로 점차 감소되었다. 가장 높은 반복률 (> 1 MHz)의 경우, DFB 레이저 출력은 500 μs 창에서 연속적인 것으로 보이며 80 MHz의 최고 반복률에서도 장치가 준 연속파 영역에서 적절하게 작동된다는 것을 의미한다. 이러한 높은 반복률에서 DFB 장치를 작동시킬 가능성은, BSBCz:CBP 블렌드에서의 무시할 수 있는 삼중항 엑시톤의 형성으로 인한 적은 TA 손실 및 STA ??칭과 명백하게 관련된다 (35).The laser operating characteristics of various BSBCz and BSBCz:CBP (6:94 wt%) DFB devices with different resonator structures were analyzed using quasi-continuous wave optical pulses with a wavelength of 365 nm and a width of 10 ps from a Ti sapphire laser for optical pumping. area was investigated. 14A-C show streak camera images of above-threshold laser oscillations and corresponding changes in emission intensity at different repetition rates in a representative encapsulated blend mixed-order DFB device. The excitation light intensity was fixed at about 0.5 μJcm −2 . When the repetition rate of the optical excitation was increased from 10 kHz to 80 MHz, the time interval between laser oscillations gradually decreased from 100 μs to 12.5 ns. For the highest repetition rate (> 1 MHz), the DFB laser output appears continuous in the 500 µs window, meaning that even at the highest repetition rate of 80 MHz, the device operates properly in the quasi-continuous wave region. The possibility of operating the DFB device at such high repetition rates is clearly associated with low TA loss and STA quenching due to the formation of negligible triplet excitons in the BSBCz:CBP blend (35).

BSBCz 니트막 또는 블렌드막을 기반으로 하는 캡슐화되지 않은 혼합차수 및 2차 DFB 장치로 유사한 실험을 수행하였다. 각각의 장치에 대해, 여러 반복률에서 얻어진 레이저 출력 강도가 레이저 동작 임계를 결정하기 위해 여기 강도에 따라 측정되었고, 10 kHz 및 80 MHz의 반복률에서 대표적인 캡슐화 블렌드 혼합차수 DFB 장치에 대한 결과가 도 20에 도시되어 있다. 서로 다른 장치에서의 레이저 동작 임계의 반복률 의존성이 도 14D에 요약되어 있다. 레이저 동작 임계 (Eth)는 본질적으로 거의 100%의 PLQY 및 이러한 게인 매체에서의 농도 ??칭의 억제로 인해 6 wt% 블렌드 DFB 레이저에서 항상 낮았다 (BSBCz 니트막에서의 76 %의 PLQY와 비교) (36). 결과는 또한 혼합차수 DFB 공진기 구조로 가장 낮은 임계가 얻어졌음을 보여주고 있다. 현저하게 모든 장치의 레이저 동작 임계는 반복률이 10 kHz에서 8 MHz로 증가되었을 때 단지 매우 약간만 증가하였다. BSBCz 시스템에서 의미있는 삼중항 축적이 없기 때문에 (35), 반복률로 임계를 약간 증가시키는 것은 고 강도 준 연속파 조사 하에서의 장치의 미세한 열화로부터 기인하는 것이다 (도 21 참조). 흥미롭게도, 캡슐화 블렌드 혼합차수 DFB 레이저는 최저 임계 (10 kHz에서의 0.06 μJcm2 으로부터 80 MHz에서의 0.25 μJcm2까지 변화)를 나타내었으며, 80 MHz에서 적절하게 작동되는 유일한 장치였다. 다른 장치가 80 MHz에서 광학적으로 펌핑되었을 때 방출 강도는 매우 빠르게 감소되었으며 유기막의 빠른 열화 전에 스트리크 카메라로 검출된 방출 스펙트럼의 FWHM 값은 일반적으로 7 내지 8 nm 근처에서 더 컸다 (도 22). 이는 DFB 장치의 캡슐화가 열화, 추측컨대 고강도 80 MHz 광 여기 하에서 발생하는 유기 박막의 레이저 제거를 현저하게 줄이는데 필요하다. 캡슐화로 인한 장치 열화의 이러한 감소는 추측컨대 도 14d에서 관찰되는 레이저 동작 임계의 저하에 대한 원인일 것이다.Similar experiments were performed with unencapsulated mixed-order and second-order DFB devices based on BSBCz neat or blended membranes. For each device, the laser output intensities obtained at different repetition rates were measured according to the excitation intensity to determine the laser operation threshold, and the results for representative encapsulated blend mixed-order DFB devices at repetition rates of 10 kHz and 80 MHz are shown in FIG. is shown. The repetition rate dependence of the laser operation threshold in different devices is summarized in Fig. 14D. The laser operating threshold (E th ) was always low in the 6 wt% blend DFB laser due to an essentially nearly 100% PLQY and suppression of concentration quenching in this gain medium (compared to a PLQY of 76% in the BSBCz neat film). (36). The results also show that the lowest threshold was obtained with the mixed-order DFB resonator structure. Remarkably, the laser operating thresholds of all devices increased only very slightly when the repetition rate was increased from 10 kHz to 8 MHz. Since there is no significant triplet accumulation in the BSBCz system (35), the slight increase in the threshold with repetition rate results from the microscopic degradation of the device under high-intensity quasi-continuous wave irradiation (see Fig. 21). Interestingly, the encapsulated blend mixed-order DFB laser exhibited the lowest threshold (changed from 0.06 μJcm 2 at 10 kHz to 0.25 μJcm 2 at 80 MHz) and was the only device that operated properly at 80 MHz. When the other device was optically pumped at 80 MHz, the emission intensity decreased very quickly and the FWHM values of the emission spectra detected with the streak camera before the rapid degradation of the organic film were generally larger around 7-8 nm (Fig. 22). This is necessary for encapsulation of the DFB device to significantly reduce degradation, presumably laser ablation of organic thin films under high-intensity 80 MHz optical excitation. This reduction in device degradation due to encapsulation is presumably responsible for the lowering of the laser operating threshold observed in FIG. 14D .

8 MHz에서의 준 연속파 광학 펌핑 하에서 서로 다른 블렌드 DFB 장치의 작동 안정성을 조사하였다. 80 MHz의 반복률에서 캡슐화 혼합차수 DFB 레이저로 유사한 실험을 수행하였다. 서로 다른 DFB 레이저 출력 강도의 시간적 변화는 각 장치의 레이저 동작 임계보다 1.5 배 큰 펌핑 강도를 사용하여 20분 동안 모니터링 되었다 (도 23). 이러한 결과는 그레이팅 구조 및 캡슐화의 선택을 통해 레이저 동작 임계가 감소될 때 작동 안정성이 개선되었음을 보여주는 것이다. 더 높은 임계를 갖는 장치에서 레이저 동작을 얻기 위해서는 더 높은 펌핑 강도가 필요하였으며, 이로 인해 레이저 유도 열적 열화가 더욱 빨라지게 되었다. 더 중요하게는, 비캡슐화 DFB 장치는 80 MHz에서 준 연속파 광학 펌핑 하에 잘 작동되지 않았지만, 캡슐화 유기 레이저로부터의 방출 출력 강도는 20분 후에 초기값의 96%로 감소했다. 이러한 탁월한 작동 안정성은 준 연속파 영역에서 작동되는 유기 반도체 DFB 레이저의 성능에 대한 캡슐화에 의한 핵심 역할을 부각시키는 것이다.The operational stability of different blend DFB devices under quasi-continuous wave optical pumping at 8 MHz was investigated. A similar experiment was performed with an encapsulated mixed-order DFB laser at a repetition rate of 80 MHz. The temporal change of the different DFB laser output intensities was monitored for 20 min using a pumping intensity 1.5 times greater than the laser operating threshold of each device (Fig. 23). These results show that the operating stability is improved when the laser operating threshold is reduced through the choice of grating structure and encapsulation. Higher pumping intensities were required to obtain laser operation in devices with higher thresholds, which resulted in faster laser-induced thermal degradation. More importantly, the unencapsulated DFB device did not work well under quasi-continuous wave optical pumping at 80 MHz, but the emission power intensity from the encapsulated organic laser decreased to 96% of its initial value after 20 min. This excellent operational stability highlights the key role played by encapsulation in the performance of organic semiconductor DFB lasers operating in the quasi-continuous wave region.

유기 반도체 organic semiconductor DFBDFB 레이저에서의 진정한 연속파 레이저 동작 True continuous wave laser operation in lasers

가변 스트라이프 길이 방법을 사용하여 200 nm 두께의 BSBCz:CBP (20:80 wt%) 막의 자연증폭방출 (ASE) 특성을 조사하여 롱 펄스 광 조사 하에서 광학 게인 및 손실계수에 대한 이해를 얻었다. 도 24에 도시된 바와 같이 (보충 자료의 표 S4 및 섹션 C 참조), 50 μs의 롱 펄스로 405 nm에서 광학적으로 펌핑된 막은 1.5 kWcm-2의 펌핑 세기에 대해 40 cm-1의 높은 순 게인 계수 및 3 cm-1의 손실계수를 나타낸다. 이것은 BSBCz가 롱 펄스 광 여기 하에서 작동되는 유기 반도체 레이저의 뛰어난 후보라는 의견을 명백하게 뒷받침해 주고 있는 것이다. 연속파 모드에서의 DFB 장치의 레이저 동작 특성은 405 nm에서 방출되는 무기 레이저 다이오드를 사용하여 조사되었다. CBP의 흡수가 이러한 여기 파장에서 무시될 수 있기 때문에 (30), 블렌드 내의 BSBCz의 농도는 레이저 다이오드 펌핑 방출의 하베스팅 (harvesting)을 향상시키기 위해 20 wt%로 증가되었다. 20 wt% 블렌드의 PLQY는 약 86%로 측정되었다. 도 15A는 연속파 여기 펄스 폭이 800 ㎲ 및 30 ms인 경우 각각 200 Wcm-2 및 2.0 kWcm-2의 펌핑 세기에서 측정된 캡슐화 20 wt% 블렌드 혼합차수 DFB 레이저 방출의 100 펄스에 걸쳐 통합된 스트리크 카메라 영상들을 도시한다. 도 25의 상응하는 방출 스펙트럼은 캡슐화 DFB 레이저가 30 ms 이상으로 확실히 연장될 수 있는 레이저 동작 지속 시간으로 롱 펄스 영역에서 적절히 작동된다는 도 15B의 도면과 함께 추가 증거를 제공한다. 도 26의 다른 데이터는 30 ms의 롱 펄스 광 여기 하에서의 레이저 동작의 추가 증거를 제공한다. 도 27에 도시된 바와 같이, DFB 레이저 방출 출력 강도는 연속적인 30 ms 장 여기 펄스의 수를 10에서 500으로 증가시킬 때 감소되었으며, 아마도 강한 조사 하에서 게인 매체의 열적 열화로 인한 것일 것이다. 고 열전도성 실리콘과 사파이어 사이에서의 장치 캡슐화가 OSL의 성능과 안정성을 확실히 전례없는 수준으로 향상시켰지만, 실제적인 연속파 유기 레이저 기술을 미래에 개발하기 위해서는 열 방출이 개선되어야 할 필요가 있음을 알 수 있다. 도 27은 또한 TA 또는 STA에 의한 단일항 엑시톤의 ??칭이 BSBCz에서 발생하지 않음을 도시한다 (보충 자료 섹션 D 참조). 결과는 BSBCz의 방출과 삼중항 흡수 사이에서 중첩이 무시할 만하며, 강한 연속파 광 여기 하에서도 게인 매체에서의 유해한 삼중항 손실이 없음을 확인시켜준다 (35). 연속파 레이저 동작에 대한 주장을 인증하기 위해서, 임계 이하 및 이상에서의 방출 빔의 수렴, 및 그것의 편광을 조사하였다. 도 28 내지 29에 도시된 결과는 롱 펄스 광 조사 하에서 BSBCz DFB 장치에서 레이저 동작이 적절히 작동된다는 것을 확인시켜준다.By using the variable stripe length method to investigate the spontaneous amplification emission (ASE) characteristics of a 200 nm thick BSBCz:CBP (20:80 wt%) film, an understanding of the optical gain and loss factor under long-pulse light irradiation was obtained. As shown in Fig. 24 (see Table S4 and section C of the Supplementary Material), the optically pumped membrane at 405 nm with a long pulse of 50 μs had a high net gain of 40 cm −1 for a pumping intensity of 1.5 kWcm −2 . coefficient and a loss coefficient of 3 cm -1 are shown. This clearly supports the opinion that BSBCz is an excellent candidate for organic semiconductor lasers operating under long-pulse light excitation. The laser operating characteristics of the DFB device in continuous wave mode were investigated using an inorganic laser diode emitting at 405 nm. Since the absorption of CBP is negligible at this excitation wavelength (30), the concentration of BSBCz in the blend was increased to 20 wt% to enhance harvesting of laser diode pumped emission. The PLQY of the 20 wt % blend was measured to be about 86%. 15A shows integrated streaks over 100 pulses of encapsulated 20 wt% blend mixed-order DFB laser emission measured at pumping intensities of 200 Wcm -2 and 2.0 kWcm -2 , respectively, for continuous wave excitation pulse widths of 800 μs and 30 ms. Shows camera images. The corresponding emission spectrum of Fig. 25 provides further evidence together with the diagram of Fig. 15B that the encapsulating DFB laser operates properly in the long pulse region with laser operating durations that can certainly extend beyond 30 ms. Other data in FIG. 26 provide further evidence of laser operation under long pulsed light excitation of 30 ms. As shown in Fig. 27, the DFB laser emission output intensity decreased when the number of successive 30 ms field excitation pulses was increased from 10 to 500, probably due to thermal degradation of the gain medium under intense irradiation. Although device encapsulation between highly thermally conductive silicon and sapphire has certainly improved the performance and stability of OSL to unprecedented levels, it can be seen that heat dissipation needs to be improved for future development of practical continuous wave organic laser technology. have. 27 also shows that quenching of singlet excitons by TA or STA does not occur in BSBCz (see Supplementary Material Section D). The results confirm that the overlap between the emission and triplet absorption of BSBCz is negligible, and there is no deleterious triplet loss in the gain medium even under strong continuous wave optical excitation (35). To substantiate claims for continuous wave laser operation, the convergence of the emission beam below and above the criticality, and its polarization were investigated. The results shown in FIGS. 28 to 29 confirm that the laser operation works properly in the BSBCz DFB device under long-pulse light irradiation.

유기 DFB 레이저 출력 강도 및 방출 스펙트럼은 서로 다른 구조 및 0.1 내지 1000 μs의 다양한 롱 펄스 지속 시간을 갖는 장치에서 여기 강도에 따라 측정되었다. 캡슐화 블렌드 혼합차수 장치에서 얻은 데이터의 예가 도 30에 도시되어 있다. 레이저 출력 강도의 기울기 효율의 급격한 변화는 레이저 동작 임계를 결정하기 위해 다시 사용되었다. 도 15C는 서로 다른 장치에서 측정된 레이저 임계의 펄스 지속 시간 의존성을 요약한 것이다. 준 연속파 영역에서 관찰된 경향과 유사하게도, BSBCz를 CBP 호스트에 혼합차수 DFB 공진기 구조를 사용하여 블렌드시키고 장치를 캡슐화하면 레이저 동작 임계가 상당히 낮아진다. BSBCz-니트막 기반 캡슐화 혼합차수 DFB 장치가 100 μs보다 긴 시간 동안 롱 펄스 영역에서 적절히 작동될 수 있었던 반면에, 캡슐화 블렌드 혼합차수 유기 DFB 레이저는 최저 레이저 동작 임계 (5 내지 75 Wcm- 2)를 보였으며 800 μs 이상의 지속 시간 동안 레이저 동작을 효과적으로 생성해낼 수 있었던 유일한 장치였다. 롱 펄스 영역에서 유기 반도체 레이저의 성능에 대한 캡슐화 리드로서 고 TC 사파이어를 선택함으로써 수행되는 핵심 역할에 대한 추가적인 증거를 제공하기 위해서, 사파이어 또는 유리 리드로 캡슐화된 혼합차수 블렌드 DFB 장치에서 얻은 레이저 동작 임계의 여기 지속 시간 의존성을 비교하였다. 도 31은 사파이어로 제작된 고 TC 리드를 사용하면 임계가 낮아지고 작동 안정성이 향상된다는 것을 명백하게 보여주고 있다.Organic DFB laser output intensity and emission spectra were measured according to excitation intensity in devices with different structures and various long pulse durations from 0.1 to 1000 μs. An example of data obtained from an encapsulating blend mixing order device is shown in FIG. 30 . The abrupt change in the efficiency of the slope of the laser output intensity was again used to determine the laser operation threshold. Figure 15C summarizes the pulse duration dependence of laser thresholds measured in different devices. Similar to the trend observed in the quasi-continuous wave region, blending BSBCz into a CBP host using a mixed-order DFB resonator structure and encapsulating the device significantly lowers the laser operation threshold. While the BSBCz-nit film-based encapsulated mixed-order DFB device could operate properly in the long pulse region for times longer than 100 μs, the encapsulated blend mixed-order organic DFB laser achieved the lowest laser operation threshold (5 to 75 Wcm −2 ). It was the only device capable of effectively generating laser motion for durations greater than 800 μs. To provide additional evidence for the key role played by the selection of high TC sapphire as the encapsulation lead for the performance of organic semiconductor lasers in the long pulse region, laser motion thresholds obtained from mixed-order blend DFB devices encapsulated with sapphire or glass leads. We compared the excitation duration dependence of Figure 31 clearly shows that the use of high TC leads made of sapphire lowers the threshold and improves operational stability.

캡슐화 유무에 따른 혼합차수 DFB 레이저의 작동 안정성은 200 W/cm-2의 펌프 강도로 100 μs의 여기 펄스 수에 따라 레이저 동작 임계 이상으로 이들 장치의 레이저 방출 출력 강도를 모니터링함으로써 롱 펄스 영역에서 특성화되었다. 도 15D에 도시된 바와 같이, 방출 강도는 모든 장치에서 시간이 지남에 따라 점차 감소되었고, 이러한 감소는 비가역적이며 유기 게인 매체의 레이저 유도 열적 열화를 나타내는 것이었다. 주목할 점은, 작동 안정성은 캡슐화에 의해 크게 개선되었고 캡슐화 블렌드 장치에 대해서 명백하게 최고였다는 것이다. 후자의 경우 레이저 출력 강도는 500 펄스 후에 3%만 감소하였다. 도 32는 1 ms의 폭 및 200 Wcm-2의 여기 강도를 갖는 100 입사 펄스에 의한 조사 전후의 비캡슐화 블렌드 혼합차수 DFB 레이저의 레이저 현미경 영상을 도시한다. 캡슐화 장치에서 레이저 유도 열적 열화의 징후는 관찰되지 않았지만, 절개 깊이 약 125 nm의 비캡슐화 장치에서 레이저 절삭이 일어났다. 제안된 캡슐화 기술에 의해 레이저 절삭을 크게 감소시킬 수 있는 가능성은 연속파 유기 반도체 레이저 기술의 향후 개발에 매우 중요한 것이다. 본 장치가 실제 연속파 작동 방식에 대해서 어떻게 제한되는지 결론을 도출하기 위해서, 장치의 열 방출에 대한 열 시뮬레이션이 수행되었으며 도 38 내지 42에 보고되어 있다 (보충 자료 표 S4 및 섹션 E 참조). 이들 결과는 장치의 열적 특성에 대한 펌프 펄스 폭의 영향 및 캡슐화의 역할을 보여주고 있다. 특히, 캡슐화가 이 연구에서 중요한 요소인 것으로 밝혀졌지만, 향후 연구에서 CYTOP는 더 나은 열전도도를 갖는 다른 재료로 대체되어야 한다는 것이 시뮬레이션을 통해 제시되고 있다.The operational stability of mixed-order DFB lasers with and without encapsulation was characterized in the long pulse region by monitoring the laser emission output intensity of these devices above the laser operating threshold with a number of excitation pulses of 100 μs with a pump intensity of 200 W/cm -2 . became As shown in Fig. 15D, the emission intensity gradually decreased over time in all devices, and this decrease was irreversible and indicative of laser-induced thermal degradation of the organic gain medium. Notably, the operational stability was greatly improved by the encapsulation and was clearly the best for the encapsulation blend device. In the latter case, the laser output intensity decreased only 3% after 500 pulses. 32 shows laser microscopy images of an unencapsulated blend mixed-order DFB laser before and after irradiation with 100 incident pulses with a width of 1 ms and an excitation intensity of 200 Wcm -2 . Although no signs of laser-induced thermal degradation were observed in the encapsulating device, laser ablation occurred in the non-encapsulated device with an incision depth of about 125 nm. The possibility of greatly reducing laser ablation by the proposed encapsulation technique is of great importance for the future development of continuous wave organic semiconductor laser technology. In order to draw conclusions about how the device is limited to the actual mode of continuous wave operation, thermal simulations of the heat dissipation of the device were performed and reported in Figures 38 to 42 (see Supplementary Material Table S4 and Section E). These results show the effect of the pump pulse width on the thermal properties of the device and the role of encapsulation. In particular, although encapsulation was found to be an important factor in this study, simulations suggest that CYTOP should be replaced with other materials with better thermal conductivity in future studies.

논의Argument

무기 연속파 고체 레이저의 첫 번째 시연은 약 40 년 전에 보고되었으며 (41), 그 이후 개발은 특히 근적외선 및 전자기 스펙트럼의 자외선/청색 영역의 파장에서 매우 성공적인 것으로 입증되었다 (42-45). 이러한 장치는 일반적으로 고진공 및 고온 조건에서 정교한 미세제조 기술을 필요로 하지만 최근에는 용액 처리된 무기 양자 우물을 사용하여 연속파 레이저 동작을 얻을 수 있다는 것이 입증되었다 (46). 반면에, 준 연속파와 롱 펄스 영역에서의 유기 반도체 레이저의 성능은 지금까지는 무기 반도체보다 훨씬 낮았다 (33, 35).The first demonstrations of inorganic continuous-wave solid-state lasers were reported about 40 years ago (41), and subsequent developments have proven very successful, especially at wavelengths in the near-infrared and ultraviolet/blue regions of the electromagnetic spectrum (42–45). Although these devices generally require sophisticated microfabrication techniques under high vacuum and high temperature conditions, it has recently been demonstrated that continuous wave laser operation can be achieved using solution-processed inorganic quantum wells (46). On the other hand, the performance of organic semiconductor lasers in the quasi-continuous wave and long pulse regions has so far been much lower than that of inorganic semiconductors (33, 35).

준 연속파 영역에서 80 MHz로 작동되며 300 ms의 500 번의 연속 펄스 후에도 롱 펄스 영역에서 여전히 작동되는 유기 반도체 레이저의 시연은 실제 연속파 유기 고체 레이저 기술의 발전을 위한 중요한 단계를 의미한다. 이 연구는 높은 PLQY, 높은 광학 게인을 가지며 레이저 동작 방출 피크와 TA 대역 사이에 스펙트럼 중첩이 없는 유기 레이저 동작 재료가 삼중항 손실을 억제하는 데 매우 바람직하며, 혼합차수 DFB 그레이팅과 조합될 때 낮은 임계 연속파 레이저를 달성할 수 있다는 사실을 강하게 뒷받침 하고 있다. 결과는 또한 기존의 유리 및 용융 실리카의 것보다 높은 열전도도 (47)를 갖는 실리콘 및 사파이어 캡슐화 리드의 사용이 유기 DFB 레이저의 효율 및 안정성을 분명하게 개선시켰다는 것을 입증하고 있지만, 강한 연속파 광학 펌핑 하에서의 유기 게인 매체의 레이저 유도 열적 열화는 가까운 장래에 극복될 필요가 있는 가장 심각한 문제로 남아있다. 또한 연속파 유기 반도체 레이저의 작동 안정성을 크게 향상시키는 추가 작업은 낮은 연속파 레이저 동작 임계 및 향상된 열 안정성을 갖는 유기 반도체 게인 매체의 개발뿐만 아니라 효율적인 열 방출 시스템의 장치로의 통합에 초점을 맞추어야만 하며, 연속파 무기 고체 레이저에서 열 관리를 개선하기 위해 개발된 이전의 접근법을 고려해야 한다 (48, 49). 또한, 더 우수하고 효율적인 게인 재료를 찾는 것 외에도, 공진기 기하학 및 레이저 구조의 추가적인 최적화로 레이저 동작 임계를 낮추어야 하며 연속파 유기 레이저 기술의 개발 및 전기 펌핑 유기 레이저 다이오드의 구현을 위한 중요한 미래 방향을 제시해야 한다.The demonstration of an organic semiconductor laser operating at 80 MHz in the quasi-continuous wave region and still operating in the long pulse region after 500 continuous pulses of 300 ms represents an important step for the development of actual continuous-wave organic solid-state laser technology. This study shows that an organic laser-operated material with high PLQY, high optical gain and no spectral overlap between the laser-operated emission peak and TA band is highly desirable for suppressing triplet loss, and when combined with mixed-order DFB grating, low criticality There is strong support for the fact that continuous wave lasers can be achieved. The results also demonstrate that the use of silicon and sapphire encapsulated leads with higher thermal conductivity (47) than those of conventional glass and fused silica clearly improved the efficiency and stability of organic DFB lasers, but under strong continuous wave optical pumping. Laser-induced thermal degradation of organic gain media remains the most serious problem that needs to be overcome in the near future. In addition, further work to significantly improve the operational stability of continuous wave organic semiconductor lasers should focus on the development of organic semiconductor gain media with low continuous wave laser operating threshold and improved thermal stability, as well as integration into devices of efficient heat dissipation systems, Previous approaches developed to improve thermal management in continuous wave inorganic solid-state lasers should be considered (48, 49). Furthermore, in addition to finding better and more efficient gain materials, further optimization of the resonator geometry and laser structure should lower the laser operation threshold and present important future directions for the development of continuous wave organic laser technology and the implementation of electrically pumped organic laser diodes. do.

재료와 방법materials and methods

장치 제조device manufacturing

1 μm 두께의 열 성장시킨 이산화규소 층으로 덮인 실리콘 기판을 중성 세제, 순수, 아세톤 및 이소프로판올을 사용하여 초음파 세척한 다음 UV-오존 처리를 하였다. 이산화규소 표면을 헥사메틸디실라잔 (HMDS)으로 4000 rpm에서 15 초 동안 스핀 코팅하여 처리하였고 120℃에서 120 초 동안 어닐링 처리하였다. 약 70 nm 두께의 레지스트 층을 ZEP520A-7 용액 (ZEON Co.)으로부터 4000 rpm으로 30 초 동안 기판 위에 스핀 코팅하고 180℃에서 240 초 동안 베이킹 하였다. 0.1 nCcm-2의 최적화된 선량을 갖는 JBX-5500SC 시스템 (JEOL)을 사용하여 레지스트 층 위에 그레이팅 패턴을 도출하기 위해 전자빔 리소그래피를 수행하였다. 전자선 조사 후, 실온에서 현상액 (ZED-N50, Zeon Co.)에서 패턴을 현상하였다. 패턴화된 레지스트 층을 에칭 마스크로 사용하였으며 기판을 EIS-200ERT 에칭 시스템 (ELIONIX)을 사용하여 CHF3로 플라즈마 에칭하였다. 기판으로부터 레지스트 층을 완전히 제거하기 위해, 기판을 FA-1EA 에칭 시스템 (SAMCO)을 사용하여 O2로 플라즈마 에칭하였다. 이산화규소 표면에 형성된 그레이팅은 SEM (SU8000, Hitachi)으로 관찰되었다. 레이저 장치를 완성하기 위해, 2.0 x 10-4 Pa의 압력 하에서 0.1 내지 0.2 nms-1의 총 증발 속도의 열 증발에 의해 200 nm 두께의 6 또는 20 wt% BSBCz:CBP 블렌드막과 BSBCz 니트막을 그레이팅 위에 마련하였다. 마지막으로 CYTOP (Asahi Glass Co. Ltd., Japan) 0.05 ml를 DFB 레이저 장치에 1000 rpm으로 30 초 동안 직접 스핀 코팅한 후 사파이어 리드들 사이에 끼워서 레이저 장치의 상단을 밀봉하고 밤새 진공 하에 건조시켰다.A silicon substrate covered with a 1 μm-thick thermally grown silicon dioxide layer was ultrasonically cleaned using neutral detergent, pure water, acetone and isopropanol, followed by UV-ozone treatment. The silicon dioxide surface was treated by spin coating with hexamethyldisilazane (HMDS) at 4000 rpm for 15 seconds and annealed at 120° C. for 120 seconds. A resist layer with a thickness of about 70 nm was spin-coated from a ZEP520A-7 solution (ZEON Co.) at 4000 rpm for 30 seconds on the substrate and baked at 180° C. for 240 seconds. Electron beam lithography was performed to derive a grating pattern on the resist layer using a JBX-5500SC system (JEOL) with an optimized dose of 0.1 nCcm -2 . After electron beam irradiation, the pattern was developed in a developer (ZED-N50, Zeon Co.) at room temperature. The patterned resist layer was used as an etch mask and the substrate was plasma etched with CHF 3 using an EIS-200ERT etch system (ELIONIX). To completely remove the resist layer from the substrate, the substrate was plasma etched with O 2 using a FA-1EA etching system (SAMCO). The grating formed on the silicon dioxide surface was observed by SEM (SU8000, Hitachi). To complete the laser device, a 200 nm thick 6 or 20 wt% BSBCz:CBP blend film and a BSBCz neat film were grated by thermal evaporation with a total evaporation rate of 0.1 to 0.2 nms -1 under a pressure of 2.0 x 10 -4 Pa. provided above. Finally, 0.05 ml of CYTOP (Asahi Glass Co. Ltd., Japan) was directly spin-coated on a DFB laser device at 1000 rpm for 30 seconds, then sandwiched between sapphire leads to seal the top of the laser device and dried under vacuum overnight.

분광학 측정Spectroscopy Measurements

펄스 유기 레이저의 특성 규명을 위해, 질소 가스 레이저 (USHO, KEN-2020)로부터의 펄스 여기 광을 렌즈 및 슬릿을 통해 6 X 10-3 cm2 면적의 장치에 집속시켰다. 여기 파장은 337 nm, 펄스 폭은 0.8 ns, 반복률은 20 Hz이었다. 여기 광은 장치 평면에 수직 방향에 대해 약 20도로 장치에 입사되었다. 장치로부터 3 cm 떨어진 곳에 위치하는 다중채널 분광계 (PMA-50, Hamamatsu Photonics)에 연결되는 광섬유로 장치 표면에 대해 수직으로 방출된 광을 수집하였다. 여기 강도는 일련의 중립 밀도 필터를 사용하여 제어되었다. 준 연속파 작동을 위해, 모드 고정 주파수 이중 Ti 사파이어 레이저 (Millennia Prime, Spectra physics)를 사용하여 여기 파장 365 nm, 펄스 폭 10 ps, 반복률 0.01 내지 8 MHz의 여기 광을 생성하였다. 여기 광을 렌즈 및 슬릿을 통해 1.9 × 10-4 cm2 면적의 장치에 집속시켰으며, 방출된 광을 15 ps의 시간 해상도를 가지며 디지털 카메라 (C9300, Hamamatsu Photonics)에 연결되어 있는 스트리크 스코프 (C10627, Hamamatsu Photonics)를 사용하여 수집하였다. 진정한 연속파 동작을 위해 연속파 레이저 다이오드 (NICHIYA, NDV7375E, 최대 출력 1400 mW)를 사용하여 여기 파장 405 nm의 여기 광을 생성시켰다. 이러한 측정에서 펄스는 펄스 발생기 (WF 1974, NF Co.)로 작동되는 음향-광 변조기 (AOM, Gooch & Housego)를 사용하여 전달되었다. 여기 광은 렌즈와 슬릿을 통해 장치의 4.5 X 10-5 cm2의 면적에 집속되었고, 방출된 빛은 100 ps의 시간 해상도를 가지며 디지털 카메라 (C9300, Hamamatsu Photonics)에 연결된 스트리크 스코프 (C7700, Hamamatsu Photonics)를 사용하여 수집되었다. 방출 강도는 광전자증배관 (PMT) (C9525-02, Hamamatsu Photonics)을 사용하여 기록되었다. PMT 응답과 구동 구형파 신호는 다중 채널 오실로스코프 (Agilent Technologies, MSO6104A)에서 모니터되었다. 동일한 조사 및 검출 각을 앞서 설명한 바와 같이 이 측정에서 사용하였다. 여기 면적의 크기는 빔 프로파일러 (WimCamD-LCM, DataRay)를 사용하여 신중하게 확인하였다. 모든 측정은 수분과 산소로 인한 열화를 막기 위해 질소 기층 안에서 수행되었다. CH2Cl2에 BSBCz를 함유하는 용액을 제조하고, 사용하기 전에 아르곤으로 버블링시켰다. Nd:YAG 레이저 (Quanta-Ray GCR-130, Spectra-Physics)로부터의 파장 355 nm 및 FWHM 5 ns의 제3 고조파 레이저 광을 펌프광으로 사용하였고, Xe 램프로부터의 펄스 백색광을 스트리크 카메라 (C7700, Hamamatsu Photonics)를 사용하여 용액상의 삼중항 흡수 측정을 위한 탐침광으로 사용하였다.For the characterization of the pulsed organic laser, pulsed excitation light from a nitrogen gas laser (USHO, KEN-2020) was focused through a lens and a slit into a device with an area of 6 X 10 -3 cm 2 . The excitation wavelength was 337 nm, the pulse width was 0.8 ns, and the repetition rate was 20 Hz. The excitation light was incident on the device at about 20 degrees to a direction normal to the plane of the device. Light emitted perpendicular to the device surface was collected with an optical fiber connected to a multichannel spectrometer (PMA-50, Hamamatsu Photonics) located 3 cm away from the device. The excitation intensity was controlled using a series of neutral density filters. For quasi-continuous wave operation, excitation light with an excitation wavelength of 365 nm, a pulse width of 10 ps, and a repetition rate of 0.01 to 8 MHz was generated using a mode-fixed frequency dual Ti sapphire laser (Millennia Prime, Spectra physics). The excitation light was focused through a lens and a slit to a device with an area of 1.9 × 10 −4 cm 2 , and the emitted light was focused on a streak scope (C9300, Hamamatsu Photonics) connected to a digital camera (C9300, Hamamatsu Photonics) with a temporal resolution of 15 ps. C10627, Hamamatsu Photonics). For true continuous-wave operation, a continuous-wave laser diode (NICHIYA, NDV7375E, maximum output 1400 mW) was used to generate excitation light with an excitation wavelength of 405 nm. In these measurements the pulses were delivered using an acoustic-optical modulator (AOM, Gooch & Housego) operated as a pulse generator (WF 1974, NF Co.). The excitation light was focused on an area of 4.5 X 10 -5 cm 2 of the device through a lens and a slit, and the emitted light had a temporal resolution of 100 ps and a streak scope (C7700, Hamamatsu Photonics) connected to a digital camera (C9300, Hamamatsu Photonics). was collected using Hamamatsu Photonics). Emission intensity was recorded using a photomultiplier tube (PMT) (C9525-02, Hamamatsu Photonics). The PMT response and driving square wave signal were monitored on a multi-channel oscilloscope (Agilent Technologies, MSO6104A). The same irradiation and detection angles were used in this measurement as previously described. The size of the excitation area was carefully checked using a beam profiler (WimCamD-LCM, DataRay). All measurements were performed in a nitrogen atmosphere to prevent degradation due to moisture and oxygen. A solution containing BSBCz in CH 2 Cl 2 was prepared and bubbled with argon before use. Third harmonic laser light of wavelength 355 nm and FWHM 5 ns from Nd:YAG laser (Quanta-Ray GCR-130, Spectra-Physics) was used as pump light, and pulsed white light from Xe lamp was used as a streak camera (C7700, Hamamatsu Photonics) was used as a probe for triplet absorption measurements in solution phase.

참조 및 관련 문헌References and related literature

1. J. Clark, G. Lanzani, Organic photonics for communications. Nature Photon. 4, 438-446 (2010).1. J. Clark, G. Lanzani, Organic photonics for communications. Nature Photon. 4, 438-446 (2010).

2. D. Moses, High quantum efficiency luminescence from a conducting polymer in solution: A novel polymer laser dye. Appl. Phys. Lett. 60, 3215-3216 (1992).2. D. Moses, High quantum efficiency luminescence from a conducting polymer in solution: A novel polymer laser dye. Appl. Phys. Lett. 60, 3215-3216 (1992).

3. N. Tessler, G. J. Denton, R. H. Friend, Lasing from conjugated-polymer microcavities. Nature 382, 695-697 (1996).3. N. Tessler, G. J. Denton, R. H. Friend, Lasing from conjugated-polymer microcavities. Nature 382, 695-697 (1996).

4. F. Hide, M. A.

Figure 112017078655148-pat00010
, B. J. Schwartz, M. Andersson, Q. Pei, A. J. Heeger, Semiconducting polymers: a new class of solid-state laser materials. Science 273, 1833-1836 (1996).4. F. Hide, MA
Figure 112017078655148-pat00010
, BJ Schwartz, M. Andersson, Q. Pei, AJ Heeger, Semiconducting polymers: a new class of solid-state laser materials. Science 273, 1833-1836 (1996).

5. I. D. W. Samuel, G. A. Turnbull, Organic semiconductor lasers. Chem. Rev. 107, 1272-1295 (2007).5. I. D. W. Samuel, G. A. Turnbull, Organic semiconductor lasers. Chem. Rev. 107, 1272-1295 (2007).

6. S.

Figure 112017078655148-pat00011
, S. Forget, Recent advances in solid-state organic lasers. Polym. Int. 61, 390-406 (2012).6. S.
Figure 112017078655148-pat00011
, S. Forget, Recent advances in solid-state organic lasers. Polym. Int. 61, 390-406 (2012).

7. M. D. Mcgehee, A. J. Heeger, Semiconducting (conjugated) polymers as materials for solid-state lasers. Adv. Mater. 12, 1655-1668 (2000).7. M. D. Mcgehee, A. J. Heeger, Semiconducting (conjugated) polymers as materials for solid-state lasers. Adv. Mater. 12, 1655-1668 (2000).

8. C. Karnutsch, C. Pflumm, G. Heliotis, J. C. deMello, D. D. C. Bradley, J. Wang, T. Weimann, V. Haug, C.

Figure 112017078655148-pat00012
, U. Lemmer, Improved organic semiconductor lasers based on a mixed-order distributed feedback resonator design. Appl. Phys. Lett. 90 131104 (2007).8. C. Karnutsch, C. Pflumm, G. Heliotis, JC deMello, DDC Bradley, J. Wang, T. Weimann, V. Haug, C.
Figure 112017078655148-pat00012
, U. Lemmer, Improved organic semiconductor lasers based on a mixed-order distributed feedback resonator design. Appl. Phys. Lett. 90 131104 (2007).

9. G. Heliotis, R. Xia, D. D. C. Bradley, G. A Turnbull, I. D. W. Samuel, P. Andrew, W. L. Barnes, Two-dimensional distributed feedback lasers using a broadband, red polyfluorene gain medium. J. Appl. Phys. 96, 6959-6965 (2004).9. G. Heliotis, R. Xia, D. D. C. Bradley, G. A Turnbull, I. D. W. Samuel, P. Andrew, W. L. Barnes, Two-dimensional distributed feedback lasers using a broadband, red polyfluorene gain medium. J. Appl. Phys. 96, 6959-6965 (2004).

10. A. E. Vasdekis, G. Tsiminis, J. C. Ribierre, L. O'Faolain, T. Krauss, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, Diode pumped distributed Bragg reflector lasers based on a dye-to-polymer energy transfer blend. Opt. Expr. 14, 9211-9216 (2006).10. A. E. Vasdekis, G. Tsiminis, J. C. Ribierre, L. O'Faolain, T. Krauss, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, Diode pumped distributed Bragg reflector lasers based on a dye-to-polymer energy transfer blend. Opt. Expr. 14, 9211-9216 (2006).

11. J. C. Ribierre, G. Tsiminis, S. Richardson, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, H. S. Barcena, P. L. Burn, Amplified spontaneous emission and lasing properties of bisfluorene-cored dendrimers. Appl. Phys. Lett. 91, 081108 (2007).11. J. C. Ribierre, G. Tsiminis, S. Richardson, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, H. S. Barcena, P. L. Burn, Amplified spontaneous emission and lasing properties of bisfluorene-cored dendrimers. Appl. Phys. Lett. 91, 081108 (2007).

12. Y. Yang, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, Hybrid optoelectronics: A polymer laser pumped by a nitride light-emitting diode. Appl. Phys. Lett. 92, 163306 (2008).12. Y. Yang, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, Hybrid optoelectronics: A polymer laser pumped by a nitride light-emitting diode. Appl. Phys. Lett. 92, 163306 (2008).

13. G. Tsiminis, Y. Wang, A. L. Kanibolotsky, A. R. Inigo, P. J. Skabara, I. D. W. Samuel, G. A. Turnbull, Nanoimprinted organic semiconductor lasers pumped by a light-emitting diode. Adv. Mater. 25, 2826-2830 (2013).13. G. Tsiminis, Y. Wang, A. L. Kanibolotsky, A. R. Inigo, P. J. Skabara, I. D. W. Samuel, G. A. Turnbull, Nanoimprinted organic semiconductor lasers pumped by a light-emitting diode. Adv. Mater. 25, 2826-2830 (2013).

14. E. R. Martins, Y. Wang, A. L. Kanibolotsky, P. J. Skabara, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, Low-threshold nanoimprinted lasers using substructured gratings for control of distributed feedback. Adv. Opt. Mater. 1, 563-566 (2013).14. E. R. Martins, Y. Wang, A. L. Kanibolotsky, P. J. Skabara, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, Low-threshold nanoimprinted lasers using substructured gratings for control of distributed feedback. Adv. Opt. Mater. 1, 563-566 (2013).

15. J. Herrnsdorf, Y. Wang, J. J. D. McKendry, Z. Gong, D. Massoubre, B. Guilhabert, G. Tsiminis, G. A. Tunrbull, I. D. W. Samuel, N. Laurand, E. Gu, M. D. Dawson, Micro-LED pumped polymer laser: A discussion of future pump sources for organic lasers. Laser & Photon. Laser & Photon. Rev. 7, 1065-1078 (2013).15. J. Herrnsdorf, Y. Wang, J. J. D. McKendry, Z. Gong, D. Massoubre, B. Guilhabert, G. Tsiminis, G. A. Tunrbull, I. D. W. Samuel, N. Laurand, E. Gu, M. D. Dawson, Micro-LED pumped polymer laser: A discussion of future pump sources for organic lasers. Laser & Photon. Laser & Photon. Rev. 7, 1065-1078 (2013).

16. C. Grivas, M. Pollnau, Organic solid-state integrated amplifiers and lasers. Laser & Photon. Rev. 6, 419-462 (2012).16. C. Grivas, M. Pollnau, Organic solid-state integrated amplifiers and lasers. Laser & Photon. Rev. 6, 419-462 (2012).

17. C. Vannahme, S. Klinkhammer, U. Lemmer, T. Mappes, Plastic lab-on-a-chip for fluorescence excitation with integrated organic semiconductor lasers. Opt. Expr. 19, 8179-8186 (2011).17. C. Vannahme, S. Klinkhammer, U. Lemmer, T. Mappes, Plastic lab-on-a-chip for fluorescence excitation with integrated organic semiconductor lasers. Opt. Expr. 19, 8179-8186 (2011).

18. W. Zheng, L. He, Label-free, real-time multiplexed DNA detection using fluorescent conjugated polymers. J. Am. Chem. Soc. 131, 3432-3433 (2009).18. W. Zheng, L. He, Label-free, real-time multiplexed DNA detection using fluorescent conjugated polymers. J. Am. Chem. Soc. 131, 3432-3433 (2009).

19. Y. Wang, P. O. Morawska, A. L. Kanibolotsky, P. J. Skabara, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, LED pumped polymer laser sensor for explosives. Laser & Photon. Rev. 7, L71-L76 (2013).19. Y. Wang, P. O. Morawska, A. L. Kanibolotsky, P. J. Skabara, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, LED pumped polymer laser sensor for explosives. Laser & Photon. Rev. 7, L71-L76 (2013).

20. A. Rose, Z. Zhu, C. F. Madigan, T. M. Swager, V.

Figure 112017078655148-pat00013
, Sensitivity gains in chemosensing by lasing action in organic polymers. Nature 434, 876-879 (2005).20. A. Rose, Z. Zhu, CF Madigan, TM Swager, V.
Figure 112017078655148-pat00013
, Sensitivity gains in chemosensing by lasing action in organic polymers. Nature 434, 876-879 (2005).

21. I. D. W. Samuel, E. B. Namdas, G. A. Turnbull, How to recognize lasing. Nature Photon. 3, 546-549 (2009).21. I. D. W. Samuel, E. B. Namdas, G. A. Turnbull, How to recognize lasing. Nature Photon. 3, 546-549 (2009).

22. S. Z. Bisri, T. Takenobu, Y. Iwasa, The pursuit of electrically-driven organic semiconductor lasers. J. Mater. Chem. C 2, 2827-2836 (2014).22. S. Z. Bisri, T. Takenobu, Y. Iwasa, The pursuit of electrically-driven organic semiconductor lasers. J. Mater. Chem. C 2, 2827-2836 (2014).

23. E. Bornemann, E. Thiel, P. Haring Bolivar, High-power solid-state cw dye laser. Opt. Expr. 19, 26382-26393 (2011).23. E. Bornemann, E. Thiel, P. Haring Bolivar, High-power solid-state cw dye laser. Opt. Expr. 19, 26382-26393 (2011).

24. E. Bornemann, U. Lemmer, E. Thiel, Continuous-wave solidstate dye laser. Opt. Lett. 31, 1669-1671 (2006).24. E. Bornemann, U. Lemmer, E. Thiel, continuous-wave solidstate dye laser. Opt. Lett. 31, 1669-1671 (2006).

25. Z. Zhao, O. Mhibik, T. Leang, S. Forget, S.

Figure 112017078655148-pat00014
, Thermal effects in thin-film organic solid-state lasers. Opt. Expr. 22, 30092-30107 (2014).25. Z. Zhao, O. Mhibik, T. Leang, S. Forget, S.
Figure 112017078655148-pat00014
, Thermal effects in thin-film organic solid-state lasers. Opt. Expr. 22, 30092-30107 (2014).

26. N. C. Giebink, S. R. Forrest, Temporal response of optically pumped organic semiconductor lasers and its implication for reaching threshold under electrical excitation. Phys. Rev. B 79, 073302 (2009).26. N. C. Giebink, S. R. Forrest, Temporal response of optically pumped organic semiconductor lasers and its implication for reaching threshold under electrical excitation. Phys. Rev. B 79, 073302 (2009).

27. M. A. Baldo, R. J. Holmes, S. R. Forrest, Prospects for electrically pumped organic lasers. Phys. Rev. B 66, 035321 (2002).27. M. A. Baldo, R. J. Holmes, S. R. Forrest, Prospects for electrically pumped organic lasers. Phys. Rev. B 66, 035321 (2002).

28. M. Lehnhardt, T. Riedl, T. Weimann, W. Kowalsky, Impact of triplet absorption and triplet-singlet annihilation on the dynamics of optically pumped organic solid-state lasers. Phys. Rev. B 81, 165206 (2010).28. M. Lehnhardt, T. Riedl, T. Weimann, W. Kowalsky, Impact of triplet absorption and triplet-singlet annihilation on the dynamics of optically pumped organic solid-state lasers. Phys. Rev. B 81, 165206 (2010).

29. M. A. Stevens, C. Silva, D. M. Russell, R. H. Friend, Exciton dissociation mechanisms in the polymeric semiconductors poly(9,9-dioctylfluorene) and poly(9,9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole). Phys. Rev. B 63, 165213 (2001).29. M. A. Stevens, C. Silva, D. M. Russell, R. H. Friend, Exciton dissociation mechanisms in the polymeric semiconductors poly(9,9-dioctylfluorene) and poly(9,9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole). Phys. Rev. B 63, 165213 (2001).

30. L. Zhao, M. Inoue, K. Yoshida, A. S. D. Sandanayaka, J. H. Kim, J. C. Ribierre, C. Adachi, Singlet-triplet exciton annihilation nearly suppressed in organic semiconductor laser materials using oxygen as a triplet quencher. IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron. 22, 1300209 (2016).30. L. Zhao, M. Inoue, K. Yoshida, A. S. D. Sandanayaka, J. H. Kim, J. C. Ribierre, C. Adachi, Singlet-triplet exciton annihilation nearly suppressed in organic semiconductor laser materials using oxygen as a triplet quencher. IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron. 22, 1300209 (2016).

31. A. S. D. Sandanayaka, L. Zhao, D. Pitrat, J. C. Mulatier, T. Matsushima, C. Andraud, J. H. Kim, J. C. Ribierre, C. Adachi, Improvement of the quasi-continuous-wave lasing properties in organic semiconductor lasers using oxygen as triplet quencher. Appl. Phys. Lett. 108, 223301 (2016).31. A. S. D. Sandanayaka, L. Zhao, D. Pitrat, J. C. Mulatier, T. Matsushima, C. Andraud, J. H. Kim, J. C. Ribierre, C. Adachi, Improvement of the quasi-continuous-wave lasing properties in organic semiconductor lasers using oxygen as triplet quencher. Appl. Phys. Lett. 108, 223301 (2016).

32. S. Schols, A. Kadashchuk, P. Heremans, A. Helfer, U. Scherf, Triplet excitation scavenging in films of conjugated polymers. Chem. Phys. Chem. 10, 1071-1076 (2009).32. S. Schols, A. Kadashchuk, P. Heremans, A. Helfer, U. Scherf, Triplet excitation scavenging in films of conjugated polymers. Chem. Phys. Chem. 10, 1071-1076 (2009).

33. Y. F. Zhang, S. R. Forrest, Existence of continuous-wave threshold for organic semiconductor lasers. Phys. Rev. B 84, 241301 (2011).33. Y. F. Zhang, S. R. Forrest, Existence of continuous-wave threshold for organic semiconductor lasers. Phys. Rev. B 84, 241301 (2011).

34. T. Rabe, K. Gerlach, T. Riedl, H. H. Johannes, W. Kowalsky, J. Niederhofer, W. Gries, J. Wang, T. Weimann, P. Hinze, F. Galbrecht, U. Scherf, Quasi-continuous-wave operation of an organic thin-film distributed feedback laser. Appl. Phys. Lett. 89, 081115 (2006).34. T. Rabe, K. Gerlach, T. Riedl, H. H. Johannes, W. Kowalsky, J. Niederhofer, W. Gries, J. Wang, T. Weimann, P. Hinze, F. Galbrecht, U. Scherf, Quasi -continuous-wave operation of an organic thin-film distributed feedback laser. Appl. Phys. Lett. 89, 081115 (2006).

35. A. S. D. Sandanayaka, K. Yoshida, M. Inoue, K. Goushi, J. C. Ribierre, T. Matsushima, C. Adachi, Quasi-continuous-wave organic thin film distributed feedback laser. Adv. Opt. Mater. 4, 834-839 (2016).35. A. S. D. Sandanayaka, K. Yoshida, M. Inoue, K. Goushi, J. C. Ribierre, T. Matsushima, C. Adachi, Quasi-continuous-wave organic thin film distributed feedback laser. Adv. Opt. Mater. 4, 834-839 (2016).

36. H. Nakanotani, C. Adachi, S. Watanabe, R. Katoh, Spectrally narrow emission from organic films under continuous-wave excitation. Appl. Phys. Lett. 90, 231109 (2007).36. H. Nakanotani, C. Adachi, S. Watanabe, R. Katoh, Spectrally narrow emission from organic films under continuous-wave excitation. Appl. Phys. Lett. 90, 231109 (2007).

37. D. Yokoyama, M. Moriwake, C. Adachi, Spectrally narrow emissions at cutoff wavelength from edges of optically and electrically pumped anisotropic organic films. J. Appl. Phys. 103, 123104 (2008).37. D. Yokoyama, M. Moriwake, C. Adachi, Spectrally narrow emissions at cutoff wavelength from edges of optically and electrically pumped anisotropic organic films. J. Appl. Phys. 103, 123104 (2008).

38. H. Yamamoto, T. Oyamada, H. Sasabe, C. Adachi, Amplified spontaneous emission under optical pumping from an organic semiconductor laser structure equipped with transparent carrier injection electrodes. Appl. Phys. Lett. 84, 1401 (2004).38. H. Yamamoto, T. Oyamada, H. Sasabe, C. Adachi, Amplified spontaneous emission under optical pumping from an organic semiconductor laser structure equipped with transparent carrier injection electrodes. Appl. Phys. Lett. 84, 1401 (2004).

39. T. Aimono, Y. Kawamura, K. Goushi, H. Yamamoto, H. Sasabe, C. Adachi, 100% fluorescence efficiency of 4,4'-bis[(N-carbazole)styryl]biphenyl in a solid film and the very low amplified spontaneous emission threshold. Appl. Phys. Lett. 86, 071110 (2005).39. T. Aimono, Y. Kawamura, K. Goushi, H. Yamamoto, H. Sasabe, C. Adachi, 100% fluorescence efficiency of 4,4'-bis[(N-carbazole)styryl]biphenyl in a solid film and the very low amplified spontaneous emission threshold. Appl. Phys. Lett. 86, 071110 (2005).

40. S. Richardson, O. P. M. Gaudin, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, Improved operational lifetime of semiconducting polymer lasers by encapsulation. Appl. Phys. Lett. 91, 261104 (2007).40. S. Richardson, O. P. M. Gaudin, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, Improved operational lifetime of semiconducting polymer lasers by encapsulation. Appl. Phys. Lett. 91, 261104 (2007).

41. Z. I. Alzerov, V. M. Andreed, D. Z. Garbuzov, Y. V. Zhilyaev, E. P. Morozov, E. L. Portnoi, V. G. Trofim, Investigation of the influence of the AlAs-GaAs heterostructure parameters on the laser threshold current and the realization of continuous emission at room temperature. Sov. Phys. Semicond. 4, 1573-1575 (1971).41. Z. I. Alzerov, V. M. Andreed, D. Z. Garbuzov, Y. V. Zhilyaev, E. P. Morozov, E. L. Portnoi, V. G. Trofim, Investigation of the influence of the AlAs-GaAs heterostructure parameters on the laser threshold current and the realization of continuous emission at room temperature. Sov. Phys. Semicond. 4, 1573-1575 (1971).

42. M. Beck, D. Hofstetter, T. Aellen, J. Faist, U. Oesterle, M. Ilegems, E. Gini, H. Melchior, Continuous wave operation of a mid-infrared semiconductor laser at room temperature. Science 295, 301-305 (2002).42. M. Beck, D. Hofstetter, T. Aellen, J. Faist, U. Oesterle, M. Ilegems, E. Gini, H. Melchior, Continuous wave operation of a mid-infrared semiconductor laser at room temperature. Science 295, 301-305 (2002).

43. H. Rong, R. Jones, A. Liu, O. Cohen, D. Hak, A. Fang, M. A. Paniccia, A continuous-wave Raman silicon laser. Nature 433, 725-728 (2005).43. H. Rong, R. Jones, A. Liu, O. Cohen, D. Hak, A. Fang, M. A. Paniccia, A continuous-wave Raman silicon laser. Nature 433, 725-728 (2005).

44. T. Someya, Room temperature lasing at blue wavelengths in gallium nitride microcavities. Science 285, 1905-1906 (1999).44. T. Someya, Room temperature lasing at blue wavelengths in gallium nitride microcavities. Science 285, 1905-1906 (1999).

45. A. C. Tamboli, E. D. Haberer, R. Sharma, K. H. Lee, S. Nakamura, E. L. Hu, Room temperature continuous-wave lasing in GaN/InGaN microdisks. Nature Photon. 1, 61-64 (2007).45. A. C. Tamboli, E. D. Haberer, R. Sharma, K. H. Lee, S. Nakamura, E. L. Hu, Room temperature continuous-wave lasing in GaN/InGaN microdisks. Nature Photon. 1, 61-64 (2007).

46. J. Q. Grim, S. Christodoulou, F. Di Stasio, R. Krahne, R. Cingolani, L. Manna, I. Moreels, Continuous-wave biexciton lasing at room temperature using solution-processed quantum wells. Nature Nanotech. 9, 891-895 (2014).46. J. Q. Grim, S. Christodoulou, F. Di Stasio, R. Krahne, R. Cingolani, L. Manna, I. Moreels, Continuous-wave biexciton lasing at room temperature using solution-processed quantum wells. Nature Nanotech. 9, 891-895 (2014).

47. S. H. Choi, T. I. Lee, H. K. Baik, H. H. Roh, O. Kwon, D. H. Suh, The effect of electrode heat sink in organic-electronic devices. Appl. Phys. Lett. 93, 183301 (2008).47. S. H. Choi, T. I. Lee, H. K. Baik, H. H. Roh, O. Kwon, D. H. Suh, The effect of electrode heat sink in organic-electronic devices. Appl. Phys. Lett. 93, 183301 (2008).

48. Y. Bai, S. R. Darvish, S. Slivken, W. Zhang, A. Evans, J. Nguyen, M. Razeghi, Room temperature continuous wave operation of quantum cascade lasers with watt-level optical power. Appl. Phys. Lett. 92, 101105 (2008).48. Y. Bai, S. R. Darvish, S. Slivken, W. Zhang, A. Evans, J. Nguyen, M. Razeghi, Room temperature continuous wave operation of quantum cascade lasers with watt-level optical power. Appl. Phys. Lett. 92, 101105 (2008).

49. V. Spagnolo, A. Lops, G. Scamarcio, M. S. Vitiello, C. Di Franco, Improved thermal management of mid-IR quantum cascade lasers. J. Appl. Phys. 103, 043103 (2008).49. V. Spagnolo, A. Lops, G. Scamarcio, M. S. Vitiello, C. Di Franco, Improved thermal management of mid-IR quantum cascade lasers. J. Appl. Phys. 103, 043103 (2008).

[4] 보충 자료[4] Supplementary material

섹션 A. 광학 시뮬레이션Section A. Optical Simulation

1. 도입1. Introduction

최근 유기 반도체 레이저 (OSL)는 가시 범위의 파장 조율성, 저비용, 유연성 및 대면적 제조와 같은 유리한 특성 때문에 많은 주목을 받고 있다 [1]. 이러한 특성은 센싱, 디스플레이 어플리케이션, 데이터 저장 및 제로그래피 (xerography)를 비롯한 많은 적용에 대해 좋은 후보가 되도록 하고 있다. 그러나, 광학적으로 펌핑되는 유기 레이저만이 지금까지 실현되어 왔다. 게인 매체 특성을 향상시키고 [2], [3] 공진 공동을 최적화함으로써 [4] [5], [6] 광학적으로 펌핑되는 유기 레이저의 에너지 임계를 줄이는 데에 많은 노력이 집중되어왔다. 아직 실현되지 않은 전기 펌핑 유기 레이저를 달성한다는 관점에서, 에너지 임계를 더욱 감소시키기 위해서는 더 많은 최적화가 필요하다. 공진 공동과 관련해서는, 분산형 피드백 (DFB) 공진기 [7], [8], 분산형 브래그 공진기 (DBR) [9], 마이크로링 (microring) [10], 마이크로디스크 (microdisc) [11] 및 마이크로스피어 (microsphere) 공동 [12]을 포함하는 유기 게인 매체와 조합가능한 몇가지 형태가 있다. 공진기의 역할은 게인 매체에 의해 제공되는 광학 증폭 이외에 포지티브 광학 피드백을 제공하는 것이다.Recently, organic semiconductor lasers (OSLs) have attracted much attention because of their advantageous properties such as wavelength tunability in the visible range, low cost, flexibility, and large-area fabrication [1]. These properties make them good candidates for many applications including sensing, display applications, data storage and xerography. However, only optically pumped organic lasers have been realized so far. Much effort has been focused on reducing the energy threshold of optically pumped organic lasers [4] [5], [6] by improving the gain medium properties [2], [3] and optimizing the resonant cavity. Further optimization is needed to further reduce the energy threshold in terms of achieving an electrically pumped organic laser that has not yet been realized. With respect to resonant cavities, distributed feedback (DFB) resonators [7], [8], distributed Bragg resonators (DBR) [9], microrings [10], microdisc [11] and There are several forms that can be combined with organic gain media containing microsphere cavities [12]. The role of the resonator is to provide positive optical feedback in addition to the optical amplification provided by the gain medium.

최신 유기 레이저에 사용되는 레이저 아키텍처는 DFB 공진기를 기반으로 하고 있다 [5], [4], [13]. 이러한 공진기는 기존의 공동 거울을 사용하지 않고 대신 브래그 회절을 담당하는 주기적 나노 구조를 사용한다. DFB 공진기는 소형이며 평면 유기 박막에 쉽게 통합될 수 있다. 또한, 높은 수준의 스펙트럼 선택을 제공할 수 있다.The laser architecture used in modern organic lasers is based on DFB resonators [5], [4], [13]. These resonators do not use conventional cavity mirrors, but instead use periodic nanostructures responsible for Bragg diffraction. DFB resonators are compact and can be easily integrated into planar organic thin films. It can also provide a high level of spectral selection.

이 연구에서 연구된 레이저의 구조는 2차 DFB 그레이팅에 증착된 유기 박막으로 구성되어있다. 이러한 그레이팅에서, 게인 매체에 의해 생성된 광은 고 굴절률 유기막을 따라 도파되고 그 다음에 주기적인 구조화에 의해 산란된다. 순방향 및 역방향 전개 파장들 사이의 커플링으로 인하여 광학 피드백이 발생하게 된다 [14]. 이러한 커플링은 브래그 조건을 만족시키는 특정 파장에 대해 최대치이다:The structure of the laser studied in this study consists of an organic thin film deposited on the secondary DFB grating. In such a grating, the light generated by the gain medium is guided along the high refractive index organic film and then scattered by periodic structuring. Optical feedback occurs due to the coupling between the forward and backward evolution wavelengths [14]. This coupling is maximum for a particular wavelength that satisfies the Bragg condition:

Figure 112017078655148-pat00015
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m은 회절 차수이고, λBragg는 공동 내의 공진 파장이며, neff는 균일한 도파관의 유효 굴절률이며, Λ는 그레이팅 주기이다. 2차 그레이팅 (m = 2)의 경우, 1차 회절 광은 막의 표면에서 수직으로 아웃커플링되고 면내 피드백은 2차 회절에 의해 제공된다. 커플링 모드 이론에 따르면, 브래그 조건 (1)을 충족시키는 파장은 막에서 전파되어질 수 없다 [15]. 이것은 브래그 파장에 중심을 둔 광학 정지 대역의 출현으로 이어지는 굴절률의 주기적인 변조 때문이다. 따라서 λBragg에서 방출의 감소가 관찰되고 레이저 진동은 정지 대역 가장자리에 위치한 한 쌍의 파장에서 발생하게 된다. 2차 그레이팅에서, 레이저는 정지 대역의 한쪽 끝에서만 (가장 높은 파장에서) 진동한다. 이 파장에서는 낮은 방사 손실로 인해 임계가 낮다 [16].m is the diffraction order, λ Bragg is the resonance wavelength in the cavity, n eff is the effective refractive index of the uniform waveguide, and Λ is the grating period. For the second-order grating (m = 2), the first-order diffracted light is vertically outcoupled at the surface of the film and the in-plane feedback is provided by the second-order diffraction. According to the coupling mode theory, a wavelength that satisfies the Bragg condition (1) cannot propagate in the film [15]. This is due to the periodic modulation of the refractive index leading to the appearance of an optical stopband centered on the Bragg wavelength. Therefore, a decrease in emission is observed at λ Bragg and the laser oscillation occurs at a pair of wavelengths located at the edge of the stopband. In the secondary grating, the laser oscillates (at the highest wavelength) only at one end of the stopband. At this wavelength, the threshold is low due to the low radiation loss [16].

공진 공동은 두 가지 매개 변수를 통해 레이저 성능에 영향을 미친다: 제한 인자 Γ 및 품질 인자 Q. 레이저 임계에서의 엑시톤 밀도는 Γ와 Q 둘 다에 반비례한다 [17]. 따라서 DFB 공진 공동의 기하학의 최적화는 Γ와 Q로 정량화될 수 있는 손실을 줄이는데 중요하다.Resonant cavities affect laser performance through two parameters: a limiting factor Γ and a quality factor Q. The exciton density at the laser threshold is inversely proportional to both Γ and Q [17]. Therefore, optimization of the geometry of the DFB resonant cavity is important to reduce losses that can be quantified by Γ and Q.

이 연구의 목표는 에너지 임계와 레이저 동작 파장을 포함하는 레이저 성능에 대한 유기막 두께의 영향을 조사하는 것이다. 첫째, 레이저 설계는 고정되어 있다. 이것은 ASE 파장에서 레이저 동작을 얻는데 필요한 그레이팅 주기를 추론하기 위해 도파관 구조의 실효 지수를 계산함으로써 이루어진다. 유기막의 두께는 100 nm에서 300 nm로 변경되고 각 두께에서의 실효 지수가 계산된다. 둘째, 두께에 따른 레이저 임계 에너지의 변화에 대한 물리적 이해를 얻기 위해서 광학 시뮬레이션이 수행된다. 공진 공동의 품질 인자 및 제한 인자는 막 두께에 따라 계산되고 유기 레이저 장치의 실험 에너지 임계와 비교된다.The goal of this study is to investigate the effect of organic film thickness on laser performance including energy threshold and laser operating wavelength. First, the laser design is fixed. This is done by calculating the effective index of the waveguide structure to infer the grating period required to obtain laser operation at the ASE wavelength. The thickness of the organic film was changed from 100 nm to 300 nm, and the effective index at each thickness was calculated. Second, optical simulation is performed to obtain a physical understanding of the change in laser critical energy with thickness. The quality factor and limiting factor of the resonant cavity are calculated according to the film thickness and compared with the experimental energy threshold of the organic laser device.

2. 장치 구조 및 시뮬레이션 세부사항2. Device Structure and Simulation Details

이 연구에서 연구된 2차 DFB 유기 레이저를 구성하는 그레이팅 커플링 도파관의 기하학이 도 33에 도시되어 있다. 도파관 구조는 저지수 SiO2 그레이팅과 공기로 둘러싸인 고지수 층으로 구성된 게인 매체 (6 wt% BSBCz:CBP)로 이루어져 있다. 게인 매체는 2차 DFB 그레이팅 위에 증착된 6 wt% BSBCz:CBP 블렌드막 진공으로 구성된다. 그레이팅은 전자빔 리소그래피에 의해 SiO2 기판 위에 만들어진다. DFB 레이저의 제작은 다른 곳에 기술되어 있다 [4].The geometry of the grating coupling waveguide constituting the secondary DFB organic laser studied in this study is shown in Fig. 33. The waveguide structure consists of a gain medium (6 wt% BSBCz:CBP) consisting of a low water SiO 2 grating and a high water layer surrounded by air. The gain medium consisted of a 6 wt% BSBCz:CBP blend film vacuum deposited over the secondary DFB grating. The grating is made on the SiO 2 substrate by electron beam lithography. Fabrication of DFB lasers has been described elsewhere [4].

시뮬레이션에 사용되는 입력 매개 변수는 층들의 두께와 굴절률이다. 공기 (na = 1)와 SiO2 기판 (ns = 1.46)은 반무한층으로 간주된다. 6 wt% BSBCz:CBP 블렌드의 굴절률 nf는 [18]에서 보고된 CBP의 굴절률과 동일하다고 간주된다 (약 1.8의 nf). 유기막의 두께는 100 nm에서 300 nm로 변화된다. 레이저의 구조는 레이저가 477 nm 부근의 BSBCz의 자연증폭방출 (ASE) 파장에서 진동하도록 설계되어 있다 [19], [20].The input parameters used in the simulation are the thickness and refractive index of the layers. Air (n a = 1) and SiO 2 substrate (n s = 1.46) are considered semi-infinite layers. The refractive index n f of the 6 wt % BSBCz:CBP blend is considered equal to that of CBP reported in [18] (n f of about 1.8). The thickness of the organic film is changed from 100 nm to 300 nm. The structure of the laser is designed so that the laser oscillates at the natural amplified emission (ASE) wavelength of BSBCz near 477 nm [19], [20].

시뮬레이션 소프트웨어:Simulation software:

실효 굴절률 계산 및 파노피팅 (fano-fitting)은 파이손(python) 3.5 소프트웨어를 사용하는 국산 스크립트 (script)를 사용하여 수행된다.Effective refractive index calculation and fan-fitting are performed using a domestic script using python 3.5 software.

품질 인자 및 제한 인자는 콤솔(Comsol) 5.2a 소프트웨어의 RF 모듈에서 유한 요소 방법을 사용하여 공진 공동 모드의 고유값 계산에서 추출된다.The quality factors and limiting factors are extracted from the calculation of the eigenvalues of the resonant cavity mode using the finite element method in the RF module of Comsol 5.2a software.

3. 결과 및 논의3. Results and Discussion

3.1 도파관 특성화 (실효 굴절률 계산)3.1 Waveguide Characterization (Calculation of Effective Refractive Index)

브래그 조건 (식 1)을 사용하여 그레이팅 주기를 계산하기 위해서는, 균일한 도파관 (그레이팅이 없는)의 실효 굴절률 neff이 필요하다. 이 모델에서 그레이팅은 무시되므로 도파관의 두께는 유기막의 두께이다. 실효 굴절률 neff 값은 유기막 두께의 함수로서 파장 477 nm에서 전파 파동 방정식 [21]을 풀어서 계산된다.To calculate the grating period using the Bragg condition (Equation 1), the effective refractive index n eff of a uniform waveguide (without grating) is required. In this model, the grating is ignored, so the thickness of the waveguide is the thickness of the organic film. The effective refractive index n eff value is calculated by solving the propagation wave equation [21] at a wavelength of 477 nm as a function of the organic film thickness.

이 계산에서 그레이팅이 없는 비대칭 도파관을 고려한다 (도 34(a)). 비대칭 3층 슬래브 도파관의 경우 각 영역의 전기장은 다음과 같이 표시된다.An asymmetric waveguide without a grating is considered in this calculation (Fig. 34(a)). For an asymmetric three-layer slab waveguide, the electric field in each region is expressed as

Figure 112017078655148-pat00016
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식 2와Equation 2 and

Figure 112017078655148-pat00017
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k0 k 0는 진공 전파 상수 모드 (k o = n eff k o )이고 β는 유도 모드의 전파 상수이다 (β = n eff k o ). 도파관 모드의 실효 굴절률은 다음 경계 조건을 적용한 후 얻은 초월 방정식으로부터 계산된다.k 0 k 0 is the vacuum propagation constant mode ( k o = n eff k o ) and β is the propagation constant of the induction mode ( β = n eff k o ). The effective refractive index of the waveguide mode is calculated from the transcendental equation obtained after applying the following boundary conditions:

Figure 112017078655148-pat00018
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도 34(b)는 식 6 및 7로부터 유도된 도파관 분산곡선을 제공하고 있으며, 레이저 동작 파장 477 nm에서의 유기막 두께에 따른 실효 굴절률의 변화를 도시한다. 이들 곡선으로부터 주어진 두께에서의 전파 모드의 수와 특정 전파 모드에 대한 컷오프 두께를 추론할 수 있다. 이 작업에서 두께는 100 nm에서 300 nm까지 다양하게 선택된다. 280 nm 이하의 두께에서는 기본 모드 TE0만 진동할 수 있다. 280 nm 이상으로 두께가 증가될 때에는 차수가 높아진다 (TE1, TE2).Fig. 34(b) provides waveguide dispersion curves derived from Equations 6 and 7, and shows the change in the effective refractive index according to the thickness of the organic film at the laser operation wavelength of 477 nm. From these curves one can infer the number of propagation modes at a given thickness and the cutoff thickness for a particular propagation mode. In this work, the thickness is chosen to vary from 100 nm to 300 nm. At a thickness of 280 nm or less, only the fundamental mode TE 0 can oscillate. When the thickness increases beyond 280 nm, the order increases (TE 1 , TE 2 ).

실효 굴절률이 계산되면, 서로 다른 막 두께에서 브래그 조건 (식 1)을 사용하여 477 nm의 λASE 에서 그레이팅 주기의 값을 추론할 수 있다. 200 nm 막 두께의 경우 neff 는 1.7이다. 브래그 조건 (식 1)을 만족시키는 그레이팅 주기 Λ의 값은 280 nm이다. 다음, 그레이팅 주기를 280 nm로, 그레이팅 깊이를 70 nm 두께로 고정한다. 유기막의 두께만 100 nm에서 300 nm로 변경된다.Once the effective refractive index is calculated, the value of the grating period can be inferred at λ ASE of 477 nm using the Bragg condition (Equation 1) at different film thicknesses. For a 200 nm film thickness, n eff is 1.7. The value of the grating period Λ satisfying the Bragg condition (Equation 1) is 280 nm. Next, the grating period is fixed at 280 nm and the grating depth is fixed at 70 nm thickness. Only the thickness of the organic film is changed from 100 nm to 300 nm.

3.2 3.2 DFBDFB 공진 공동 최적화 Resonant cavity optimization

공진 공동은 광자 수명 및 제한 인자로 설명된다. 광자 수명 τ는 광자가 공동에서 보내는 시간 (광자가 공동에서 손실되는 비율)을 나타낸다. 광자는 공동을 벗어나거나 재료에 흡수되어 손실될 수 있다. 이 광자 수명 τ는 다음과 같이 공동의 품질 인자 Q와 관련된다.The resonant cavity is described by the photon lifetime and limiting factor. The photon lifetime τ represents the time a photon spends in the cavity (the rate at which photons are lost in the cavity). Photons can either escape the cavity or be absorbed by the material and be lost. This photon lifetime τ is related to the cavity quality factor Q as

Figure 112017078655148-pat00019
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ω0는 공진 각 주파수이다.ω 0 is the resonance angular frequency.

광학 공동의 Q-인자는 서로 다른 두 가지 방법으로 계산된다.The Q-factor of the optical cavity is calculated in two different ways.

(1) 고유 (1) unique 모드mode 계산 Calculation

첫 번째 방법에서는 Comsol 소프트웨어의 RF 모듈에서 유한 요소 방법을 사용하여 공진 공동 모드의 고유값 계산에서 품질 인자를 추출한다. 계산 영역은 그레이팅의 1주기 단위 셀로 제한된다. 플로케 주기 경계 조건은 측면 경계에 대해 적용되고 산란 경계 조건은 상단 및 하단 영역에 사용된다 [22], [23]. 고유주파수 솔버 (solver)는 공진 공동의 전파 고유 모드를 찾는데 사용된다. 고유값의 실수부와 허수부로부터 Q-인자가 유도된다.In the first method, the quality factor is extracted from the eigenvalue calculation of the resonant cavity mode using the finite element method in the RF module of Comsol software. The computational area is limited to one period unit cell of the grating. The Floquet periodic boundary condition is applied for the lateral boundary and the scattering boundary condition is used for the upper and lower regions [22], [23]. An eigenfrequency solver is used to find the propagating eigenmode of the resonant cavity. A Q-factor is derived from the real and imaginary parts of the eigenvalues.

Figure 112017078655148-pat00020
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α는 감쇠 (|α| = 1/τ)이다. 또한, 고유 모드의 제한 인자는 다음 식을 사용하여 계산된다.α is the attenuation (|α| = 1/τ). Also, the limiting factor of the eigenmode is calculated using the following equation.

Figure 112017078655148-pat00021
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Enorm E norm은 고유 모드의 정규화된 전계 강도 분포이다.E norm E norm is the normalized field strength distribution of the eigenmode.

(2) 반사 스펙트럼의 파노 (2) Fano of the reflection spectrum 피팅fitting

품질 인자를 추출하는 데 사용되는 두 번째 방법은 Comsol 소프트웨어에서 구현되는 산란 행렬을 사용하여 수직 입사 TE 편광 평면파에 대해 그레이팅에 평행한 전계를 갖는 반사 스펙트럼을 계산하는 것이다 [ref]. 그런 다음 Q-인자 (식 8)는 시뮬레이션된 반사 스펙트럼에 존재하는 공진 선로 폭을 다음의 파노 공명 방정식 [24]과 피팅시킴으로써 얻어진다.The second method used to extract the quality factor is to compute the reflection spectrum with an electric field parallel to the grating for a normally incident TE polarized plane wave using a scattering matrix implemented in Comsol software [ref]. Then, the Q-factor (Equation 8) is obtained by fitting the resonance line width present in the simulated reflection spectrum with the following Fano resonance equation [24].

Figure 112017078655148-pat00022
Figure 112017078655148-pat00022

w 0 는 중심 주파수, t는 공진의 수명, rt는 그레이팅 및 실효 굴절률 n eff,g와 동일한 두께를 갖는 균일한 슬래브의 진폭 반사 및 투과 계수이다. 바이너리 그레이팅의 경우 실효 굴절률은 다음의 효과적인 매체 이론을 사용하여 설명될 수 있다 [25]. w 0 is the center frequency, t is the lifetime of the resonance, r and t are the amplitude reflection and transmission coefficients of a uniform slab with a thickness equal to the grating and effective refractive index n eff,g . For binary grating, the effective refractive index can be described using the following effective medium theory [25].

Figure 112017078655148-pat00023
Figure 112017078655148-pat00023

ff는 그레이팅의 폭 w와 주기 L의 비율로 정의된다. ff is defined as the ratio of the width w of the grating to the period L.

도 35는 식 11을 사용하여 파장과 막 두께 및 대응하는 피팅 파노-공진 곡선에 따른 계산된 반사 스펙트럼을 도시한다. 막 두께가 100, 150, 200, 250 및 300 nm 인 공동의 경우 반사 피크는 각각 448, 462, 472, 478 및 483 nm의 파장에서 관찰된다. 이러한 파장에서, 공진은 그레이팅에 의한 회절파와 누설 도파관 모드 사이의 위상 정합으로 인해 발생한다 [26], [27]. 따라서, 다중 반사는 도파관에서 일어나고 입사광의 파장은 도파관 그레이팅의 공진에 의해 선택된다.35 shows the calculated reflection spectrum according to the wavelength and film thickness and the corresponding fitting Fano-resonance curve using Equation 11; For cavities with film thicknesses of 100, 150, 200, 250 and 300 nm, reflection peaks are observed at wavelengths of 448, 462, 472, 478 and 483 nm, respectively. At these wavelengths, resonance occurs due to the phase matching between the grating-induced diffraction wave and the leakage waveguide mode [26], [27]. Thus, multiple reflections occur in the waveguide and the wavelength of the incident light is selected by the resonance of the waveguide grating.

섹션 3.1에 제시된 계산 및 이전에 보고된 연구 [28]에 의해 확인된 바와 같이, d f의 증가는 모드 n eff (도 34(b))의 증가를 유발하여 레이저 동작 파장의 튜닝을 유도한다. 도 36(a)에서 알 수 있듯이, d f의 증가는 레이저 방출의 스펙트럼 적색 이동을 초래한다. 실험 레이저 동작 파장 및 파노 모델과 섹션 3.1에 제시된 "모델 d f + h g"로부터 계산된 레이저 파장의 비교가 도 36(b)에 제시되어 있으며, h g는 그레이팅의 깊이를 나타낸다. 두 모델 모두 거의 동일한 결과를 제공하며 실험값에 근접하지만 작은 d f (< 200 nm)에서 실험 파장과 계산된 파장 간의 차이는 여전히 크다 (△λ > 10 nm). h g/d f의 비율이 0.3을 초과하면 [28] d f가 200 nm 이하인 경우에는 인덱스 커플링(index coupling)이 지배적인 메커니즘인 것으로 보고되었다. 인덱스 커플링이 게인 커플링보다 지배적일 때에는, 전술한 바와 같이 λBragg 근처에서 레이저 동작이 발생되지 않는다. 그러므로 실험 레이저 동작 파장과 계산된 레이저 파장 사이의 불일치는 200 nm 이하의 d f 에 대한 인덱스 커플링의 우세로 설명될 수 있다.As confirmed by the calculations presented in section 3.1 and by previously reported studies [28], an increase in d f causes an increase in the mode n eff (Fig. 34(b)) leading to the tuning of the laser operating wavelength. As can be seen in Fig. 36(a), an increase in d f results in a spectral red shift of the laser emission. A comparison of the experimental laser operating wavelength and the laser wavelength calculated from the Fano model and the "model d f + h g " presented in section 3.1 is presented in Fig. 36(b), where h g represents the depth of the grating. Both models give almost identical results and are close to the experimental values, but at small d f (< 200 nm) the difference between the experimental and calculated wavelengths is still large (Δλ > 10 nm). When the ratio of h g / d f exceeds 0.3 [28], index coupling is reported to be the dominant mechanism when d f is 200 nm or less. When index coupling dominates over gain coupling, no laser motion occurs near λ Bragg as described above. Therefore, the discrepancy between the experimental laser operating wavelength and the calculated laser wavelength can be explained by the predominance of index coupling for df below 200 nm.

도 37(a)는 계산된 Q-인자와 Γ 값을 보여주고 있다. Q-인자를 계산하기 위해 사용된 두 방법 모두 동일한 결과를 제공한다. 좋은 광학 제한 인자를 나타내는 d f에 따라 Γ가 증가함을 알 수 있다. 이것은 기본 모드 TE0n eff가 증가하기 때문이다. 그러나, 공진 공동의 Q-인자는 200 nm의 d f 값에서 가장 높아진다. 다른 d f에 대한 측정된 에너지 임계 E th가 도 37(a)에 제시되어 있다. Q-인자는 E th에 반비례한다는 것을 알 수 있다. 또한 d f가 100에서 200 nm로 증가하면 E th가 감소하게 된다. 이것은 Q-인자와 Γ 둘 다의 증가 때문이다. 200 nm의 d f 값에서 E th는 최소값을 나타낸 다음 d f와 함께 증가하게 된다. 큰 d f에 대한 높은 E th는 공진 공동의 낮은 Q-인자에 기인하는 것이다.Figure 37 (a) shows the calculated Q -factor and Γ value. Both methods used to calculate the Q -factor give the same results. It can be seen that Γ increases with d f , which represents a good optical limiting factor. This is because n eff of the basic mode TE 0 increases. However, the Q -factor of the resonant cavity is highest at a df value of 200 nm. The measured energy threshold E th for different d f is presented in Fig. 37(a). It can be seen that the Q -factor is inversely proportional to E th . Also, as d f increases from 100 to 200 nm, E th decreases. This is due to an increase in both the Q -factor and Γ. At a d f value of 200 nm, E th shows a minimum value and then increases with d f . The high E th for large d f is due to the low Q -factor of the resonant cavity.

최종적으로, 계산 및 파노 피팅으로부터 추출된 피크 반사의 반치전폭 (FWHM)이 실험 레이저 방출의 FWHM과 비교된다 [도 37(b)]. 실험 FWHM 및 계산된 FWHM 값들은 둘 다 200 nm와 동일한 d f에 대해 얻어진 최소값을 갖는 동일한 경향을 보인다.Finally, the full width at half maximum (FWHM) of the peak reflection extracted from the calculation and Fano fitting is compared with the FWHM of the experimental laser emission (Fig. 37(b)). Both the experimental FWHM and the calculated FWHM values show the same trend with the minimum obtained for d f equal to 200 nm.

3.3 캡슐화 3.3 Encapsulation DFBDFB 레이저 최적화 Laser Optimization

이 섹션에서는 CYTOP을 사용하여 캡슐화 DFB 레이저에 대해 Γ와 Q-인자를 계산한다. 광학 시뮬레이션에 사용되는 입력 매개 변수는 유기막 두께와 층의 굴절률이다. CYTOP (n CYTOP = 1.35) 및 SiO2 기판 (n SiO2 = 1.46)은 반무한 층으로 간주된다. 6 wt% BSBCz:CBP 막의 굴절률 n f는 보고된 CBP의 굴절률 (n f = 1.85)과 같은 것으로 여겨진다 (1). BSBCz:CBP 막의 두께 d 0는 100에서 300 nm로 변경된다. 상부 표면 구조화로 인해, 두께가 (h g - h g(상단))/2 = 30 nm인 얇은 층에 깊이가 h g(상단) = 5 nm인 얇은 그레이팅이 가해진다.In this section, we use CYTOP to calculate the Γ and Q -factors for an encapsulated DFB laser. The input parameters used in the optical simulation are the organic film thickness and the refractive index of the layer. CYTOP ( n CYTOP = 1.35) and SiO 2 substrates ( n SiO 2 = 1.46) are considered semi-infinite layers. The refractive index n f of the 6 wt% BSBCz:CBP film is considered equal to the reported refractive index of CBP ( n f = 1.85) ( 1 ). The thickness d 0 of the BSBCz:CBP film is changed from 100 to 300 nm. Due to the top surface structuring, a thin layer with a thickness of ( h g - h g (top) )/2 = 30 nm is applied with a thin grating with a depth of h g (top) = 5 nm.

3.3.3.3. 1 막Act 1 두께 변화 thickness change

먼저, GQ-인자를 계산하여 그레이팅 깊이 h g를 일정하게 유지하면서 (h g = 65 nm) 막 두께 d 0의 변화 효과를 조사한다. 표 S1은 계산 결과를 보여준다.First, the effect of changing the film thickness d 0 is investigated while maintaining the grating depth h g constant ( h g = 65 nm) by calculating the G and Q -factors. Table S1 shows the calculation results.

표 S1. 막 두께, 공진 파장, 품질 인자 및 제한 인자. Table S1. Film thickness, resonance wavelength, quality factor and limiting factor.

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두께가 증가하면 GQ-인자는 증가하지만, 게인 재료의 ASE 파장에서 공진 파장 λo이 이동하기 때문에 200 nm의 d 0이 장치 작동에 최적의 두께로 유지된다.As the thickness increases, the G and Q -factors increase, but the resonant wavelength λ o shifts at the ASE wavelength of the gain material so that d 0 of 200 nm remains the optimal thickness for device operation.

3.3.2 3.3.2 그레이팅grating 깊이 변화 depth change

둘째, GQ-인자를 계산하여 d 0을 일정하게 유지하면서 (d = 200 nm) h g 변화의 영향을 조사한다. 아래 표 S2는 계산 결과를 보여준다.Second, by calculating the G and Q -factors, we investigate the effect of the h g change while keeping d 0 constant ( d = 200 nm). Table S2 below shows the calculation results.

표 S2. 그레이팅 깊이, 공진 파장, 품질 인자 및 제한 인자. Table S2. Grating depth, resonance wavelength, quality factor and limiting factor.

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그레이팅 깊이를 줄임으로써 Q-인자는 증가하지만 Γ는 거의 동일하다. 그러나, 깊이의 작은 변화가 그레이팅의 광학 응답에 극적으로 영향을 주기 때문에 얕은 그레이팅을 제작하는 것은 어려운 일이다. 이러한 양태는 향후 연구에서 확실히 개선될 수 있지만, 이 연구에서 65 nm 깊이를 선택한 것은 가장 적절한 것으로 생각된다.By reducing the grating depth, the Q -factor increases, but Γ remains almost the same. However, fabricating shallow gratings is difficult because small changes in depth dramatically affect the optical response of the grating. Although this aspect can certainly be improved in future studies, it is considered most appropriate to choose a depth of 65 nm for this study.

3.3.3 캡슐화 및 3.3.3 Encapsulation and 비캡슐화unencapsulated 장치들의 비교 Comparison of devices

동일한 기하학을 사용하여 계산한다. 캡슐화의 경우, 상층은 1.35의 굴절률을 갖는 CYTOP이다. 비캡슐화의 경우, CYTOP은 공기 (n = 1)로 대체된다. 이러한 경우에 Q-인자와 Γ는 증가하고 공진 파장은 표 S3에서와 같이 약간 파란색으로 이동한다.Calculate using the same geometry. For encapsulation, the top layer is CYTOP with a refractive index of 1.35. For non-encapsulation, CYTOP is replaced by air ( n = 1). In this case, the Q -factor and Γ increase and the resonance wavelength shifts slightly to blue as in Table S3.

표 S3. 캡슐화 장치 및 비캡슐화 장치 사이의 공진 파장, 품질 인자 및 제한 인자 비교 Table S3. Comparison of resonant wavelengths, quality factors and limiting factors between encapsulated and non-encapsulated devices

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그러나, 실험 결과에 기초해 볼 때, 캡슐화 장치는 비캡슐화 장치보다 우수한 성능 (FWHM)을 나타냈다. 이것은 장치를 캡슐화시켰을 때의 상부 표면의 변화 또는 수분으로부터의 보호 때문에 야기될 수 있는 것이다.However, based on the experimental results, the encapsulated device showed better performance (FWHM) than the non-encapsulated device. This could be due to changes in the top surface when encapsulating the device or protection from moisture.

3.3.3.3. 4 2차4 secondary 그레이팅grating 영역의 of the realm 디멘션의dimensional 영향 effect

BSBCz:CBP (6:94 wt%) 블렌드 혼합차수 DFB 레이저의 레이저 동작 임계는 2차 영역에 대해 서로 다른 디멘션을 사용하여 실험적으로 결정되었다. 결과는 도 17에 도시되어 있다. 이 연구에서 사용된 DFB 아키텍처 (36 주기에 해당)는 완전히 최적화된 것은 아니라는 것을 알 수 있으며 장치 성능의 추가 개선이 공진기 구조에 대한 간단한 처리에 의해 가능해야 한다는 것을 의미한다.The laser operating threshold of the BSBCz:CBP (6:94 wt%) blend mixed-order DFB laser was determined experimentally using different dimensions for the secondary region. The results are shown in FIG. 17 . It can be seen that the DFB architecture used in this study (corresponding to 36 cycles) is not fully optimized, meaning that further improvements in device performance should be possible by simple processing on the resonator structure.

참조문헌References

[1] C. Ge, M. Lu, X. Jian, Y. Tan, and B. T. Cunningham, "Large-area organic distributed feedback laser fabricated by nanoreplica molding and horizontal dipping," vol. 18, no. 12, pp. 12980-12991, 2010.[1] C. Ge, M. Lu, X. Jian, Y. Tan, and B. T. Cunningham, “Large-area organic distributed feedback laser fabricated by nanoreplica molding and horizontal dipping,” vol. 18, no. 12, pp. 12980-12991, 2010.

[2] H. Nakanotani, S. Akiyama, D. Ohnishi, M. Moriwake, M. Yahiro, T. Yoshihara, S. Tobita, and C. Adachi, "Extremely low-threshold amplified spontaneous emission of 9,9-disubstituted-spirobifluorene derivatives and electroluminescence from field-effect transistor structure," Adv . Funct . Mater., vol. 17, no. 14, pp. 2328-2335, 2007.[2] H. Nakanotani, S. Akiyama, D. Ohnishi, M. Moriwake, M. Yahiro, T. Yoshihara, S. Tobita, and C. Adachi, "Extremely low-threshold amplified spontaneous emission of 9,9-disubstituted -spirobifluorene derivatives and electroluminescence from field-effect transistor structure," Adv . Funct . Mater. , vol. 17, no. 14, pp. 2328-2335, 2007.

[3] G. Tsiminis, Y. Wang, P. E. Shaw, A. L. Kanibolotsky, I. F. Perepichka, M. D. Dawson, P. J. Skabara, G. A. Turnbull, and I. D. W. Samuel, "Low-threshold organic laser based on an oligofluorene truxene with low optical losses," pp. 3-5, 2009.[3] G. Tsiminis, Y. Wang, P. E. Shaw, A. L. Kanibolotsky, I. F. Perepichka, M. D. Dawson, P. J. Skabara, G. A. Turnbull, and I. D. W. Samuel, "Low-threshold organic laser losses," "Low-threshold organic laser based on an oligofluorene truxene with low optical losses," pp. 3-5, 2009.

[4] A. S. D. Sandanayaka, K. Yoshida, M. Inoue, C. Qin, K. Goushi, J.-C. Ribierre, T. Matsushima, and C. Adachi, "Quasi-Continuous-Wave Organic Thin-Film Distributed Feedback Laser," Adv . Opt. Mater., vol. 4, no. 6, pp. 834-839, Jun. 2016.[4] ASD Sandanayaka, K. Yoshida, M. Inoue, C. Qin, K. Goushi, J.-C. Ribierre, T. Matsushima, and C. Adachi, "Quasi-Continuous-Wave Organic Thin-Film Distributed Feedback Laser," Adv . Opt. Mater. , vol. 4, no. 6, pp. 834-839, Jun. 2016.

[5] E. R. Martins, Y. Wang, A. L. Kanibolotsky, P. J. Skabara, G. A. Turnbull, and I. D. W. Samuel, "Low-Threshold Nanoimprinted Lasers Using Substructured Gratings for Control of Distributed Feedback," Adv . Opt. Mater., vol. 1, no. 8, pp. 563-566, 2013.[5] ER Martins, Y. Wang, AL Kanibolotsky, PJ Skabara, GA Turnbull, and IDW Samuel, “Low-Threshold Nanoimprinted Lasers Using Substructured Gratings for Control of Distributed Feedback,” Adv . Opt. Mater. , vol. 1, no. 8, pp. 563-566, 2013.

[6] V. Qaradaghi, V. Ahmadi, and G. Abaeiani, "Design of organic vertical-cavity surface-emitting laser for electrical pumping," IEEE Electron Device Lett ., vol. 33, no. 11, pp. 1616-1618, 2012.[6] V. Qaradaghi, V. Ahmadi, and G. Abaeiani, “Design of organic vertical-cavity surface-emitting laser for electrical pumping,” IEEE Electron Device Lett . , vol. 33, no. 11, pp. 1616-1618, 2012.

[7] M. D. McGehee, M. A.

Figure 112017078655148-pat00027
, F. Hide, R. Gupta, E. K. Miller, D. Moses, and A. J. Heeger, "Semiconducting polymer distributed feedback lasers," Appl. Phys. Lett ., vol. 72, no. 13, pp. 1536-1538, 1998.[7] MD McGehee, MA
Figure 112017078655148-pat00027
, F. Hide, R. Gupta, EK Miller, D. Moses, and AJ Heeger, “Semiconducting polymer distributed feedback lasers,” Appl. Phys. Lett . , vol. 72, no. 13, pp. 1536-1538, 1998.

[8] G. Heliotis, R. Xia, D. D. C. Bradley, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, P. Andrew, and W. L. Barnes, "Blue, surface-emitting, distributed feedback polyfluorene lasers," Appl . Phys. Lett ., vol. 83, no. 11, pp. 2118-2120, 2003.[8] G. Heliotis, R. Xia, DDC Bradley, GA Turnbull, IDW Samuel, P. Andrew, and WL Barnes, "Blue, surface-emitting, distributed feedback polyfluorene lasers," Appl . Phys. Lett . , vol. 83, no. 11, pp. 2118-2120, 2003.

[9] A. E. Vasdekis, G. Tsiminis, J.-C. Ribierre, L. O' Faolain, T. F. Krauss, G. A. Turnbull, and I. D. W. Samuel, "Diode pumped distributed Bragg reflector lasers based on a dye-to-polymer energy transfer blend.," Opt. Express, vol. 14, no. 20, pp. 9211-9216, 2006.[9] A. E. Vasdekis, G. Tsiminis, J.-C. Ribierre, L. O' Faolain, TF Krauss, GA Turnbull, and IDW Samuel, "Diode pumped distributed Bragg reflector lasers based on a dye-to-polymer energy transfer blend.," Opt. Express, vol. 14, no. 20, pp. 9211-9216, 2006.

[10] R. Osterbacka, M. Wohlgenannt, M. Shkunov, D. Chinn, and Z. V. Vardeny, "Excitons, polarons, and laser action in poly(p-phenylene vinylene) films," J. Chem . Phys., vol. 118, no. 19, pp. 8905-8916, 2003.[10] R. Osterbacka, M. Wohlgenannt, M. Shkunov, D. Chinn, and ZV Vardeny, "Excitons, polarons, and laser action in poly(p-phenylene vinylene) films," J. Chem . Phys. , vol. 118, no. 19, pp. 8905-8916, 2003.

[11] C. X. Sheng, R. C. Polson, Z. V. Vardeny, and D. A. Chinn, "Studies of pi-conjugated polymer coupled microlasers," Synth . Met., vol. 135-136, no. April, pp. 147-149, 2003.[11] CX Sheng, RC Polson, ZV Vardeny, and DA Chinn, “Studies of pi-conjugated polymer coupled microlasers,” Synth . Met. , vol. 135-136, no. April, pp. 147-149, 2003.

[12] M. Berggren, A. Dodabalapur, Z. N. Bao, and R. E. Slusher, "Solid-state droplet laser made from an organic blend with a conjugated polymer emitter," Adv . Mater., vol. 9, no. 12, pp. 968-971, 1997.[12] M. Berggren, A. Dodabalapur, ZN Bao, and RE Slusher, "Solid-state droplet laser made from an organic blend with a conjugated polymer emitter," Adv . Mater. , vol. 9, no. 12, pp. 968-971, 1997.

[13] G. Tsiminis, Y. Wang, A. L. Kanibolotsky, A. R. Inigo, P. J. Skabara, I. D. W. Samuel, and G. A. Turnbull, "Nanoimprinted organic semiconductor laser pumped by a light-emitting diode," Adv . Mater., vol. 25, no. 20, pp. 2826-2830, 2013.[13] G. Tsiminis, Y. Wang, AL Kanibolotsky, AR Inigo, PJ Skabara, IDW Samuel, and GA Turnbull, “Nanoimprinted organic semiconductor laser pumped by a light-emitting diode,” Adv . Mater. , vol. 25, no. 20, pp. 2826-2830, 2013.

[14] I. D. W. Samuel and G. a Turnbull, "Organic semiconductor lasers.," Chem. Rev., vol. 107, no. 4, pp. 1272-1295, 2007.[14] IDW Samuel and G. a Turnbull, "Organic semiconductor lasers.," Chem. Rev. , vol. 107, no. 4, pp. 1272-1295, 2007.

[15] H. Kogelnik and C. V. Shank, "Coupled-wave theory of distributed feedback lasers," J. Appl . Phys., vol. 43, no. 5, pp. 2327-2335, 1972.[15] H. Kogelnik and CV Shank, “Coupled-wave theory of distributed feedback lasers,” J. Appl . Phys. , vol. 43, no. 5, pp. 2327-2335, 1972.

[16] R. F. Kazarinov and C. H. Henry, "Second-Order Distributed Feedback Lasers with Mode Selection Provided by First-Order Radiation Losses," IEEE J. Quantum Electron., vol. 21, no. 2, pp. 144-150, 1985.[16] RF Kazarinov and CH Henry, “Second-Order Distributed Feedback Lasers with Mode Selection Provided by First-Order Radiation Losses,” IEEE J. Quantum Electron. , vol. 21, no. 2, pp. 144-150, 1985.

[17] S. Schols, Device Architecture and Materials for Organic Light-Emitting Devices. Springer, 2011.[17] S. Schols, Device Architecture and Materials for Organic Light-Emitting Devices . Springer, 2011.

[18] D. Yokoyama, A. Sakaguchi, M. Suzuki, and C. Adachi, "Horizontal orientation of linear-shaped organic molecules having bulky substituents in neat and doped vacuum-deposited amorphous films," Org . Electron., vol. 10, no. 1, pp. 127-137, 2009.[18] D. Yokoyama, A. Sakaguchi, M. Suzuki, and C. Adachi, "Horizontal orientation of linear-shaped organic molecules having bulky substituents in neat and doped vacuum-deposited amorphous films," Org . Electron. , vol. 10, no. 1, pp. 127-137, 2009.

[19] J. Chang, Y. Huang, P. Chen, R. Kao, X. Lai, C. Chen, and C. Lee, "Reduced threshold of optically pumped amplified spontaneous emission and narrow line- width electroluminescence at cutoff wavelength from bilayer organic waveguide devices," vol. 23, no. 11, pp. 67-74, 2015.[19] J. Chang, Y. Huang, P. Chen, R. Kao, X. Lai, C. Chen, and C. Lee, "Reduced threshold of optically pumped amplified spontaneous emission and narrow line-width electroluminescence at cutoff wavelength. from bilayer organic waveguide devices," vol. 23, no. 11, pp. 67-74, 2015.

[20] M. Inoue, T. Matsushima, and C. Adachi, "Low amplified spontaneous emission threshold and suppression of electroluminescence efficiency roll-off in layers doped with ter(9,9'-spirobifluorene)," Appl . Phys. Lett ., vol. 108, no. 13, 2016.[20] M. Inoue, T. Matsushima, and C. Adachi, "Low amplified spontaneous emission threshold and suppression of electroluminescence efficiency roll-off in layers doped with ter(9,9'-spirobifluorene)," Appl . Phys. Lett . , vol. 108, no. 13, 2016.

[21] A. K. Sheridan, G. A. Turnbull, A. N. Safonov, and I. D. W. Samuel, "Tuneability of amplified spontaneous emission through control of the waveguide-mode structure in conjugated polymer films," vol. 62, no. 18, pp. 929-932, 2000.[21] A. K. Sheridan, G. A. Turnbull, A. N. Safonov, and I. D. W. Samuel, “Tuneability of amplified spontaneous emission through control of the waveguide-mode structure in conjugated polymer films,” vol. 62, no. 18, pp. 929-932, 2000.

[22] J.-H. Hu, Y.-Q. Huang, X.-M. Ren, X.-F. Duan, Y.-H. Li, Q. Wang, X. Zhang, and J. Wang, "Modeling of Fano Resonance in High-Contrast Resonant Grating Structures," Chinese Phys. Lett ., vol. 31, no. 6, p. 64205, Jun. 2014.[22] J.-H. Hu, Y.-Q. Huang, X.-M. Ren, X.-F. Duan, Y.-H. Li, Q. Wang, X. Zhang, and J. Wang, "Modeling of Fano Resonance in High-Contrast Resonant Grating Structures," Chinese Phys. Lett . , vol. 31, no. 6, p. 64205, Jun. 2014.

[23] T. Zhai, X. Zhang, and Z. Pang, "Polymer laser based on active waveguide grating structures.," Opt. Express, vol. 19, no. 7, pp. 6487-6492, 2011.[23] T. Zhai, X. Zhang, and Z. Pang, "Polymer laser based on active waveguide grating structures.," Opt. Express, vol. 19, no. 7, pp. 6487-6492, 2011.

[24] A. E. Miroshnichenko and Y. S. Kivshar, "Fano resonances in nanoscale structures," vol. 82, no. September, pp. 2257-2298, 2010.[24] A. E. Miroshnichenko and Y. S. Kivshar, “Fano resonances in nanoscale structures,” vol. 82, no. September, pp. 2257-2298, 2010.

[25] M. Foldyna, R. Ossikovski, A. De Martino, B. Drevillon, E. Polytechnique, and P. Cedex, "Effective medium approximation of anisotropic lamellar nanogratings based on Fourier factorization," vol. 14, no. 8, pp. 3055-3067, 2006.[25] M. Foldyna, R. Ossikovski, A. De Martino, B. Drevillon, E. Polytechnique, and P. Cedex, "Effective medium approximation of anisotropic lamellar nanogratings based on Fourier factorization," vol. 14, no. 8, pp. 3055-3067, 2006.

[26] S. S. Wang and R. Magnusson, "Theory and applications of guided-mode resonance filters.," Appl . Opt., vol. 32, no. 14, pp. 2606-2613, 1993.[26] SS Wang and R. Magnusson, “Theory and applications of guided-mode resonance filters.,” Appl . Opt. , vol. 32, no. 14, pp. 2606-2613, 1993.

[27] T. Khaleque and R. Magnusson, "Light management through guided-mode resonances in thin-film silicon solar cells," J. Nanophotonics , vol. 8, no. 1, p. 83995, 2014.[27] T. Khaleque and R. Magnusson, “Light management through guided-mode resonances in thin-film silicon solar cells,” J. Nanophotonics , vol. 8, no. 1, p. 83995, 2014.

[28] V. Navarro-Fuster, I. Vragovic, E. M. Calzado, P. G. Boj, J. A. Quintana, J. M. Villalvilla, A. Retolaza, A. Juarros, D. Otaduy, S. Merino and M. A. Diaz-Garcia, "Film thickness and grating depth variation in organic second-order distributed feedback lasers," J. Appl. Phys. Vol.112, no.4, pp. 43104, 2012.[28] V. Navarro-Fuster, I. Vragovic, E. M. Calzado, P. G. Boj, J. A. Quintana, J. M. Villalvilla, A. Retolaza, A. Juarros, D. Otaduy, S. Merino and M. A. Diaz-Garcia, “Film thickness and grating depth variation in organic second-order distributed feedback lasers," J. Appl. Phys. Vol.112, no.4, pp. 43104, 2012.

섹션 B. Section B. 혼합차수mixed order DFBDFB 장치의 레이저 동작 특성 Laser operating characteristics of the device

BSBCz 니트막 또는 BSBCz:CBP (6:94 wt%) 블렌드막을 게인 매체로 사용하여 캡슐화 혼합차수 DFB 장치의 레이저 동작 특성을 20 Hz의 반복률 및 337 nm의 파장에서 800 ps 펄스를 전달하는 질소 레이저를 사용하여 펄스 광학 펌핑 하에 조사하였다. CBP 블렌드막의 경우, 여기 광은 주로 CBP 호스트에 의해 흡수되었다. 그러나, CBP 방출과 BSBCz 흡수 사이의 큰 스펙트럼 중첩은 호스트로부터 게스트 분자로의 효율적인 포르스터 유형의 에너지 전달을 보장해준다 (2-6). 이는 337 nm 광 여기 하에서 CBP 방출이 없는 것에 의해 확인되었다. 도 19A 내지 19E는 임계 이하 및 이상에서 서로 다른 여기 강도에서 BSBCz 및 BSBCz:CBP (6:94 wt%) 막의 표면에 대해 수직으로 수집된 방출 스펙트럼을 도시한다. 낮은 여기 강도에서 DFB 그레이팅의 광학 정지대역에 해당하는 브래그 딥 (2)은 각각 니트막과 블렌드막에서 480 및 483 nm에서 관찰되었다. 브래그 딥 위치의 작은 변화는 아마도 블렌드막과 니트막의 약간 다른 굴절률 때문일 것이다 (2-6). 펌핑 강도가 결정적 임계 이상으로 증가될 때 좁은 방출 피크가 니트장치와 블렌드장치 모두에서 나타났으며 레이저 동작의 시작을 나타내는 것이다. 레이저 피크가 강도 면에서 포토루미네선스 배경보다 더 빠르게 증가되는 것을 알 수 있으며 유도 방출과 관련된 비선형성의 증거를 제공한다. 레이저 동작 파장은 블렌드막의 경우 484 nm이고 니트막의 경우 481 nm인 것으로 나타났다. 도 19C 및 19D는 두 DFB 장치에 대한 펌핑 강도에 따른 출력 방출 강도 및 반치전폭 (FWHM)을 도시한다. FWHM은 높은 여기 강도에서 0.2 nm보다 낮아지는 것으로 나타났다. DFB 레이저의 레이저 동작 임계는 출력 강도의 급격한 변화로부터 결정되었다. 니트막 및 블렌드막을 기반으로 하는 장치는 각각 0.22 및 0.09 μJcm-2의 레이저 동작 임계를 보이는 것으로 나타났다. 두 경우 모두에서 이들 값은 BSBCz:CBP 블렌드에서의 자연증폭방출 (ASE) 및 2차 DFB 레이저에 대해 이전에 보고된 임계보다 낮아서 (2-6) 고성능 유기 고체 레이저에 대한 혼합차수 그레이팅의 잠재력을 뒷받침해준다.The laser operation characteristics of the encapsulated mixed-order DFB device using a BSBCz neat film or a BSBCz:CBP (6:94 wt%) blend film as a gain medium were evaluated using a nitrogen laser delivering 800 ps pulses at a repetition rate of 20 Hz and a wavelength of 337 nm. irradiated under pulsed optical pumping. In the case of the CBP blend film, the excitation light was mainly absorbed by the CBP host. However, the large spectral overlap between CBP emission and BSBCz absorption ensures efficient Forster-type energy transfer from host to guest molecules ( 2-6 ). This was confirmed by the absence of CBP emission under 337 nm light excitation. 19A-19E show emission spectra collected perpendicular to the surface of BSBCz and BSBCz:CBP (6:94 wt%) films at different excitation intensities below and above the threshold. Bragg dips ( 2 ), corresponding to the optical stopband of the DFB grating at low excitation intensity, were observed at 480 and 483 nm in the neat and blended films, respectively. The small change in the Bragg dip position is probably due to the slightly different refractive indices of the blend film and the knit film ( 2-6 ). When the pumping intensity was increased above the critical threshold, a narrow emission peak appeared in both the knit device and the blend device, indicating the onset of laser action. It can be seen that the laser peak increases more rapidly than the photoluminescent background in intensity, providing evidence of the nonlinearity associated with stimulated emission. The laser operating wavelength was found to be 484 nm for the blend film and 481 nm for the neat film. 19C and 19D show the output emission intensity and full width at full width at half maximum (FWHM) as a function of pumping intensity for two DFB devices. The FWHM was found to be lower than 0.2 nm at high excitation intensities. The laser operating threshold of the DFB laser was determined from the abrupt change in output intensity. Devices based on the neat and blended membranes were shown to exhibit laser operating thresholds of 0.22 and 0.09 μJcm −2 , respectively. In both cases, these values were lower than previously reported thresholds for spontaneously amplified emission (ASE) and secondary DFB lasers in the BSBCz:CBP blend ( 2–6 ), suggesting the potential of mixed-order grating for high-performance organic solid-state lasers. backs up

섹션 C. 광학 게인Section C. Optical Gain

이러한 ASE 실험 데이터로부터 순수 게인 및 손실계수를 결정할 수 있었으며 그 값은 표 S4에 나와있다.It was possible to determine the net gain and loss factors from these ASE experimental data, and the values are shown in Table S4.

표 S4. 펄스 폭, 여기동력, 순 게인 및 손실계수 Table S4. Pulse width, excitation power, net gain and loss factor

Figure 112017078655148-pat00028
Figure 112017078655148-pat00028

이러한 ASE 결과는 연속파 영역에서 BSBCz계 막에서 큰 순 광학 게인을 얻을 수 있다는 분명한 증거를 제공한다. 따라서 이것은 BSBCz가 연속파 및 준 연속파 레이저 동작에 대한 최상의 후보 중 하나라는 언급을 명백하게 뒷받침하는 것이다.These ASE results provide clear evidence that a large net optical gain can be obtained from the BSBCz-based film in the continuous wave region. Thus, this clearly supports the statement that BSBCz is one of the best candidates for continuous wave and quasi-continuous wave laser operation.

섹션 D. 일시적 흡수Section D. Transient Absorption

도 27A의 결과는 PL 강도가 수 ㎲의 조사 후에 일정하게 유지됨을 도시한다. 이것은 장치에서 STA에 의한 단일항 엑시톤의 ??칭이 없음을 의미하는 것이다. 도 27C는 또한 레이저 동작 스펙트럼과 삼중항 흡수 스펙트럼간에 유의미한 스펙트럼 중첩이 없음을 도시한다. 그 결과는 이 연구에서 사용된 게인 매체에서 불리한 삼중항 손실이 없다는 분명한 증거를 제공한다.The results in Fig. 27A show that the PL intensity remains constant after several μs of irradiation. This means that there is no quenching of singlet excitons by the STA in the device. 27C also shows that there is no significant spectral overlap between the laser operating spectrum and the triplet absorption spectrum. The results provide clear evidence that there is no adverse triplet loss in the gain medium used in this study.

이 데이터로부터 이전의 보고서에서와 같이 유도 방출 단면 σem과 삼중항 여기 상태 단면 σTT를 평가하였다 (3, 9). 480 nm에서의 σem은 3.0 x 10-19 cm2의 σTT보다 상당히 큰 2.2 x 10-16 cm2이며 삼중항 흡수가 롱 펄스 영역에 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 의미한다.From this data, the stimulated emission cross-section σ em and the triplet excited-state cross-section σ TT were evaluated as in previous reports ( 3 , 9 ). The σ em at 480 nm is 2.2 x 10 -16 cm 2 , which is significantly larger than the σ TT of 3.0 x 10 -19 cm 2 , meaning that the triplet absorption has little effect on the long pulse region.

용액에서 삼중항 수명 (τTT), 삼중항 흡수 단면 (σTT) 및 계간 교차 항복 (ΦISC)이 각각 τTT = 5.7 x 103 s-1, σTT = 3.89 x 10-17 cm2 (630 nm에서, 도 27D) 및 φISC = 0.04인 것으로 평가하였다. φISC는 벤조페논과 비교하여 일시적 흡수 (도 27E)의 여기력 의존성을 기준으로 평가하였다 (9). 그러나 일시적 흡수 측정 시스템을 사용하여 박막에서의 삼중항의 기여를 관찰할 수 없다는 것이 부각되어야만 한다. 예를 들어, 블렌드막에서의 계간교차는 거의 100%의 φPL 값으로 인해 무시될 수 있다.The triplet lifetime (τ TT ), triplet absorption cross-section (σ TT ) and inter-periodic cross-yield (Φ ISC ) in solution are respectively τ TT = 5.7 x 10 3 s -1 , σ TT = 3.89 x 10 -17 cm 2 ( At 630 nm, Fig. 27D) and φ ISC = 0.04. ϕ ISC was evaluated based on the excitation force dependence of transient absorption ( FIG. 27E ) compared to benzophenone ( 9 ). However, it should be emphasized that the contribution of triplets in thin films cannot be observed using transient absorption measurement systems. For example, intercalation in the blend film can be neglected due to the ? PL value of nearly 100%.

전반적으로 Eth 이상으로 측정된 방출 스펙트럼은 삼중항 흡수 스펙트럼과 크게 중첩되지 않아서 롱 펄스 영역에서 광 증폭에 대한 순 게인이 크다. 따라서 BSBCz가 연속파 및 준 연속파 레이저 동작에 대한 최상의 후보 중 하나인 것으로 생각된다.Overall, the emission spectrum measured above E th does not overlap significantly with the triplet absorption spectrum, so the net gain for optical amplification in the long pulse region is large. Therefore, BSBCz is considered to be one of the best candidates for continuous-wave and quasi-continuous-wave laser operation.

섹션 E. 열 시뮬레이션Section E. Thermal Simulation

장치 내의 온도 분포를 조사하기 위해 COMSOL 5.2a를 사용하여 일시적인 2D 열전달 시뮬레이션을 수행한다. 도 38은 레이저 장치의 기하학의 개략도를 도시한다. 이 시뮬레이션에서는 그레이팅이 무시되고 있다는 것을 유의해야 한다.A transient 2D heat transfer simulation is performed using COMSOL 5.2a to investigate the temperature distribution within the device. 38 shows a schematic diagram of the geometry of the laser device. It should be noted that the grating is ignored in this simulation.

온도 분포에 대한 지배 편미분 방정식은 다음과 같이 표현된다.The governing partial differential equation for the temperature distribution is expressed as

Figure 112017078655148-pat00029
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ρ는 재료 밀도, Cp C p는 비열 용량, T는 온도, t는 시간, k는 열전도도, Q는 레이저 열원 용어이다. 레이저 펌프 빔은 가우스 형태를 가진다. 레이저 빔의 환형 대칭성 때문에 원통형 좌표에서 열 전달 방정식이 풀리게 된다. 펄스 가우시안 레이저 빔의 경우, 열원은 다음과 같이 작성된다 (10).ρ is the material density, C p C p is the specific heat capacity, T is the temperature, t is the time, k is the thermal conductivity, and Q is the laser heat source term. The laser pump beam has a Gaussian shape. Because of the annular symmetry of the laser beam, the heat transfer equation is solved in cylindrical coordinates. For a pulsed Gaussian laser beam, the heat source is written as ( 10 ).

Figure 112017078655148-pat00030
Figure 112017078655148-pat00030

α는 흡수 계수, R은 장치의 바닥면에서의 펌프 광선의 반사, P는 게인 영역에 도달하는 입사 펌프동력, rz는 공간 좌표, r 0은 펌프 레이저 빔의 1/e 2 반경이고, r = 0는 레이저 빔의 중심이고, z g는 게인 영역과 상층 사이의 계면의 z 좌표이며 (도 38 참조), H(t)는 펄스 폭 t p를 갖는 직사각형 펄스 함수이며, h g는 레이저 장의 부재시 열로 변환되는 게인 영역에서 흡수된 펌프동력의 분율 (11)이다.α is the absorption coefficient, R is the reflection of the pump beam at the bottom of the device, P is the incident pump power reaching the gain region, r and z are spatial coordinates, r 0 is the 1/2 e 2 radius of the pump laser beam, r = 0 is the center of the laser beam, z g is the z-coordinate of the interface between the gain region and the upper layer (see Fig. 38), H ( t ) is a rectangular pulse function with a pulse width t p , and h g is the laser It is the fraction of pump power absorbed in the gain region that is converted to heat in the absence of a field ( 11 ).

Figure 112017078655148-pat00031
Figure 112017078655148-pat00031

f PLφPL은 형광 양자 수율 (f PL(BSBCz:CBP) = 86%)이고, l pump는 펌프 레이저 파장이며, λlaser /laser는 추출된 레이저 파장이다. 경계 조건과 관련해서, 반경 방향에서는 대칭 경계 조건이 회전축에서 사용된다. 단열 경계 조건은 하단, 상단 및 가장자리 표면에 적용된다 (공기 대류는 무시된다). 장치의 반경은 2.5 mm로 설정된다. 동력 밀도는 2 kW/cm2이다. 표 S5는 COMSOL 데이터베이스에서 얻은 시뮬레이션에 사용된 열물리 및 기하학적 매개변수를 나타낸다. BSBCz:CBP 층의 경우, Ref (11)에서와 같은 유기 재료에 대해 동일한 열 매개변수를 선택하였다. f PLφPL is the fluorescence quantum yield ( f PL (BSBCz:CBP) = 86%), l pump is the pump laser wavelength, and λlaser /laser is the extracted laser wavelength. Regarding the boundary condition, in the radial direction, a symmetric boundary condition is used for the axis of rotation. Adiabatic boundary conditions are applied to the bottom, top and edge surfaces (air convection is neglected). The radius of the device is set to 2.5 mm. The power density is 2 kW/cm 2 . Table S5 presents the thermophysical and geometric parameters used for the simulations obtained from the COMSOL database. For the BSBCz:CBP layer, the same thermal parameters were chosen for the organic material as in Ref (11).

표 S5. 재료의 열물리 및 기하학적 매개변수 Table S5. Thermophysical and geometric parameters of materials

Figure 112017078655148-pat00032
Figure 112017078655148-pat00032

펌프 레이저 에너지의 흡수 후, BSBCz 층은 열원으로서 작용한다. 생성된 열은 전도에 의해 상층 및 하층을 향해 전달된다.After absorption of the pump laser energy, the BSBCz layer acts as a heat source. The generated heat is transferred towards the upper and lower layers by conduction.

1.1 펄스 폭 변화1.1 Pulse Width Variation

도 39와 도 40은 각각 10, 30, 및 40 ms의 펄스 폭 t p를 갖는 각각의 펌프 후의 BSBCz/CYTOP 층의 계면에서의 최대 온도 상승 및 온도 상승을 도시한다.39 and 40 show pulse widths of 10, 30, and 40 ms, respectively. The maximum temperature rise and temperature rise at the interface of the BSBCz/CYTOP layer after each pump with t p are shown.

이러한 시뮬레이션 결과는 롱 펄스 펌핑 조사로 인한 온도 상승이 펄스 지속 시간과 함께 증가하지만 이 효과는 30 ms보다 롱 펄스에 대해 포화되는 경향이 있음을 보여준다. 또한 이러한 계산으로부터 입사 펄스의 수에 따라 온도 상승이 크게 증가하는 것으로 예측되지는 않는다는 것을 알 수 있다.These simulation results show that the temperature rise due to long pulse pumping irradiation increases with pulse duration, but this effect tends to saturate for pulses longer than 30 ms. It can also be seen from these calculations that the temperature rise is not predicted to increase significantly with the number of incident pulses.

1.2 10 ms1.2 10 ms 펄스 폭의 경우에서의 캡슐화의 영향 Effect of encapsulation in the case of pulse width

도 41의 시뮬레이션 결과는 롱 펄스 광 조사 하에서 작동하는 장치의 열 관리를 향상시키기 위해 본 장치에서 사용되는 캡슐화의 중요성에 대한 명확한 증거를 제공한다.The simulation results in FIG. 41 provide clear evidence for the importance of encapsulation used in the present device to improve thermal management of devices operating under long pulse light irradiation.

1.3 1.3 CYTOPCYTOP 두께 변화 thickness change

도 42에서 볼 수 있듯이, CYTOP 두께를 늘리면 CYTOP의 열전도율이 낮아 게인 영역의 온도가 상승하게 된다. CYTOP에 의한 DFB 레이저의 캡슐화는 롱 펄스 광 여기 하에서 장치의 성능을 향상시키는데 중요한 것으로 밝혀져 있지만, CYTOP의 약한 열 전도도는 분명히 제한요소이며, 이러한 측면은 향후 연구에서 실제 연속파 유기 반도체 기술을 입증하기 위해 보다 적절한 캡슐화 물질의 선택을 통해 해결되어야만 한다.As can be seen from FIG. 42 , when the thickness of the CYTOP is increased, the thermal conductivity of the CYTOP is lowered and the temperature of the gain region is increased. Although encapsulation of DFB lasers by CYTOPs has been shown to be important for improving the performance of devices under long-pulse light excitation, the weak thermal conductivity of CYTOPs is clearly a limiting factor, and this aspect will be explored in future studies to demonstrate actual continuous wave organic semiconductor technology. should be addressed through the selection of a more suitable encapsulating material.

참조문헌References

1. D. Yokoyama, A. Sakaguchi, M. Suzuki, C. Adachi, Horizontal orientation of linear-shaped organic molecules having bulky substituents in neat and doped vacuum-deposited amorphous films. Org . Electron. 10(1), 127-137 (2009).1. D. Yokoyama, A. Sakaguchi, M. Suzuki, C. Adachi, Horizontal orientation of linear-shaped organic molecules having bulky substituents in neat and doped vacuum-deposited amorphous films. Org . Electron. 10(1), 127-137 (2009).

2. A. S. D. Sandanayaka, K. Yoshida, M. Inoue, K. Goushi, J. C. Ribierre, T. Matsushima, C. Adachi, Quasi-continuous-wave organic thin film distributed feedback laser. Adv . Opt. Mater. 4, 834-839 (2016).2. ASD Sandanayaka, K. Yoshida, M. Inoue, K. Goushi, JC Ribierre, T. Matsushima, C. Adachi, Quasi-continuous-wave organic thin film distributed feedback laser. Adv . Opt. Mater. 4, 834-839 (2016).

3. H. Nakanotani, C. Adachi, S. Watanabe, R. Katoh, Spectrally narrow emission from organic films under continuous-wave excitation. Appl . Phys. Lett . 90, 231109 (2007).3. H. Nakanotani, C. Adachi, S. Watanabe, R. Katoh, Spectrally narrow emission from organic films under continuous-wave excitation. Appl . Phys. Lett . 90, 231109 (2007).

4. D. Yokoyama, M. Moriwake, C. Adachi, Spectrally narrow emissions at cutoff wavelength from edges of optically and electrically pumped anisotropic organic films. J. Appl . Phys. 103, 123104 (2008).4. D. Yokoyama, M. Moriwake, C. Adachi, Spectrally narrow emissions at cutoff wavelength from edges of optically and electrically pumped anisotropic organic films. J. Appl . Phys. 103, 123104 (2008).

5. H. Yamamoto, T. Oyamada, H. Sasabe, C. Adachi, Amplified spontaneous emission under optical pumping from an organic semiconductor laser structure equipped with transparent carrier injection electrodes. Appl . Phys. Lett . 84, 1401 (2004).5. H. Yamamoto, T. Oyamada, H. Sasabe, C. Adachi, Amplified spontaneous emission under optical pumping from an organic semiconductor laser structure equipped with transparent carrier injection electrodes. Appl . Phys. Lett . 84, 1401 (2004).

6. T. Aimono, Y. Kawamura, K. Goushi, H. Yamamoto, H. Sasabe, C. Adachi, 100% fluorescence efficiency of 4,4'-bis[(N-carbazole)styryl]biphenyl in a solid film and the very low amplified spontaneous emission threshold. Appl . Phys. Lett . 86, 071110 (2005).6. T. Aimono, Y. Kawamura, K. Goushi, H. Yamamoto, H. Sasabe, C. Adachi, 100% fluorescence efficiency of 4,4'-bis[( N -carbazole)styryl]biphenyl in a solid film and the very low amplified spontaneous emission threshold. Appl . Phys. Lett . 86, 071110 (2005).

7. M. D. Mcgehee, A. J. Heeger, Semiconducting (conjugated) polymers as materials for solid-state lasers. Adv . Mater. 12, 1655-1668 (2000).7. MD Mcgehee, AJ Heeger, Semiconducting (conjugated) polymers as materials for solid-state lasers. Adv . Mater. 12, 1655-1668 (2000).

8. J. C. Ribierre, G. Tsiminis, S. Richardson, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, H. S. Barcena, P. L. Burn, Amplified spontaneous emission and lasing properties of bisfluorene-cored dendrimers. Appl . Phys. Lett . 91, 081108 (2007).8. JC Ribierre, G. Tsiminis, S. Richardson, GA Turnbull, IDW Samuel, HS Barcena, PL Burn, Amplified spontaneous emission and lasing properties of bisfluorene-cored dendrimers. Appl . Phys. Lett . 91, 081108 (2007).

9. S. Hirata, K Totani, T. Yamashita, C. Adachi, M. Vacha, Large reverse saturable absorption under weak continuous incoherent light. Nature Materials. 13, 938-946 (2014).9. S. Hirata, K Totani, T. Yamashita, C. Adachi, M. Vacha, Large reverse saturable absorption under weak continuous incoherent light. Nature Materials. 13, 938-946 (2014).

10. Z. Zhao, O. Mhibik, T. Leang, S. Forget, S.

Figure 112017078655148-pat00033
, Thermal effects in thin-film organic solid-state lasers. Opt. Express. 22, 30092-30107 (2014).10. Z. Zhao, O. Mhibik, T. Leang, S. Forget, S.
Figure 112017078655148-pat00033
, Thermal effects in thin-film organic solid-state lasers. Opt. Express. 22, 30092-30107 (2014).

11. S.

Figure 112017078655148-pat00034
, F. Druon, S. Forget, F. Balembois, P. Georges, On thermal effects in solid-state lasers: The case of ytterbium doped materials, Prog. Quantum Electron. 30(4), 89-153 (2006).11. S.
Figure 112017078655148-pat00034
, F. Druon, S. Forget, F. Balembois, P. Georges, On thermal effects in solid-state lasers: The case of ytterbium doped materials, Prog. Quantum Electron. 30(4), 89-153 (2006).

[5] 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저 다이오드[5] Electrically driven organic semiconductor laser diodes

발명의 요약Summary of the invention

광학적으로 펌핑되는 유기 반도체 레이저 및 그 응용의 성능에서의 주요한 진보에도 불구하고, 전기적으로 구동되는 유기 레이저 다이오드는 아직 실현되지 않았다. 여기에서는 유기 반도체 레이저 다이오드의 첫 번째 시연을 보고한다. 보고된 장치는 유기 발광 다이오드 구조에 혼합차수 분산형 피드백 SiO2 그레이팅을 통합한 것이다. 3.30 kAcm-2의 높은 전류 밀도를 장치에 주입할 수 있었고 청색 레이저 동작은 0.54 kAcm-2 정도의 임계 이상인 것으로 관찰되었다. 유기 반도체 레이저 다이오드의 구현은 주로 레이저 동작 파장에서 삼중항 흡수 손실을 보이지 않으며 고 전류 밀도에서 전계발광 효율 롤오프 (roll-off)의 억제를 나타내는 높은 게인 유기 반도체의 선택에 기인한다. 이는 유기 전자 분야에서의 주요한 진보이며 유기 광전자 회로의 완벽한 통합을 가능하게 하는 신규한 비용 효율적 유기 레이저 다이오드 기술에 대한 첫 걸음을 의미하는 것이다.Despite major advances in the performance of optically pumped organic semiconductor lasers and their applications, electrically driven organic laser diodes have not yet been realized. Here, we report the first demonstration of an organic semiconductor laser diode. The reported device incorporates a mixed-order distributed feedback SiO 2 grating in an organic light-emitting diode structure. A high current density of 3.30 kAcm -2 could be injected into the device, and the blue laser operation was observed to be above the critical level of about 0.54 kAcm -2 . The implementation of organic semiconductor laser diodes is mainly due to the selection of high gain organic semiconductors that show no triplet absorption loss at the laser operating wavelength and suppress the electroluminescence efficiency roll-off at high current densities. This is a major advance in the field of organic electronics and represents the first step towards a novel cost-effective organic laser diode technology that enables the seamless integration of organic optoelectronic circuits.

발명의 상세한 설명DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

광학적으로 펌핑되는 유기 반도체 레이저 (OSL)의 특성은 고 게인 유기 반도체 재료의 개발과 고품질 요소 공진기 구조의 설계 모두에서 주요한 진보의 결과로서 지난 20 년간 크게 향상되었다1 -5. 레이저의 게인 매체로서의 유기 반도체의 장점은 높은 포토루미네선스 양자 수율 (PLQY) 및 큰 유도 방출 단면, 그것의 화학적 조화 가능성, 가시 범위에서의 그것의 넓은 방출 스펙트럼, 및 그것의 제조 용이성을 포함한다. 최근의 저임계 분산형 피드백 (DFB) OSL에서의 진보에 따라 전기적으로 구동되는 나노초 펄스 무기 발광 다이오드에 의한 광학 펌핑이 입증되었으며 신규한 소형의 저비용 가시 레이저 기술을 향한 길을 제공하였다. 이러한 유형의 소형 유기 레이저는 랩온어칩 (lab-on-a-chip) 어플리케이션, 화학 감지 및 생체 분석에 특히 유망하다. 그러나 유기 광자와 광전자 회로의 완전한 통합을 달성하기 위해서는 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저 다이오드 (OSLD)가 필요하며 지금까지는 실현되지 않은 과학적 도전으로 남아있다. 유기 반도체 장치의 직접 전기 펌핑으로부터의 레이저 동작을 방지했던 문제는 주로 고 전류 밀도에서 발생하는 전기 접촉으로부터의 광학 손실 및 추가 삼중항과 폴라론 손실로부터 기인하는 것이다4 ,5,7-9. 이들 문제를 해결하기 위해 서로 다른 접근법이 이미 제안되어 있으며 예를 들면 삼중항 ??처를 사용하여10 -12 삼중항 흡수 손실 및 단일항-삼중항 엑시톤 소멸에 의한 단일항 ??칭을 억제할 뿐만 아니라 장치 활성 영역을 감소시켜서13 엑시톤 방사선 감쇄 영역으로부터 공간적으로 엑시톤 형성을 분리시키고 폴라론 ??칭 공정을 최소화하는 것을 포함한다. 광학적으로 펌핑되는 유기 반도체 DFB 레이저의 현재의 최첨단 성능을 고려할 때5, 장치 구조의 최적화와 함께 이들 접근법을 신중하게 조합하면 유기 박막으로부터의 전기적으로 구동되는 레이저 동작 방출을 이끌어낼 수 있다.The properties of optically pumped organic semiconductor lasers ( OSLs) have improved significantly over the past two decades as a result of major advances both in the development of high-gain organic semiconductor materials and in the design of high-quality element resonator structures 1-5 . Advantages of organic semiconductors as a gain medium for lasers include high photoluminescence quantum yield (PLQY) and large stimulated emission cross-section, its chemical harmonization potential, its broad emission spectrum in the visible range, and its ease of fabrication. . Recent advances in low-threshold distributed feedback (DFB) OSLs have demonstrated optical pumping by electrically driven nanosecond pulsed inorganic light-emitting diodes and paved the way for novel compact, low-cost visible laser technologies. This type of small organic laser is particularly promising for lab-on-a-chip applications, chemical sensing and bioanalysis. However, to achieve full integration of organic photons and optoelectronic circuits, electrically driven organic semiconductor laser diodes (OSLDs) are required and remain a hitherto unrealized scientific challenge. The problems that have prevented laser operation from direct electrical pumping of organic semiconductor devices stem mainly from optical losses from electrical contacts and additional triplet and polaron losses occurring at high current densities 4,5,7-9 . Different approaches have already been proposed to solve these problems, for example, using triplet quenchers to suppress singlet quenching by 10 -12 triplet absorption loss and singlet-triplet exciton annihilation. as well as reducing the device active region to spatially separate exciton formation from the 13 exciton radiation attenuating region and to minimize the polaron quenching process. Given the current state-of-the-art performance of optically pumped organic semiconductor DFB lasers 5 , careful combination of these approaches along with optimization of device structures can lead to electrically driven laser-driven emission from organic thin films.

이전의 연구들은 전기 펌핑과 관련된 추가 손실이 완전히 억제된 경우 OSL에서 레이저 동작을 달성시키기 위해 수 kA/cm2 이상의 전류 밀도가 필요할 것이라고 제안하였다14. 0.5 μJ/cm2 보다 낮은 자연증폭방출 (ASE) 임계를 보이는 다양한 유기 반도체 박막들 중에서5, 전기 펌핑 하에서 레이저 동작 방출을 관찰하는데 가장 유망한 분자 중 하나는 4,4'-비스[(N-카르바졸)스티릴]비페닐 (BSBCz) (도 43의 화학 구조 참조)이다15. BSBCz계 박막의 ASE 임계는 800 ps 펄스 광 여기 하에서 0.30 μJcm-2로 낮은 것으로 보고되었다16. 동시에 또 다른 연구는 펄스 폭이 5 μs인 펄스 작동 하에서 BSBCz계 유기 발광 다이오드 (OLED)에 2.8 kAcm-2의 전류 밀도를 주입할 수 있었다는 것을 보여주고 있다13. 이들 장치는 2% 이상의 최대 전계발광 외부 양자 효율 (EQE) 값을 나타냈다. 또한, 단일항-열 및 단일항-폴라론 소멸로 인한 높은 전류 밀도에서의 효율 롤오프는 전류 주입/수송 영역의 디멘션 중 하나를 50 nm로 좁혀줌으로써 실질적으로 감소되었다. 보다 최근에는 80 MHz에서의 준 연속파 레이저 동작 및 30 ms 이상 지속되는 진정한 연속파 레이저 동작이 광학적으로 펌핑되는 BSBCz계 유기 DFB 레이저에서 시연되었다17. BSBCz의 PLQY가 4,4'-비스(N-카르바졸일)-1,1'-비페닐 (CBP) 블렌드에서 100%에 가깝기 때문에 이러한 전례 없는 성능이 달성될 수 있었고, BSBCz 막의 레이저 동작 파장에서 심각한 삼중항 흡수 손실이 없다는 사실이 얻어질 수 있었다. 반전된 OLED 구조와 장치의 활성 영역에 통합된 혼합차수 DFB SiO2 그레이팅을 조합하여 BSBCz 박막으로부터의 전기적으로 구동되는 레이저 동작 방출을 시연하고 있어서 유기 반도체로부터의 전기적으로 구동되는 레이저 동작 방출의 첫 번째 명확한 증거를 제공한다.Previous studies have suggested that current densities of several kA/cm 2 or higher would be necessary to achieve laser operation in OSL if the additional losses associated with electrical pumping were completely suppressed 14 . Among the various organic semiconductor thin films that exhibit spontaneously amplified emission (ASE) thresholds lower than 0.5 μJ/cm 2 5 , one of the most promising molecules for observing laser-driven emission under electric pumping is 4,4′-bis[(N-carr bazole)styryl]biphenyl (BSBCz) (see chemical structure in FIG. 43 ) 15 . The ASE threshold of BSBCz-based thin films was reported to be as low as 0.30 μJcm −2 under 800 ps pulsed light excitation 16 . At the same time, another study showed that it was possible to inject a current density of 2.8 kAcm -2 into BSBCz-based organic light-emitting diodes (OLEDs) under pulsed operation with a pulse width of 5 μs 13 . These devices exhibited maximum electroluminescent external quantum efficiency (EQE) values of more than 2%. In addition, the efficiency roll-off at high current densities due to singlet-column and singlet-polaron dissipation was substantially reduced by narrowing one of the dimensions of the current injection/transport region to 50 nm. More recently, quasi-continuous-wave laser operation at 80 MHz and true continuous-wave laser operation lasting longer than 30 ms have been demonstrated in optically pumped BSBCz-based organic DFB lasers 17 . This unprecedented performance could be achieved because the PLQY of BSBCz was close to 100% in the 4,4'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl (CBP) blend, and the laser operating wavelength of the BSBCz film It can be obtained that there is no significant triplet absorption loss in By combining an inverted OLED structure with a mixed-order DFB SiO 2 grating integrated into the active region of the device, we demonstrate electrically driven laser-driven emission from BSBCz thin films, making it the first provide clear evidence.

이 연구에서 개발된 OSLDs의 제조 방법과 아키텍처는 도 43 내지 45에 개략적으로 도시되어 있다 (실험 절차에 대한 상세한 설명은 재료 및 방법 섹션 참조). 100 nm 두께의 유전체 SiO2 층을 먼저 미리 세정된 패턴화 인듐 주석 산화물 (ITO) 유리 기판 위에 스퍼터링 하였다. 1차 브래그 산란 영역이 2차 브래그 산란 영역으로 둘러싸인 혼합차수 DFB 그레이팅을 설계하여 각각 강한 광학 피드백을 발생시키고 레이저 방출의 효율적인 수직 아웃커플링을 제공한다17 ,18. DFB 레이저에서, 브래그 조건4 ,19Bragg = 2 neffΛ이 충족될 때 레이저 진동이 발생하는 것으로 잘 알려져 있으며, m은 회절 차수, l Bragg는 브래그 파장, neff는 게인 매체의 실효 굴절률, Λ는 그레이팅의 주기이다. BSBCz에 대해 보고된 neffl Bragg 값을 사용하여20 , 21 혼합차수 (m = 1, 2) DFB 레이저 장치의 그레이팅 주기를 각각 140 및 280 nm로 계산한다. 전자 빔 리소그래피와 반응성 이온 에칭을 사용하여 140 x 200 μm 면적 (도 46A)에 대해 SiO2 층에서 혼합차수 DFB 그레이팅을 조각하였다. 도 46B의 주사 전자 현미경 (SEM) 영상에 의해 도시된 바와 같이, 이 연구에서 제조된 DFB 그레이팅은 상기 제공된 본 사양에 완벽히 부합하는 140 ± 5 nm 및 280 ± 5 nm의 주기와 약 65 ± 5 nm의 그레이팅 깊이를 갖는다. 1차 및 2차 DFB 그레이팅 각각의 길이는 각각 약 10 및 15.1 μm였다. 그 다음 에너지 분산 X-선 분광 (EDX) 분석을 수행하여 ITO 층이 그레이팅 제작 중에 손상되지 않았고 SiO2 층이 에칭된 영역에서 완전히 제거되었음을 확인하였다. 도 46C 및 도 46D에 도시된 EDX 결과는 ITO 접촉부가 위치하는 에칭된 영역에서 DFB 그레이팅의 상부에 증착된 유기 반도체 층으로 ITO로부터 전하가 주입될 수 있다는 증거를 제공한다. 또한 DFB 공진기는 간단한 나노임프린트 리소그래피 공정을 사용하여 저렴한 비용으로 마련할 수 있다는 것이 제안되어 있다 (도 45). 도 47A에 나타낸 개략도에 의해 도시된 바와 같이, 이 연구에서 제조된 OSLD는 DFB 그레이팅의 상부에 진공 증착된 다음의 간단한 반전 OLED 구조를 가진다: ITO (100 nm)/20 wt% Cs:BSBCz (60 nm)/BSBCz (150 nm)/MoO3 (10 nm)/Ag (10 nm)/Al (90 nm). 이러한 반전 장치 구조에서, ITO에 가깝게 접촉하는 영역에서 BSBCz 막을 Cs로 도핑하면, MoO3가 정공 주입층으로 사용되는 동안 유기층으로의 전자 주입이 개선된다 (도 48 내지 49). 도 50에 도시된 바와 같이, 모든 층의 표면 형태는 20 내지 30 nm의 표면 변조 깊이를 가지는 그레이팅 구조를 나타낸다. 가장 효율적인 OLED는 일반적으로 전하 균형을 최적화하기 위해 다층 아키텍처를 사용하지만22 ,23 높은 전류 밀도에서 유기 헤테로 계면에서 전하 축적이 일어날 수 있으며 장치 성능 및 안정성에 불리할 수 있다24. 이 연구에서 제조된 OSLD는 유기 반도체로서 BSBCz만을 포함하며 유기 헤테로 계면의 수를 최소화하도록 특별히 설계되었다. SiO2 DFB 그레이팅이 없는 장치도 제작되어 기준으로 사용되어서 전계발광 특성에 대한 그레이팅의 영향에 대한 추가 정보를 얻게 되었다는 것을 유의해야 한다. 또한, SiO2, ITO 및 중합체에 또는 활성층의 상부에 서로 다른 일차원 DFB 공진기 구조를 갖는 유기 반도체 레이저 다이오드를 제조하려는 열망이 있다 (도 51A 내지 D). 도 52에 도시된 바와 같이, 2차원 DFB 공진기 구조를 갖는 유기 반도체 레이저 다이오드는 또한 저임계 2D-DFB 레이저에 대해 유망하다.The fabrication method and architecture of the OSLDs developed in this study are schematically illustrated in Figures 43 to 45 (see the Materials and Methods section for a detailed description of the experimental procedure). A 100 nm thick dielectric SiO 2 layer was first sputtered onto a pre-cleaned patterned indium tin oxide (ITO) glass substrate. We design a mixed-order DFB grating in which the first-order Bragg scattering region is surrounded by the second-order Bragg scattering region, which generates strong optical feedback and provides efficient vertical outcoupling of laser emission , respectively 17,18 . In DFB lasers , it is well known that laser oscillation occurs when the Bragg condition 4,19Bragg = 2 n eff Λ is satisfied, m is the diffraction order, l Bragg is the Bragg wavelength, n eff is the effective refractive index of the gain medium, Λ is the period of grating. Using the reported values of n eff and l Bragg for BSBCz, the grating periods of 20 and 21 mixed-order (m = 1, 2) DFB laser devices are calculated to be 140 and 280 nm, respectively. Electron beam lithography and reactive ion etching were used to engraving a mixed-order DFB grating in a SiO 2 layer over an area of 140×200 μm ( FIG. 46A ). As shown by the scanning electron microscopy (SEM) image of FIG. 46B, the DFB grating prepared in this study was approximately 65 ± 5 nm with periods of 140 ± 5 nm and 280 ± 5 nm, perfectly meeting the present specifications provided above. has a grating depth of The length of the primary and secondary DFB gratings, respectively, was about 10 and 15.1 μm, respectively. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analysis was then performed to confirm that the ITO layer was not damaged during grating fabrication and that the SiO 2 layer was completely removed from the etched area. The EDX results shown in Figures 46C and 46D provide evidence that charge can be injected from ITO into the organic semiconductor layer deposited on top of the DFB grating in the etched region where the ITO contacts are located. It has also been proposed that the DFB resonator can be prepared at low cost using a simple nanoimprint lithography process (FIG. 45). As illustrated by the schematic shown in Figure 47A, the OSLD fabricated in this study has the following simple inverted OLED structure vacuum deposited on top of a DFB grating: ITO (100 nm)/20 wt% Cs:BSBCz (60 nm)/BSBCz (150 nm)/MoO 3 (10 nm)/Ag (10 nm)/Al (90 nm). In this inversion device structure, doping the BSBCz film with Cs in the region close to the ITO improves electron injection into the organic layer while MoO 3 is used as the hole injection layer ( FIGS. 48 to 49 ). As shown in Fig. 50, the surface morphology of all layers shows a grating structure having a surface modulation depth of 20 to 30 nm. Although the most efficient OLEDs generally use multilayer architectures to optimize charge balance 22,23 at high current densities, charge accumulation can occur at the organic heterointerface and can be detrimental to device performance and stability 24 . The OSLD fabricated in this study contains only BSBCz as an organic semiconductor and is specially designed to minimize the number of organic heterointerfaces. It should be noted that a device without a SiO 2 DFB grating was also fabricated and used as a reference to obtain additional information on the effect of the grating on the electroluminescent properties. There is also a desire to fabricate organic semiconductor laser diodes with different one-dimensional DFB resonator structures in SiO 2 , ITO and polymers or on top of active layers ( FIGS. 51A-D ). As shown in Fig. 52, organic semiconductor laser diodes with a two-dimensional DFB resonator structure are also promising for low-threshold 2D-DFB lasers.

도 47B 및 도 53A 내지 53D는 OSLD의 광학 현미경 영상을 도시하고, 도 47C는 그레이팅이 없는 기준 OLED의 광학 현미경 영상을 도시하며, 둘 다 4.0 V에서의 직류 동작 하에 있다. 전계발광은 기준 OLED의 활성 영역으로부터 균일하게 수행된다. OSLD의 경우, 수직 광 아웃커플링을 촉진하도록 특별히 설계된 OSLD의 2차 DFB 그레이팅 영역으로부터 보다 강한 방출을 볼 수 있다. DFB 그레이팅이 있는 및 DFB 그레이팅이 없는 대표적인 장치에서 측정된 전류-전압 (J-V) 및 EQE-J 곡선이 도 47D 내지 47E에 도시되어 있다. 장치는 직류 및 펄스 (전압 펄스 폭 500 ns 및 반복률 100 Hz) 조건에서 특성을 나타내었다. OSLD의 활성 영역은 장치에 주입된 전류 밀도를 계산하는데 필요한 SEM 및 레이저 현미경 영상으로부터 평가되었다. 직류 및 펄스 작동 하에서 기준 장치는 각각 70 및 850 Acm-2의 장치 고장 (Jmax) 전에 최대 전류 밀도를 보였다. 더 작은 활성 장치 영역으로 줄(Joule) 열이 감소하기 때문에13,25 OSLD는 직류 및 펄스 동작 하에서 각각 80 및 3220 Acm-2의 상당히 높은 Jmax를 나타냈다. 모든 BSBCz 장치는 저 전류 밀도에서 2% 이상의 최대 EQE 값을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 그러나 유기 게인 매체의 열적 열화에 기인할 수 있는 직류 동작 하에서 15 Acm-2보다 높은 전류 밀도에서는 OSLD 및 기준 장치에서 상당한 효율 롤오프 (roll-off)가 관찰되었다. 펄스 작동 하에서, 기준 장치는 410 Acm-2보다 높은 전류 밀도에서 효율 롤오프를 보였으며 이전 보고서의 결과와 일치한다13. 더 중요한 것은, 펄스 작동 하에서 OSLD에서 효율 롤오프가 억제되었고, EQE는 800 Acm-2 이상으로 실질적으로 증가하여 3.3%의 최대값에 도달하는 것으로 나타났다. 전류 밀도가 3200 Acm-2 이상으로 증가하면 EQE는 유기 반도체의 열적 열화로 인해 급격하게 감소될 수 있다.Figures 47B and 53A-53D show optical microscopy images of OSLD, and Figure 47C shows optical microscopy images of a reference OLED without grating, both under direct current operation at 4.0 V. The electroluminescence is carried out uniformly from the active area of the reference OLED. For OSLDs, stronger emission can be seen from the secondary DFB grating regions of the OSLDs specifically designed to promote vertical light outcoupling. The measured current-voltage (JV) and EQE-J curves for representative devices with and without DFB grating are shown in FIGS. 47D-47E. The device was characterized under DC and pulse (voltage pulse width 500 ns and repetition rate 100 Hz) conditions. The active area of the OSLD was evaluated from SEM and laser microscopy images required to calculate the current density injected into the device. The reference devices under direct current and pulsed operation showed maximum current densities before device failure (J max ) of 70 and 850 Acm −2 , respectively. Due to the reduction of Joule heat with a smaller active device area, 13,25 OSLDs exhibited significantly higher J max of 80 and 3220 Acm -2 under DC and pulsed operation, respectively. All BSBCz devices were found to exhibit maximum EQE values greater than 2% at low current densities. However, at current densities higher than 15 Acm -2 under direct current operation, which could be attributed to the thermal degradation of the organic gain medium, significant efficiency roll-offs were observed in OSLD and reference devices. Under pulsed operation, the reference device showed an efficiency roll-off at current densities higher than 410 Acm -2 , consistent with the results of previous reports 13 . More importantly, the efficiency roll-off was suppressed in OSLD under pulsed operation, and the EQE appeared to increase substantially above 800 Acm -2 , reaching a maximum of 3.3%. When the current density is increased above 3200 Acm -2 , the EQE can be drastically reduced due to the thermal degradation of the organic semiconductor.

도 54에 도시된 바와 같이, 기준 장치의 전계발광 스펙트럼은 BSBCz 니트막의 정상 상태 PL 스펙트럼과 유사하고 전류 밀도에 따라 변화되지 않는다. 도 53E, 55A, 55C 및 56A는 서로 다른 전류 밀도에서의 펄스 동작 하에서 몇몇 OSLD의 전계발광 스펙트럼의 진화를 도시한다. 이러한 스펙트럼은 OSLD의 ITO 면으로부터 기판 평면에 대해 수직방향으로 측정되었다. J가 800 Acm-2보다 커지면 456.8 nm에서 강한 스펙트럼 선 협소화 효과가 발생한다는 것을 분명히 알 수 있다. 추가적인 이해를 얻기 위해, 전류 밀도의 함수로서 출력 강도 및 반치전폭 (FWHM)이 도 53F, 55B, 55D 및 56B에 도시되어있다. BSBCz 니트막의 정상 상태 PL 스펙트럼의 FWHM은 약 35 nm이지만, 가장 높은 전류 밀도에서 0.2 nm보다 낮은 값으로 감소된다. 동시에 출력 강도의 기울기 효율의 급격한 변화가 관찰되어 EQE-J 곡선의 반응과 일치하며 960 Acm-2의 임계를 결정하는 데 사용될 수 있다. EQE-J 곡선에 나타난 것과 유사하게, J가 3.2 kAcm-2보다 클 때 출력 세기는 열적 열화로 인한 장치 고장 때문에 J에 따라 감소된다. 그러나 이 영역에서는 OSLD의 방출 스펙트럼이 매우 날카롭다는 것을 주목하는 것이 중요하다. 관찰된 반응은 높은 전류 밀도에서 광 증폭이 일어나며 OSLD가 레이저 임계 이상의 레이저 동작 방출을 보인다는 것을 분명하게 알려주고 있다.As shown in Fig. 54, the electroluminescence spectrum of the reference device is similar to the steady-state PL spectrum of the BSBCz neat film and does not change with the current density. 53E, 55A, 55C and 56A show the evolution of the electroluminescence spectra of several OSLDs under pulsed operation at different current densities. These spectra were measured perpendicular to the substrate plane from the ITO side of the OSLD. It can be clearly seen that a strong spectral line narrowing effect occurs at 456.8 nm when J becomes larger than 800 Acm -2 . To gain a further understanding, the output intensity and full width at half maximum (FWHM) as a function of current density are shown in Figures 53F, 55B, 55D and 56B. The FWHM of the steady-state PL spectrum of the BSBCz neat film is about 35 nm, but decreases to a value lower than 0.2 nm at the highest current density. At the same time, a sharp change in the slope efficiency of the output intensity is observed, which is consistent with the response of the EQE-J curve and can be used to determine the threshold of 960 Acm -2 . Similar to what is shown in the EQE-J curve, when J is greater than 3.2 kAcm -2 , the output intensity decreases with J due to device failure due to thermal degradation. However, it is important to note that the emission spectrum of OSLDs is very sharp in this region. The observed response clearly indicates that light amplification occurs at high current densities and that the OSLD exhibits laser action emission above the laser threshold.

첫 번째 유기 반도체 레이저 다이오드에 대한 탐구는 과거에 몇 가지 논란이 된 보고서와 관련되어 있으며 이 연구에서 제조된 OSLD가 전기적으로 구동되는 레이저 방출을 제공한다고 주장하기 전에 상당한 주의를 기울여야 한다는 것을 암시한다9. 첫째, 몇몇 연구20 ,26, 27는 유기 발광 소자로부터의 도파관 모드의 가장자리 방출이 레이저 증폭없이 매우 강한 선 협소화 효과를 가져올 수 있다는 것을 보여 주었다. 이전의 연구와는 달리, 본 OSLD로부터의 방출은 기판 평면에 대해 수직방향으로 감지되며 명확한 임계 반응을 보여주고 있다. 또한 유기 박막의 ASE 선폭은 일반적으로 수 nm의 범위 내에 있지만 유기 DFB 레이저의 FWHM은 1 nm 이하에서 바람직할 수 있다는 것을 부각시켜야 한다5. FWHM이 0.2 nm보다 작으면 본 OSLD의 방출 스펙트럼은 ASE에만 기인할 수 없으며 광학적으로 펌핑되는 유기 DFB 레이저에서 일반적으로 얻어지는 것과 일치한다. 둘째, 이전 보고서는 ITO에서의 전환을 우연히 여기시킴으로써 매우 좁은 방출 스펙트럼을 보여주었다28. ITO의 원자 스펙트럼 선은 410.3, 451.3 및 468.5 nm에서의 것들을 포함한다29. 도 55a의 OSLD의 방출 피크 파장은 456.8 nm이며 ITO로부터의 방출에 기인하는 것일 수 없다. OSLD의 방출은 공진기 모드의 특성이어야 하며, 따라서 출력은 레이저 공동의 변형에 매우 민감해야 한다는 것이 또한 강조되어야 한다. 광학적으로 펌핑되는 유기 DFB 레이저에서 방출 파장을 조정하는 간단한 방법은 그레이팅 주기를 변경시키는 것이다4 ,5,30,31. 도 55C 내지 55D는 서로 다른 전류 밀도에서의 방출 스펙트럼 및 300 nm (2차 산란에 대해) 및 150 nm (1차 산란에 대해)의 그레이팅 주기를 갖는 OSLD에 대한 전류 밀도에 따른 출력 세기를 각각 도시한다. 이 장치는 FWHM이 0.16 nm이고 임계가 1.07 kAcm-2인 475.5 nm에서의 레이저 동작 피크를 보인다 (도 57).The quest for the first organic semiconductor laser diodes involves several controversial reports in the past, suggesting that considerable caution should be exercised before claiming that the OSLDs fabricated in this study provide electrically driven laser emission 9 . First , several studies 20,26,27 have shown that edge emission of waveguide modes from organic light emitting devices can lead to very strong line narrowing effects without laser amplification. Unlike previous studies, the emission from this OSLD is sensed perpendicular to the substrate plane and shows a clear critical response. It should also be emphasized that the ASE linewidth of organic thin films is generally in the range of a few nm, but the FWHM of organic DFB lasers may be desirable at 1 nm or less 5 . When the FWHM is less than 0.2 nm, the emission spectrum of this OSLD cannot be attributed to ASE alone and is consistent with that commonly obtained with optically pumped organic DFB lasers. Second, a previous report showed a very narrow emission spectrum by accidentally exciting the transition in ITO 28 . The atomic spectral lines of ITO include those at 410.3, 451.3 and 468.5 nm 29 . The emission peak wavelength of the OSLD in Figure 55a is 456.8 nm and cannot be attributed to emission from ITO. It should also be emphasized that the emission of the OSLD should be characteristic of the resonator mode, and therefore the output should be very sensitive to the deformation of the laser cavity. A simple way to tune the emission wavelength in an optically pumped organic DFB laser is to change the grating period 4 , 5 , 30 , 31 . 55C-55D show emission spectra at different current densities and output intensity as a function of current density for OSLDs with grating periods of 300 nm (for secondary scattering) and 150 nm (for primary scattering), respectively. do. This device shows a laser action peak at 475.5 nm with a FWHM of 0.16 nm and a threshold of 1.07 kAcm -2 (Fig. 57).

또한 개선된 공진기 설계를 채택한 BSBCz의 박막을 기반으로 하는 유기 DFB 레이저가 제공된다 (도 58). 2차 그레이팅에 의해 결합된 레이저 조사는 손실 채널을 나타내므로, 이들 레이저는 일반적으로 1차 상대에 비해 더 높은 임계를 나타낸다. 아웃커플링과 임계 간의 교환을 조사하기 위해 1차 및 2차 영역의 폭이 다른 그레이팅을 제작하였다. 임계는 레이저 입-출력 곡선에서 추론되었으며 도 59에서 2차 영역 폭의 함수로 도시된다. 진동 임계는 2차 영역 크기에 따라 선형적으로 증가한다는 것을 알 수 있다. 이는 증가하는 주기에 따라 선형적으로 증가되는 도파관 손실에 레이저 임계가 비례하는 것으로 이해할 수 있다. 따라서 혼합차수 공진기의 임계는 아웃커플링된 광의 비율이 증가함에 따라 증가하지만 강한 아웃커플링의 경우 임계는 낮게 유지된다. 그레이팅 매개 변수를 변경함으로써 유기 고체 레이저는 최적화된 특성 (낮은 임계 및 높은 아웃커플링)을 가질 수 있다.Also provided is an organic DFB laser based on a thin film of BSBCz, which adopts an improved resonator design (Fig. 58). Since laser irradiation coupled by secondary gratings exhibit lossy channels, these lasers generally exhibit a higher threshold than their primary counterparts. To investigate the exchange between outcoupling and criticality, gratings with different widths of the primary and secondary regions were fabricated. The threshold was inferred from the laser input-output curve and is plotted as a function of secondary region width in FIG. 59 . It can be seen that the vibration threshold increases linearly with the secondary region size. It can be understood that the laser threshold is proportional to the waveguide loss that increases linearly with the increasing period. Thus, the threshold of the mixed-order resonator increases as the proportion of outcoupled light increases, but in the case of strong outcoupling, the threshold remains low. By changing the grating parameters, the organic solid-state laser can have optimized properties (low threshold and high outcoupling).

도 56B는 서로 다른 전류 밀도에서의 방출 스펙트럼, 및 300 nm(2차 산란에 대해) 및 150 nm(1차 산란에 대해)의 그레이팅 주기를 가지며 각각 4 및 12의 1차 및 2차 주기를 가지는 OSLD에 대한 전류 밀도에 따른 출력 세기를 도시한다(도 60). 이 장치는 0.18 nm의 FWHM 및 540 Acm-2의 임계를 가지는 500.5 nm에서의 레이저 동작 피크를 나타낸다. 이것은 본 OSLD의 레이저 동작 방출이 DFB 공진기 구조에 크게 영향을 받는다는 증거를 명확하게 제공하는 것이며 파장 범위에서 레이저 파장을 조정하는데 사용될 수 있다. OSLD의 레이저 방출은 출력 빔 편광, 출력 빔 모양 및 시간적 일관성의 측면에서 몇 가지 기준을 따라야 한다9. 도 61에 도시된 바와 같이, OSLD의 출력 빔은 그레이팅 패턴을 따라 강하게 직선 편광되어 전기적으로 구동되는 장치에서 진정한 일차원 DFB 레이저 작용의 명확한 증거를 제공한다.56B shows emission spectra at different current densities, with grating periods of 300 nm (for secondary scattering) and 150 nm (for primary scattering) with primary and secondary periods of 4 and 12, respectively. The output intensity as a function of current density for the OSLD is plotted (FIG. 60). This device exhibits a laser operating peak at 500.5 nm with a FWHM of 0.18 nm and a threshold of 540 Acm -2 . This clearly provides evidence that the laser motion emission of this OSLD is strongly influenced by the DFB resonator structure and can be used to tune laser wavelengths in a range of wavelengths. Laser emission from OSLDs must conform to several criteria in terms of output beam polarization, output beam shape, and temporal coherence 9 . As shown in Figure 61, the output beam of the OSLD is strongly linearly polarized along the grating pattern, providing clear evidence of true one-dimensional DFB laser action in an electrically driven device.

명확히 해야 할 또 다른 중요한 문제는 전기적으로 구동되는 OSLD의 레이저 동작 임계와 광 펌핑에 의해 얻어진 레이저 동작 임계를 비교하는 것을 살펴보는 것이다. 도 62는 500 ns 펄스를 전달하는 레이저 다이오드에 의해 405 nm의 여기 파장에서 ITO면을 통해 광학적으로 펌핑된 OSLD의 레이저 동작 특성을 도시한다. 레이저 동작 방출은 481 nm에서 발생했으며 전기적으로 구동되는 레이저 동작 파장과 일치한다. 광학 펌핑 하에서의 레이저 동작 임계는 약 450 Wcm-2인 것으로 측정되었으며 두 전극이 없는 광학적으로 펌핑되는 BSBCz계 DFB 레이저에서 얻어진 36 Wcm-2 값보다 높은 것이다. OSLD에 사용된 서로 다른 층들의 두께가 이 전극의 존재로 인한 광학 손실을 최소화하기 위해 이 작업에서 최적화되었다는 점에 유의해야 한다. 높은 전류 밀도에서 작동하는 BSBCz OSLD에서 추가적인 손실 메커니즘이 없다고 가정할 때, 광학적으로 펌핑되는 장치에서 측정된 임계는 전기적으로 구동되는 레이저 동작 방출이 1125 Acm-2보다 높은 전류 밀도에 대해 달성되어야 한다는 것을 암시해준다. 광학 및 전기 펌핑에 대한 유사 임계값들은 고전류 밀도에서 유기 전계발광 장치에서 일반적으로 발생하는 추가 손실 (높은 전기장, 줄 (Joule)열에 의한 엑시톤 소멸, 삼중항 및 폴라론 흡수, ??칭 포함)32이 거의 억제되었다는 것을 암시해준다. 이것은 강한 펄스 전기 여기 하에서 OSLD에서 전계발광 효율 롤오프 (electroluminescent efficiency roll-off)가 관찰되지 않았다는 사실과 완전히 일치한다. 이러한 결과를 설명하기 위해서는, BSBCz 막은 레이저 동작/ASE 파장에서 의미있는 삼중항 흡수를 보이지 않으며, 단일항-삼중항 소멸에 의해 단일항의 ??칭을 매우 약하게 보인 것을 기억해야 한다. 중요하게는, 이전의 연구는 장치 활성 영역의 감소가 엑시톤의 방사성 감쇄로부터 엑시톤 형성을 분리하고 폴라론/열 ??칭 공정을 실질적으로 감소시키는데 사용될 수 있음을 보여 주었다.Another important issue to be clarified is to look at the comparison of the laser operating threshold of an electrically driven OSLD with that obtained by optical pumping. 62 shows the laser operating characteristics of an OSLD optically pumped through an ITO plane at an excitation wavelength of 405 nm by a laser diode delivering a 500 ns pulse. The laser action emission occurred at 481 nm and coincided with the electrically driven laser action wavelength. The laser operating threshold under optical pumping was measured to be about 450 Wcm -2 , which is higher than the 36 Wcm -2 value obtained with an optically pumped BSBCz-based DFB laser without two electrodes. It should be noted that the thicknesses of the different layers used for OSLD were optimized in this work to minimize optical losses due to the presence of this electrode. Assuming no additional loss mechanisms in BSBCz OSLDs operating at high current densities, the measured thresholds in optically pumped devices indicate that electrically driven laser action emission should be achieved for current densities higher than 1125 Acm −2 . hints at Similar thresholds for optical and electrical pumping indicate additional losses typically encountered in organic electroluminescent devices at high current densities (including high electric fields, Joule heat-induced exciton annihilation, triplet and polaron absorption, and quenching) 32 This suggests that it is almost suppressed. This is fully consistent with the fact that no electroluminescent efficiency roll-off was observed in OSLD under strong pulsed electrical excitation. To explain these results, it should be remembered that the BSBCz film does not show significant triplet absorption at the laser operation/ASE wavelength, and exhibits very weak quenching of singlets by singlet-triplet annihilation. Importantly, previous studies have shown that reduction of the device active area can be used to separate exciton formation from radiative decay of excitons and to substantially reduce the polaron/thermal quenching process.

또한 도 63에 도시된 바와 같이 하나의 칩에 9 DFB가 있는 장치를 제조하여 효율적인 출력의 레이저 방출을 제공한다. 낮은 임계의 유기 반도체 레이저 다이오드의 경우, 환형 DFB 공진기 또한 성공적으로 제조되었다 (도 64 내지 65).In addition, as shown in FIG. 63, a device with 9 DFB on one chip is fabricated to provide efficient laser emission of power. For low-threshold organic semiconductor laser diodes, annular DFB resonators have also been successfully fabricated (Figs. 64-65).

결론적으로 이 연구는 유기 발광 다이오드 구조의 활성 영역에 혼합차수 분산형 피드백 SiO2 공진기를 구현해내는 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저 다이오드의 첫 번째 실시를 입증하는 것이다. 특히 장치는 540 Acm-2의 낮은 임계 전류 밀도로 청색 레이저 동작 방출을 보였다. 방출 선폭, 편광 및 임계의 관점에서, 레이저 동작 방출과 다른 현상을 구별하는 데 사용될 수 있는 서로 다른 기준이 신중하게 검증되었으며 유기 반도체의 전기적으로 구동되는 레이저 동작을 첫 번째로 관찰한 것이라는 주장을 충분히 뒷받침한다. 이 보고서는 유기 포토닉스에서 새로운 기회와 전망을 열어주고 있으며, 간단하고 저렴하고 조정가능한 레이저 소스의 장점과 그것의 완전하고 직접적인 유기계 광전자 플랫폼의 통합에 대한 적합성을 지지하는 유기 반도체 레이저 다이오드 기술의 미래 발전을 위한 강력한 기반으로 확실히 작용할 것이다.In conclusion, this study demonstrates the first implementation of an electrically driven organic semiconductor laser diode implementing a mixed-order distributed feedback SiO 2 resonator in the active region of an organic light-emitting diode structure. In particular, the device exhibited blue laser action emission with a low critical current density of 540 Acm -2 . In terms of emission linewidth, polarization, and criticality, the different criteria that can be used to distinguish laser motion emission from other phenomena have been carefully validated and are sufficient to argue that it is the first observation of electrically driven laser motion in organic semiconductors. back up This report opens up new opportunities and prospects in organic photonics and future developments in organic semiconductor laser diode technology supporting the advantages of simple, inexpensive and tunable laser sources and their suitability for complete and direct integration of organic-based optoelectronic platforms. It will certainly serve as a strong foundation for

재료 및 방법Materials and Methods

장치제조 및 특성화Device fabrication and characterization

인듐주석 산화물 (ITO) 코팅 유리 기판 (100 nm ITO, Atsugi Micro Co.)을 중성 세제, 순수, 아세톤 및 이소프로판올을 사용하여 초음파 세척한 다음 UV-오존 처리를 하였다. 100 nm 두께의 SiO2를 100 nm ITO 코팅 유리 기판 위에서 실온에서 스퍼터링하여 ITO 기판 위에 DFB를 조각하였다. 스퍼터링하는 동안의 아르곤 압력은 0.2 Pa였다. RF 전력은 100 W로 설정되었다 (도 43 및 도 44). 기판을 이소프로판올을 사용하여 다시 초음파 세척하고 뒤이어 UV-오존 처리를 하였다. 이산화규소 표면을 헥사메틸디실라잔 (HMDS)으로 4000 rpm에서 15 초 동안 스핀 코팅하여 처리하였고 120℃에서 120 초 동안 어닐링 처리하였다. 약 70 nm 두께의 레지스트 층을 ZEP520A-7 용액 (ZEON Co.)으로부터 4000 rpm으로 30 초 동안 기판 위에 스핀 코팅하고 180℃에서 240 초 동안 베이킹 하였다. 0.1 nCcm-2의 최적화된 선량을 갖는 JBX-5500SC 시스템 (JEOL)을 사용하여 레지스트 층 위에 그레이팅 패턴을 도출하기 위해 전자빔 리소그래피를 수행하였다. 전자선 조사 후, 실온에서 현상액 (ZED-N50, Zeon Co.)에서 패턴을 현상하였다. 패턴화된 레지스트 층을 에칭 마스크로 사용하였으며 기판을 EIS-200ERT 에칭 시스템 (ELIONIX)을 사용하여 CHF3로 플라즈마 에칭하였다. 기판으로부터 레지스트 층을 완전히 제거하기 위해, 기판을 FA-1EA 에칭 시스템 (SAMCO)을 사용하여 O2로 플라즈마 에칭하였다. 에칭 조건은 ITO가 접촉될 때까지 DFB에서 피치-모듈레이트로부터 SiO2를 완전히 제거하도록 최적화되었다. 이산화규소 표면에 형성된 그레이팅은 SEM (SU8000, Hitachi)으로 관찰되었다 (도 46B). EDX (6.0 kV에서, SU8000, Hitachi) 분석을 수행하여 DFB의 디치 (ditch)에서 SiO2가 완전히 제거된 것을 확인하였다 (도 46C 및 46D).Indium tin oxide (ITO) coated glass substrates (100 nm ITO, Atsugi Micro Co.) were ultrasonically cleaned using neutral detergent, pure water, acetone and isopropanol, followed by UV-ozone treatment. DFB was engraved on the ITO substrate by sputtering 100 nm thick SiO 2 on the 100 nm ITO-coated glass substrate at room temperature. The argon pressure during sputtering was 0.2 Pa. The RF power was set to 100 W ( FIGS. 43 and 44 ). The substrate was again ultrasonically cleaned using isopropanol followed by UV-ozone treatment. The silicon dioxide surface was treated by spin coating with hexamethyldisilazane (HMDS) at 4000 rpm for 15 seconds and annealed at 120° C. for 120 seconds. A resist layer with a thickness of about 70 nm was spin-coated from a ZEP520A-7 solution (ZEON Co.) at 4000 rpm for 30 seconds on the substrate and baked at 180° C. for 240 seconds. Electron beam lithography was performed to derive a grating pattern on the resist layer using a JBX-5500SC system (JEOL) with an optimized dose of 0.1 nCcm -2 . After electron beam irradiation, the pattern was developed in a developer (ZED-N50, Zeon Co.) at room temperature. The patterned resist layer was used as an etch mask and the substrate was plasma etched with CHF 3 using an EIS-200ERT etch system (ELIONIX). To completely remove the resist layer from the substrate, the substrate was plasma etched with O 2 using a FA-1EA etching system (SAMCO). Etching conditions were optimized to completely remove SiO 2 from the pitch-modulate in the DFB until the ITO was contacted. The grating formed on the silicon dioxide surface was observed by SEM (SU8000, Hitachi) (Fig. 46B). EDX (at 6.0 kV, SU8000, Hitachi) analysis was performed to confirm that SiO 2 was completely removed from the ditch of DFB ( FIGS. 46C and 46D ).

DFB 기판을 통상적인 초음파 처리로 세정하였다. 유기층 및 금속전극을 SiO2 절연체가 있는 DFB 기판 위에 2.0 - 10-4 Pa의 압력 하에서 0.1 내지 0.2 nms-1의 총 증발 속도의 열 증발에 의해 진공 증착시켜서 인듐주석 산화물 (ITO) (100 nm)/20 wt% Cs:BSBCz (60 nm)/BSBCz (150 nm)/MoO3 (10 nm)/Ag (10 nm)/Al (90 nm)의 구조를 가지는 i-OLED를 제조하였다. ITO 표면에 남아있는 SiO2 층은 절연체의 역할을 하였다. 따라서, OLED의 전류 흐름 영역은 BSBCz가 ITO와 직접 접촉하는 DFB 영역으로 제한되었다. 활성 영역이 140 x 200 μm 인 기준 OLED도 동일한 전류 흐름 영역을 갖는 것으로 준비되었다. OLED의 전류 밀도-전압-EQE (J-V-EQE) 특성 (DC)은 실온에서 적분구 시스템 (A10094, Hamamatsu Photonics)을 사용하여 측정되었다. 펄스 구동 하의 J-V-L 특성은 펄스 발생기 (NF, WF1945), 증폭기 (NF, HSA4101) 및 광전자증배관 (PMT) (C9525-02, Hamamatsu Photonics)을 사용하여 측정되었다. PMT 응답과 구동 구형파 신호는 다중채널 오실로스코프 (Agilent Technologies, MSO6104A)에서 모니터링되었다. 피크 전류가 변화하는 장치에서는 펄스 폭 500 ns, 펄스주기 5 μs, 반복 주파수 100 Hz의 직사각형 펄스가 인가되었다.The DFB substrate was cleaned by conventional sonication. Indium tin oxide (ITO) (100 nm) by vacuum deposition of organic layers and metal electrodes by thermal evaporation with a total evaporation rate of 0.1 to 0.2 nms -1 under a pressure of 2.0 - 10 -4 Pa on a DFB substrate with a SiO 2 insulator An i-OLED having a structure of /20 wt% Cs:BSBCz (60 nm)/BSBCz (150 nm)/MoO 3 (10 nm)/Ag (10 nm)/Al (90 nm) was prepared. The SiO 2 layer remaining on the ITO surface served as an insulator. Therefore, the current flow region of the OLED was limited to the DFB region where BSBCz was in direct contact with the ITO. A reference OLED with an active area of 140 x 200 μm was also prepared with the same current flow area. Current density-voltage-EQE (JV-EQE) characteristics (DC) of OLEDs were measured at room temperature using an integrating sphere system (A10094, Hamamatsu Photonics). JVL characteristics under pulse driving were measured using a pulse generator (NF, WF1945), an amplifier (NF, HSA4101) and a photomultiplier tube (PMT) (C9525-02, Hamamatsu Photonics). The PMT response and driving square wave signal were monitored on a multichannel oscilloscope (Agilent Technologies, MSO6104A). In the device with varying peak current, rectangular pulses with a pulse width of 500 ns, a pulse period of 5 μs, and a repetition frequency of 100 Hz were applied.

분광학 측정Spectroscopy Measurements

장치로부터 3 cm 떨어진 곳에 위치하는 다중채널 분광계 (PMA-50, Hamamatsu Photonics)에 연결되는 광섬유로 장치 표면에 대해 수직으로 방출된 레이저 광을 수집하였다. 연속파 작동을 위해 연속파 레이저 다이오드 (NICHIYA, NDV7375E, 최대 출력 1400 mW)를 사용하여 여기 파장 405 nm의 여기 광을 생성시켰다. 이러한 측정에서 펄스는 펄스 발생기 (WF 1974, NF Co.)로 작동되는 음향-광 변조기 (AOM, Gooch & Housego)를 사용하여 전달되었다. 여기 광은 렌즈와 슬릿을 통해 장치의 4.5 X 10-5 cm2의 면적에 집속되었고, 방출된 빛은 100 ps의 시간 해상도를 가지며 디지털 카메라 (C9300, Hamamatsu Photonics)에 연결된 스트리크 스코프 (C7700, Hamamatsu Photonics)를 사용하여 수집되었다. 방출 강도는 광전자증배관 (PMT) (C9525-02, Hamamatsu Photonics)을 사용하여 기록되었다. PMT 응답과 구동 구형파 신호는 다중 채널 오실로스코프 (Agilent Technologies, MSO6104A)에서 모니터되었다. 동일한 조사 및 검출 각을 앞서 설명한 바와 같이 이 측정에서 사용하였다. 모든 측정은 수분과 산소로 인한 열화를 막기 위해 질소 기층 안에서 수행되었다.The laser light emitted perpendicular to the device surface was collected with an optical fiber connected to a multi-channel spectrometer (PMA-50, Hamamatsu Photonics) located 3 cm away from the device. For continuous wave operation, a continuous wave laser diode (NICHIYA, NDV7375E, maximum output 1400 mW) was used to generate excitation light with an excitation wavelength of 405 nm. In these measurements the pulses were delivered using an acoustic-optical modulator (AOM, Gooch & Housego) operated as a pulse generator (WF 1974, NF Co.). The excitation light was focused on an area of 4.5 X 10 -5 cm 2 of the device through a lens and a slit, and the emitted light had a temporal resolution of 100 ps and a streak scope (C7700, Hamamatsu Photonics) connected to a digital camera (C9300, Hamamatsu Photonics). was collected using Hamamatsu Photonics). Emission intensity was recorded using a photomultiplier tube (PMT) (C9525-02, Hamamatsu Photonics). The PMT response and driving square wave signal were monitored on a multi-channel oscilloscope (Agilent Technologies, MSO6104A). The same irradiation and detection angles were used in this measurement as previously described. All measurements were performed in a nitrogen atmosphere to prevent degradation due to moisture and oxygen.

참조문헌References

1. Tessler, N., Denton, G. J. & Friend, R. H. Lasing from conjugated-polymer microcavities. Nature 382, 695-697 (1996).1. Tessler, N., Denton, GJ & Friend, RH Lasing from conjugated-polymer microcavities. Nature 382, 695-697 (1996).

2. Kozlov, V. G.,

Figure 112017078655148-pat00035
, V., Burrows, P. E. & Forrest, S. R. Laser action in organic semiconductor waveguide and double-heterostructure devices. Nature 389, 362-364 (1997).2. Kozlov, VG,
Figure 112017078655148-pat00035
, V., Burrows, PE & Forrest, SR Laser action in organic semiconductor waveguide and double-heterostructure devices. Nature 389, 362-364 (1997).

3. Hide, F. et al. Semiconducting polymers: a new class of solid-state laser materials. Science 273, 1833 (1996).3. Hide, F. et al. Semiconducting polymers: a new class of solid-state laser materials. Science 273, 1833 (1996).

4. Samuel, I. D. W. & Turnbull, G. A. Organic semiconductor lasers. Chem. Rev. 107, 1272-1295 (2007).4. Samuel, IDW & Turnbull, GA Organic semiconductor lasers. Chem. Rev. 107, 1272-1295 (2007).

5. Kuehne, A. J. C. & Gather M. C. Organic lasers: recent development on materials, device geometries and fabrication techniques. Chem . Rev. in press.5. Kuehne, AJC & Gather MC Organic lasers: recent development on materials, device geometries and fabrication techniques. Chem . Rev. in press.

6. Tsiminis, G. et al. Nanoimprinted organic semiconductor lasers pumped by a light-emitting diode. Adv . Mater. 25, 2826-2830 (2013).6. Tsiminis, G. et al . Nanoimprinted organic semiconductor lasers pumped by a light-emitting diode. Adv . Mater. 25, 2826-2830 (2013).

7. Baldo, M. A., Holmes, R. J. & Forrest, S. R. Prospects for electrically pumped organic lasers. Phys. Rev. B 66, 035321 (2002).7. Baldo, MA, Holmes, RJ & Forrest, SR Prospects for electrically pumped organic lasers. Phys. Rev. B 66, 035321 (2002).

8. Bisri, S. Z., Takenobu, T. & Iwasa, Y. The pursuit of electrically-driven organic semiconductor lasers. J. Mater. Chem . C 2, 2827-2836 (2014).8. Bisri, SZ, Takenobu, T. & Iwasa, Y. The pursuit of electrically-driven organic semiconductor lasers. J. Mater. Chem . C 2, 2827-2836 (2014).

9. Samuel, I. D. W., Namdas, E. B. & Turnbull, G. A. How to recognize lasing. Nature Photon. 3, 546-549 (2009).9. Samuel, IDW, Namdas, EB & Turnbull, GA How to recognize lasing. Nature Photon. 3, 546-549 (2009).

10. Sandanayaka, A. S. D. et al. Improvement of the quasicontinuous-wave lasing properties in organic semiconductor lasers using oxygen as triplet quencher. Appl . Phys. Lett . 108, 223301 (2016).10. Sandanayaka, ASD et al . Improvement of the quasicontinuous-wave lasing properties in organic semiconductor lasers using oxygen as triplet quencher. Appl . Phys. Lett . 108, 223301 (2016).

11. Zhang, Y. F. & Forrest, S. R. Existence of continuous-wave threshold for organic semiconductor lasers. Phys. Rev. B 84, 241301 (2011).11. Zhang, YF & Forrest, S.R. Existence of continuous-wave threshold for organic semiconductor lasers. Phys. Rev. B 84, 241301 (2011).

12. Schols, S. et al. Triplet excitation scavenging in films of conjugated polymers. Chem . Phys. Chem . 10, 1071-1076 (2009).12. Schols, S. et al . Triplet excitation scavenging in films of conjugated polymers. Chem . Phys. Chem . 10, 1071-1076 (2009).

13. Hayashi, K. et al. Suppression of roll-off characteristics of organic light-emitting diodes by narrowing current injection/transport area to 50 nm. Appl . Phys. Lett . 106, 093301 (2015).13. Hayashi, K. et al . Suppression of roll-off characteristics of organic light-emitting diodes by narrowing current injection/transport area to 50 nm. Appl . Phys. Lett . 106, 093301 (2015).

14.

Figure 112017078655148-pat00036
, C. et al. The influence of annihilation processes on the threshold current density of organic laser diodes. J. Appl. Phys. 101, 023107 (2007).14.
Figure 112017078655148-pat00036
, C. et al . The influence of annihilation processes on the threshold current density of organic laser diodes. J. Appl. Phys. 101, 023107 (2007).

15. Sandanayaka, A. S. D. et al. Quasi-continuous-wave organic thin film distributed feedback laser. Adv . Opt. Mater. 4, 834-839 (2016).15. Sandanayaka, ASD et al . Quasi-continuous-wave organic thin film distributed feedback laser. Adv . Opt. Mater. 4, 834-839 (2016).

16. Aimono, T. et al. 100% fluorescence efficiency of 4,4'-bis[(N-carbazole)styryl]biphenyl in a solid film and the very low amplified spontaneous emission threshold. Appl . Phys. Lett . 86, 71110 (2005).16. Aimono, T. et al. 100% fluorescence efficiency of 4,4'-bis[(N-carbazole)styryl]biphenyl in a solid film and the very low amplified spontaneous emission threshold. Appl . Phys. Lett . 86, 71110 (2005).

17. Sandanayaka, A. S. D. et al. Continuous-wave operation of organic semiconductor lasers. Submitted. 17. Sandanayaka, ASD et al . Continuous-wave operation of organic semiconductor lasers. Submitted.

18. Karnutsch, C. et al. Improved organic semiconductor lasers based on a mixed-order distributed feedback resonator design. Appl . Phys. Lett . 90 131104 (2007).18. Karnutsch, C. et al. Improved organic semiconductor lasers based on a mixed-order distributed feedback resonator design. Appl . Phys. Lett . 90 131104 (2007).

19.

Figure 112017078655148-pat00037
, S. & Forget, S. Recent advances in solid-state organic lasers. Polym. Int. 61, 390-406 (2012).19.
Figure 112017078655148-pat00037
, S. & Forget, S. Recent advances in solid-state organic lasers. Polym. Int. 61, 390-406 (2012).

20. Yokoyama, D. et al. Spectrally narrow emissions at cutoff wavelength from edges of optically and electrically pumped anisotropic organic films. J. Appl. Phys. 103, 123104 (2008).20. Yokoyama, D. et al . Spectrally narrow emissions at cutoff wavelength from edges of optically and electrically pumped anisotropic organic films. J. Appl. Phys. 103, 123104 (2008).

21. Yamamoto, H. et al. Amplified spontaneous emission under optical pumping from an organic semiconductor laser structure equipped with transparent carrier injection electrodes. Appl . Phys. Lett . 84, 1401 (2004).21. Yamamoto, H. et al. Amplified spontaneous emission under optical pumping from an organic semiconductor laser structure equipped with transparent carrier injection electrodes. Appl . Phys. Lett . 84, 1401 (2004).

22. Kim, S. Y. et al. Organic light-emitting diodes with 30% external quantum efficiency based on horizontally oriented emitter. Adv . Funct . Mater. 23, 3896-3900 (2013).22. Kim, S.Y. et al. Organic light-emitting diodes with 30% external quantum efficiency based on horizontally oriented emitter. Adv . Funct . Mater. 23, 3896-3900 (2013).

23. Uoyama, H. et al. Highly efficient organic light-emitting diodes from delayed fluorescence. Nature 492, 234-238 (2012).23. Uoyama, H. et al. Highly efficient organic light-emitting diodes from delayed fluorescence. Nature 492, 234-238 (2012).

24. Matsushima, T. & Adachi, C. Suppression of exciton annihilation at high current densities in organic light-emitting diode resulting from energy-level alignments of carrier transport layers. Appl . Phys. Lett . 92, 063306 (2008).24. Matsushima, T. & Adachi, C. Suppression of exciton annihilation at high current densities in organic light-emitting diode resulting from energy-level alignments of carrier transport layers. Appl . Phys. Lett . 92, 063306 (2008).

25. Kuwae, H. et al. Suppression of external quantum efficiency roll-off of nanopatterned organic light-emitting diodes at high current densities. J. Appl. Phys. 118, 155501 (2015).25. Kuwae, H. et al. Suppression of external quantum efficiency roll-off of nanopatterned organic light-emitting diodes at high current densities. J. Appl. Phys. 118, 155501 (2015).

26. Bisri, S. Z. et al. High mobility and luminescent efficiency in organic single-crystal light-emitting transistors. Adv . Funct . Mater. 19, 1728-1735 (2009).26. Bisri, SZ et al. High mobility and luminescent efficiency in organic single-crystal light-emitting transistors. Adv . Funct . Mater. 19, 1728-1735 (2009).

27. Tian, Y. et al. Spectrally narrowed edge emission from organic light-emitting diodes. Appl . Phys. Lett . 91, 143504 (2007).27. Tian, Y. et al . Spectrally narrowed edge emission from organic light-emitting diodes. Appl . Phys. Lett . 91, 143504 (2007).

28. El-Nadi, L. et al. Organic thin film materials producing novel blue laser. Chem . Phys. Lett . 286, 9-14 (1998).28. El-Nadi, L. et al. Organic thin film materials producing novel blue laser. Chem . Phys. Lett . 286, 9-14 (1998).

29. Wang, X., Wolfe, B. & Andrews, L. Emission spectra of group 13 metal atoms and indium hybrids in solid H2 and D2. J. Phys. Chem . A 108, 5169-5174 (2004).29. Wang, X., Wolfe, B. & Andrews, L. Emission spectra of group 13 metal atoms and indium hybrids in solid H 2 and D 2 . J. Phys. Chem . A 108, 5169-5174 (2004).

30. Ribierre, J. C. et al. Amplified spontaneous emission and lasing properties of bisfluorene-cored dendrimers. Appl . Phys. Lett . 91, 081108 (2007).30. Ribierre, JC et al. Amplified spontaneous emission and lasing properties of bisfluorene-cored dendrimers. Appl . Phys. Lett . 91, 081108 (2007).

31. Schneider, D. et al. Ultrawide tuning range in doped organic solid-state lasers. Appl . Phys. Lett . 85, 1886 (2004).31. Schneider, D. et al. Ultrawide tuning range in doped organic solid-state lasers. Appl . Phys. Lett . 85, 1886 (2004).

32. Murawski, C., Leo, K. & Gather, M. C. Efficiency roll-off in organic light-emitting diodes. Adv . Mater. 25, 6801-6827 (2013).32. Murawski, C., Leo, K. & Gather, MC Efficiency roll-off in organic light-emitting diodes. Adv . Mater. 25, 6801-6827 (2013).

분산형 피드백 전기적으로 구동되는 유기 레이저의 전기 시뮬레이션Electrical Simulation of Distributed Feedback Electrically Driven Organic Lasers

1. 장치 모델 및 매개 변수1. Device model and parameters

이 연구에서 유기 발광 다이오드 (OLED)의 전하 수송은 소위 말하는 "1세대 모델"을 사용하여 설명된다. 이 모델에서는, 전자 밀도 n, 정공 밀도 p, 및 정전기 전위 ψ를 자기일관적으로 풀어서 2차원의 시간 독립적 드리프트-확산 모델을 사용한다. 푸아송의 방정식은 다음과 같이 정전기 전위 ψ를 공간 전하 밀도와 관련짓는다.In this study, charge transport in organic light-emitting diodes (OLEDs) is described using a so-called “first-generation model”. In this model, a two-dimensional, time-independent drift-diffusion model is used by self-coherently solving for electron density n , hole density p , and electrostatic potential ψ . Poisson's equation relates the electrostatic potential ψ to the space charge density as follows:

Figure 112017078655148-pat00038
Figure 112017078655148-pat00038

F는 벡터 전계이고, q는 기본 전하이고, ε r은 재료의 상대 유전율이고, 및 ε 0 는 진공 유전율이며, n(p)는 전자 (정공) 농도이고, n t (p t )는 충진 전자 (정공) 트랩 상태의 농도이다. 포물선 밀도의 상태 (DOS)와 맥스웰-볼츠만 통계를 가정하면, 전자와 정공의 농도는 다음과 같이 표현된다. F is the vector electric field, q is the elementary charge, ε r is the relative permittivity of the material, and ε 0 is the vacuum permittivity, n ( p ) is the electron (hole) concentration, and n t ( p t ) is the filling electron It is the concentration of the (hole) trap state. Assuming the state of parabolic density (DOS) and Maxwell-Boltzmann statistics, the concentrations of electrons and holes are expressed as

Figure 112017078655148-pat00039
Figure 112017078655148-pat00039

N LUMO N HOMO 는 최저준위 비점유 분자궤도 (LUMO)와 최고준위 점유 분자궤도 (HOMO)에서의 캐리어의 상태 밀도이며, E LUMO E HOMO 는 LUMO와 HOMO의 에너지 준위이며, E fn E fp 는 전자와 정공에 대한 유사 페르미 준위이며, k B 는 볼츠만 상수이고 T는 장치 온도이다. N LUMO and N HOMO are the density of states of carriers in the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) and highest occupied molecular orbital (HOMO), and E LUMO and E HOMO are the energy levels of LUMO and HOMO, E fn and E fp are pseudo-Fermi levels for electrons and holes, k B is the Boltzmann constant, and T is the device temperature.

유기 반도체에서 전하 캐리어 트랩의 존재는 구조적 결함 및/또는 불순물로 인한 것이다. 주입된 전하는 전류를 설정하기 전에 먼저 이 트랩을 채우게 된다. 이 영역은 트랩제한 전류 (TLC)로 알려져있다1 ,2. 지수 또는 가우스 분포는 유기 반도체 내의 트랩 분포를 모델링하는 데 사용된다3. 이 연구에서는 정공 트랩 상태에 대한 가우스 분포가 사용된다4,5.The presence of charge carrier traps in organic semiconductors is due to structural defects and/or impurities. The injected charge will first fill this trap before setting the current. This region is known as the trap limiting current (TLC) 1 , 2 . Exponential or Gaussian distributions are used to model trap distributions in organic semiconductors 3 . In this study, a Gaussian distribution for the hole trap state is used 4,5 .

Figure 112017078655148-pat00040
Figure 112017078655148-pat00040

N TP 는 트랩의 전체 밀도이고, E TP 는 HOMO 준위 이상의 에너지 트랩 깊이이며, σ TP 는 분산폭이다. 트랩 정공의 밀도는 상태시간 페르미-디락 (Fermi-Dirac) 분포의 가우스 밀도를 적분하여 평가된다. N TP is the total density of the trap, E TP is the energy trap depth above the HOMO level, and σ TP is the dispersion width. The density of trap holes is evaluated by integrating the Gaussian density of the state-time Fermi-Dirac distribution.

전하 수송은 전계 F의 드리프트 및 전하 밀도 구배로 인한 확산에 의해 좌우된다. 드리프트-확산 근사에서의 전자 및 정공에 대한 정상 상태 연속 방정식은 다음과 같이 주어진다.Charge transport is governed by the drift of electric field F and diffusion due to charge density gradient. The steady-state continuity equations for electrons and holes in the drift-diffusion approximation are given as

Figure 112017078655148-pat00041
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μ n (μ p )은 전자 (정공) 이동성이며, D n (D p )는 전자 (정공) 확산 상수이며, R은 재결합 속도이다. 전하 캐리어 이동성은 전계 의존적인 것으로 가정되며 풀-프렌 켈 (Pool-Frenkel) 형태를 가진다6,7. μ n ( μ p ) is the electron (hole) mobility, D n ( D p ) is the electron (hole) diffusion constant, and R is the recombination rate. The charge carrier mobility is assumed to be field-dependent and has a Pool-Frenkel shape 6,7 .

Figure 112017078655148-pat00042
Figure 112017078655148-pat00042

μ no (μ po )는 제로 필드 이동도이고, F no (F po )는 전자 (정공)에 대한 특징 장이다. 이 모델에서 에너지 장애는 고려되지 않았으므로, 전하 이동도로부터 확산 상수를 계산하는 아인슈타인의 관계 타당성을 가정한다. 재결합 속도 R은 랑게빈 (Langevin) 모델에 의해 주어진다8. μ no ( μ po ) is the zero field mobility, and F no ( F po ) is the characteristic field for electrons (holes). Since energy disturbances are not considered in this model, we assume the validity of Einstein's relation to calculate the diffusion constant from the charge mobility. The recombination rate R is given by the Langevin model 8 .

Figure 112017078655148-pat00043
Figure 112017078655148-pat00043

전자와 정공이 재결합되면 엑시톤을 형성한다. 생성된 엑시톤은 방사성 또는 비방사성 감쇄 이전에 특성 확산 상수 D s 로 이동할 수 있다. 단일항 엑시톤의 연속 방정식은 다음과 같다.When electrons and holes recombine, an exciton is formed. The generated excitons may migrate with a characteristic diffusion constant D s prior to radioactive or non-radioactive attenuation. The continuity equation for singlet excitons is:

Figure 112017078655148-pat00044
Figure 112017078655148-pat00044

S는 엑시톤 밀도이다. 제1항은 전자-정공 재결합에서의 단일항 엑시톤 발생율로 1/4이며, 제2항은 엑시톤 확산을 나타내고, 제3항은 방사성 감쇄 상수 kr 및 비방사성 감쇄 상수 k nr 이고, 최종항은 필드 종속 해리속도 R diss 를 가지는 전계에 의한 엑시톤의 해리를 나타내며 R diss 온사거-브라운 (Onsager-Braun) 모델에 의해 주어진다9,10. S is the exciton density. The first term is the rate of singlet exciton generation in electron-hole recombination of 1/4, the second term represents exciton diffusion, the third term is the radioactive decay constant k r and the non-radiative decay constant k nr , and the final term is The field-dependent dissociation rate R diss represents the dissociation of excitons by an electric field, and R diss is given by the Onsager-Braun model 9,10 .

Figure 112017078655148-pat00045
Figure 112017078655148-pat00045

r s 는 엑시톤 반경이고, E b = q 2 /(4πεε 0 r s )은 엑시톤 결합 에너지이며, J 1 은 1차 베셀 함수이며, b = q 3 F/(8πεε 0 (k B T) 2 )은 필드 종속 매개변수이다. 이 모델 내에서, 전계 ??칭 (EFQ)의 영향은 엑시톤 결합 에너지 E b 에 의존한다. r s is the exciton radius, E b = q 2 /( 4πεε 0 r s ) is the exciton binding energy, J 1 is the first-order Bessel function, and b = q 3 F /( 8πεε 0 ( k B T ) 2 ) is the field-dependent parameter. Within this model, the effect of electric field quenching (EFQ) depends on the exciton binding energy E b .

1. 시뮬레이션 결과 및 실험과의 비교1. Comparison with simulation results and experiments

1.1. 1.1. 단극성unipolar 및 양극성 기준 장치 and a bipolar reference device

양극성 장치를 시뮬레이션하기 전에 전기적 모델, 시뮬레이션 매개변수 및 전하 캐리어 이동도를 테스트하기 위해 정공 전용 및 전자 전용 장치를 고려하였다. 전자 전용 장치는 Cs (10 nm)/Al 및 20 wt% Cs:BSBCz (10 nm)/ITO 전극 사이에 끼워진 190 nm BSBCz 층으로 구성된다. 정공 전용 장치는 BSBCz (200 nm)와 ITO 및 Al 사이에 10 nm MoO3 층을 삽입하여 얻어진다. 양극성 OLED 장치는 ITO/20 wt% Cs:BSBCz (10 nm)/BSBCz (190 nm)/MoO3 (10 nm)/Al 구조를 포함한다. 음극 (ITO/20 wt% Cs:BSBCz)의 일 함수는 2.6 eV로 취해지며 양극 (MoO3/Al)의 일함수는 5.7 eV로 취해진다. 이러한 장치 구조의 에너지 준위 다이어그램이 도 48에 도시되어 있다.Before simulating the bipolar device, hole-only and electron-only devices were considered to test the electrical model, simulation parameters, and charge carrier mobility. The electron-only device consists of a 190 nm BSBCz layer sandwiched between Cs (10 nm)/Al and 20 wt% Cs:BSBCz (10 nm)/ITO electrodes. The hole-only device is obtained by inserting a 10 nm MoO3 layer between BSBCz (200 nm) and ITO and Al. The bipolar OLED device comprises an ITO/20 wt % Cs:BSBCz (10 nm)/BSBCz (190 nm)/MoO 3 (10 nm)/Al structure. The work function of the cathode (ITO/20 wt% Cs:BSBCz) is taken to be 2.6 eV and the work function of the anode (MoO 3 /Al) is taken to be 5.7 eV. An energy level diagram of this device structure is shown in FIG. 48 .

보고된 BSBCz에 대한 전하 캐리어 이동도 (비행시간으로 측정)가 사용되었다 [11]. 도 49a는 BSBCz에 대한 전자 및 정공에 대해 측정 보고된 이동도 및 풀-프렌켈 (Pool-Frenkel) 필드 의존 모델과의 대응을 도시한다. 피팅된 이동성 매개변수의 값은 전기적 시뮬레이션에 필요한 입력 매개변수의 다른 값과 함께 표 1에 제시되어 있다. BSBCz의 정공 및 전자 이동도는 BSBCz가 두 종류의 전하 캐리어를 운반할 수 있다는 것을 나타내는 크기와 거의 동일하다.The reported charge carrier mobility (measured as time-of-flight) for BSBCz was used [11]. 49A shows the measured reported mobility for electrons and holes for BSBCz and its correspondence with the Pool-Frenkel field dependence model. The values of the fitted mobility parameters are presented in Table 1 along with other values of the input parameters required for the electrical simulation. The hole and electron mobility of BSBCz is about the same size, indicating that BSBCz can transport two kinds of charge carriers.

Figure 112017078655148-pat00046
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표 1. 전기적 시뮬레이션 매개변수Table 1. Electrical simulation parameters

단극성 및 양극성 장치에 대한 실험 및 시뮬레이션 J(V) 곡선이 도 49b에 제시되어 있다. 18 V 이하의 실험치는 직류 구동 하에서 측정된 것이며, 18 V 이상의 실험치는 펄스 구동 하에서 측정된 것이다. 정공 전용 장치 전류는 20 V 미만의 V에서 트랩에 의해 크게 제한된다. 실험 데이터를 시뮬레이션에 대해 최적화함으로써 얻어진 N tp , E tp , 및 σ tp 의 값을 표 1에 나타내었다. 결과는 단극성 장치에 대한 실험과 시뮬레이션 사이에 양호한 일치를 나타낸다. 양극성 장치의 경우 측정과 시뮬레이션 사이의 낮은 전류 밀도에서의 작은 편차는 실험 누설 전류의 존재 때문이다. 시뮬레이션 모델은 고전압에서 정공 전용 장치 및 전자 전용 장치에 대해 유사한 전류 밀도를 예측해주며 전자 및 정공 전송 균형이 양호함을 보여준다. 양극성 장치는 단극성 전류 밀도보다 한 단계 높은 전류 밀도를 보여준다.Experimental and simulated J(V) curves for unipolar and bipolar devices are presented in Figure 49b. The experimental value of 18 V or less is measured under DC driving, and 18 V The above experimental values were measured under pulse driving. The hole-only device current is greatly limited by the trap at V below 20 V. Table 1 shows the values of N tp , E tp , and σ tp obtained by optimizing the experimental data for simulation. The results show good agreement between experiments and simulations for unipolar devices. For bipolar devices, the small deviation in low current density between measurements and simulations is due to the presence of experimental leakage currents. The simulation model predicts similar current densities for hole-only devices and electron-only devices at high voltage and shows good electron and hole transport balance. Bipolar devices show one order of magnitude higher current density than unipolar current densities.

2.1. 양극성 2.1. bipolar DFBDFB 장치 Device

DFB 그레이팅 공진기의 사용은 광 증폭을 위한 포지티브 광학 피드백을 제공함으로써12-14 유기 레이저의 광학 특성뿐만 아니라 전기적 특성에도 영향을 미친다. DFB OLED의 전기적 특성에 대한 나노구조 음극의 영향이 계산되어 기준 OLED (그레이팅이 없는)와 비교된다. DFB OLED의 구조는 양극성 OLED와 비슷하지만, 그 차이는 ITO 위에 증착된 주기적 그레이팅 SiO2-Cs:BSBCz로 구성된 나노구조 음극에 있다. 그레이팅 주기는 280 nm이고, 그레이팅 깊이는 도 66a에 제시된 바와 같이 60 nm이다. 이 구조에서 BSBCz의 두께는 150 nm이다. 비교를 위해 기준 OLED (ITO/20 wt% Cs:BSBCz (60 nm)/BSBCz (150 nm)/MoO3 (10 nm)/Al)가 동일한 두께로 및 그레이팅 없이 제조된다. 양극성 장치에 사용된 모든 매개변수 및 조건은 추가 피팅 매개변수 없이 DFB 및 기준 OLED에 대해 유지되었다.The use of a DFB grating resonator affects the electrical properties as well as the optical properties of 12-14 organic lasers by providing positive optical feedback for optical amplification. The effect of the nanostructured cathode on the electrical properties of the DFB OLED is calculated and compared to a reference OLED (without grating). The structure of DFB OLED is similar to bipolar OLED, but the difference lies in the nanostructured cathode composed of periodic grating SiO 2 -Cs:BSBCz deposited on ITO. The grating period is 280 nm and the grating depth is 60 nm as shown in Fig. 66a. The thickness of BSBCz in this structure is 150 nm. For comparison a reference OLED (ITO/20 wt% Cs:BSBCz (60 nm)/BSBCz (150 nm)/MoO 3 (10 nm)/Al) is prepared with the same thickness and without grating. All parameters and conditions used for the bipolar device were maintained for the DFB and reference OLED without additional fitting parameters.

DFB 그레이팅 및 기준 OLED에 대한 실험 및 시뮬레이션 J(V) 곡선이 도 66b에 도시되어 있다. 전기적 시뮬레이션은 직류 (V < 18 V)와 펄스 작동 (V18 V) 모두에서 실험 결과와 잘 일치하는 J(V) 곡선을 예측한다.Experimental and simulated J ( V ) curves for the DFB grating and reference OLED are shown in Fig. 66b. Electrical simulations predict J ( V ) curves in good agreement with the experimental results for both direct current ( V < 18 V ) and pulsed operation ( V18 V ).

J(V) 곡선 예측 외에도, 전기적 시뮬레이션은 전하 캐리어 밀도의 공간적 분포, 전계 및 재조합 영역의 위치와 같이 실험적으로 결정하기 어려운 물리적 매개변수에 대해 접근하게 해준다.In addition to predicting J ( V ) curves, electrical simulations allow access to physical parameters that are difficult to determine experimentally, such as spatial distribution of charge carrier density, electric field, and location of recombination regions.

첫째, 기준 OLED를 고려한다. 도 67a 및 67b는 10 및 70 V에서 기준 OLED에 대한 전하 캐리어 분포 및 전계 프로파일을 도시한다. ITO/CS:BSBCz 음극으로부터 BSBCZ (x = 0 μm에서, 및 Al/MoO3 양극으로부터의 자유 정공 (x = 0.215 μm))로 자유 전자들이 주입된다. 캐리어 밀도는 캐리어 재조합으로 인해 접촉에서 벗어나면서 감소한다. n이 p일 때 전계는 증가하고 중심에서 최대치에 도달한다. 10 V에서 전계는 음극 및 양극 근처의 높은 전하 캐리어 밀도에 의해 차단된다. 더 높은 전압에서는 (70 V), 전자는 더 깊게 침투하고 전계는 양극 부근에서 높은 채로 있다.First, consider the reference OLED. Figures 67a and 67b show the charge carrier distribution and electric field profile for a reference OLED at 10 and 70 V. Free electrons are injected from the ITO/CS:BSBCz cathode into the BSBCZ (at x = 0 μm, and free holes from the Al/MoO 3 anode (x = 0.215 μm)). Carrier density decreases with out-of-contact due to carrier recombination. When n is p, the electric field increases and reaches a maximum at the center. At 10 V, the electric field is blocked by the high charge carrier density near the cathode and anode. At higher voltages (70 V), electrons penetrate deeper and the electric field remains high near the anode.

DFB 그레이팅 OLED의 경우, 물리적 매개변수는 70 V에서 추출된다. 도 68a 내지 68b는 전하 캐리어 밀도 n 및 P의 공간 분포를 도시한다. 전자가 음극의 주기적인 나노구조로 인해 균일하게 주입되지 않기 때문에, 그것의 공간 분포는 도 68b, 68c에서 명확히 도시되어 있듯이 주기적인 주입을 따른다. 정공은 균일한 양극에서 주입되고 벌크에서 비교적 균일하게 연장된다 (도 68a, 68c). 정공이 음극에 도달하면 기준 OLED와 마찬가지로 감쇄한다 (도 67(b)). 그러나, SiO2 그레이팅의 존재로 인해, 정공은 SiO2/BSBCz 계면에서 축적되어 고밀도를 나타낸다 (도 68a).For the DFB grating OLED, the physical parameters are extracted at 70 V. 68A-68B show the spatial distribution of charge carrier densities n and P. Since electrons are not uniformly injected due to the periodic nanostructure of the cathode, its spatial distribution follows periodic injection as clearly shown in Figs. 68b, 68c. Holes are injected at the uniform anode and extend relatively uniformly in the bulk (FIGS. 68a, 68c). When the hole reaches the cathode, it is attenuated as in the reference OLED (FIG. 67(b)). However, due to the presence of the SiO 2 grating, holes accumulate at the SiO 2 /BSBCz interface, resulting in a high density (Fig. 68a).

도 69a는 절연체에서 높고 기준 OLED (약 3.5 X106 V/cm)와 동일한 강도를 유지하는 BSBCz 층에서 약간 변조된 전계의 주기적 프로파일을 도시한다. 도 69b에 도시된 전류 밀도 프로파일은 강하게 변조되며 SiO2/Cs:BSBCz 계면 부근에서 높은 값을 나타낸다.69a shows the periodic profile of a slightly modulated electric field in the BSBCz layer that is high in the insulator and maintains the same intensity as the reference OLED (about 3.5 X10 6 V/cm). The current density profile shown in FIG. 69b is strongly modulated and exhibits high values near the SiO 2 /Cs:BSBCz interface.

SiO2/Cs:BSBCz 계면 부근에서 높은 전류 밀도 값의 이유를 명확히 하기 위해, 재결합 속도 프로파일 R이 도 70a에 도시된다. R은 장치 내부에 주기적인 변화가 있음을 보여준다. 음극/양극에 의해 한정된 영역에서, 프로파일은 기준 OLED와 동일하고, SiO2/양극 (도 70c 참조)에 의해 한정되는 영역에서 감소한다. Cs:BSBCz/SiO2 계면에서, R은 도 70d 에서와 같이 정공과 전자 누적으로 인한 최대값을 보여준다.To clarify the reason for the high current density values near the SiO 2 /Cs:BSBCz interface, the recombination rate profile R is shown in Fig. 70a. R shows that there is a periodic change inside the device. In the region defined by the cathode/anode, the profile is the same as the reference OLED, and decreases in the region defined by the SiO 2 /anode (see FIG. 70c ). At the Cs:BSBCz/SiO 2 interface, R shows a maximum value due to hole and electron accumulation as in FIG. 70d .

장치 내부의 전계는 도 69a에 도시된 바와 같이 MV/cm2 정도이다. 따라서, 전계에 의한 엑시톤의 해리는 무시할 수 없는 것이며 장치 성능에 강하게 영향을 미친다. 유기 반도체의 단일항 엑시톤 결합 에너지는 0.3 내지 1.6 eV의 범위에 있다15 -18. 낮은 전계에서는, 지배적인 비활성화 공정은 방사성 및 비방사성 감쇄이다. 높은 전계에서는, 엑시톤 해리의 확률이 극적으로 증가되고 엑시톤 결합 에너지에 의존적이다. 전계-유도 엑시톤 해리를 고려하기 위해, 식 10에 의해 주어진 전계 의존성 해리율이 단일항 엑시톤 연속성, 식 9에 포함된다. 도 71a는 서로 다른 엑시톤 결합 에너지 Eb (0.2 내지 0.6 eV)를 갖는 EFQ를 포함하는 기준 장치에 대해 계산된 엑시톤 밀도 S를 도시한다. Eb가 감소될 때 EFQ는 심각한 손실 메커니즘이 된다. 높은 엑시톤 결합 에너지를 갖는 분자의 사용이 EFQ를 극복하기 위해 요구된다. BSBCz의 엑시톤 결합 에너지는 PL ??칭 수율 실험을 사용하여 평가되며 0.6 eV의 보다 낮은 한계를 가진다.The electric field inside the device is on the order of MV/cm 2 as shown in FIG. 69a. Therefore, the dissociation of excitons by electric field cannot be ignored and strongly affects the device performance. The singlet exciton binding energies of organic semiconductors are in the range of 0.3 to 1.6 eV, 15 -18 . At low electric fields, the dominant deactivation process is radioactive and non-radiative attenuation. At high electric fields, the probability of exciton dissociation increases dramatically and is dependent on the exciton binding energy. To account for the field-induced exciton dissociation, the field-dependent dissociation rate given by Equation 10 is included in the singlet exciton continuity, Equation 9. 71A shows the calculated exciton density S for a reference device comprising EFQs with different exciton binding energies E b (0.2 to 0.6 eV). EFQ becomes a serious loss mechanism when E b is reduced. The use of molecules with high exciton binding energies is required to overcome EFQ. The exciton binding energy of BSBCz was evaluated using a PL quenched yield experiment and has a lower limit of 0.6 eV.

도 71b는 기준 및 DFB 장치에 대한 전계 유도 엑시톤 해리가 있거나 없는 S(J)특성을 도시한다. EFQ가 없으면, S는 I에 따라 증가되며 J = 3 KA/cm2에서 기준 장치의 경우 2 X 1017 cm-3에 대해 9 X 1017 cm-3의 DFB 장치에서 높은 값을 나타낸다. S에서의 이러한 차이점은 도 70a, 70b에 도시된 바와 같이 장치 내부에서 서로 다른 R 분배를 야기하는 다양한 장치 아키텍처에서 비롯된 것이다. EFQ 모델 및 BSBCz의 Eb = 0.6 eV를 고려함으로써, S는 두 장치에 대해 증가되며 J = 0.5 KA/cm2가 될 때 까지 엑시톤의 전계 해리로 인해 감소된다. DFB 장치의 EFQ는 기준 장치보다 약간 낮으며 도 47E에 도시된 기준 장치에 비해 낮은 DFB 장치의 실험 EQE 롤오프를 설명할 수 있다.Figure 71b shows the S(J) characteristics with and without field-induced exciton dissociation for reference and DFB devices. In the absence of EFQ, S increases with I and at J = 3 KA/cm 2 shows high values for the DFB device of 9 X 10 17 cm -3 versus 2 X 10 17 cm -3 for the reference device. This difference in S stems from the various device architectures resulting in different R distributions inside the device as shown in Figures 70a, 70b. By considering the EFQ model and E b = 0.6 eV of BSBCz, S is increased for both devices and decreased due to electric field dissociation of excitons until J = 0.5 KA/cm 2 . The EFQ of the DFB device is slightly lower than that of the reference device, which may explain the lower experimental EQE roll-off of the DFB device compared to the reference device shown in FIG. 47E.

DFB 장치에서 EQE가 개선되는 이유에 대한 추가의 물리적 이해를 얻기 위해 EFQ를 가지는 및 EFQ를 갖지 않는 기준 장치 내부의 일차원 엑시톤 분포가 도 72a에 도시되어 있다. DFB 장치의 경우, EFQ를 가지는 및 EFQ를 갖지 않는 이차원 엑시톤 분포가 각각 도 72b, 72c에 도시되어 있다.The one-dimensional distribution of excitons inside a reference device with and without EFQ is shown in FIG. 72A to gain a further physical understanding of why EQE is improved in the DFB device. For the DFB device, the two-dimensional exciton distributions with and without EFQ are shown in Figs. 72b and 72c, respectively.

엑시톤 밀도 분포 (도 73, 오른쪽 하단)와 장치의 광학 모드 분포 (도 74, 하단)의 비교는 두 번째 그레이팅 영역에서 그들 사이에 큰 중복이 있음을 나타내며, 광 증폭에 기여한다. 큰 중첩은 낮은 레이저 동작 임계에 확실히 기여한다.Comparison of the exciton density distribution (Fig. 73, lower right) with the optical mode distribution of the device (Fig. 74, lower) indicates that there is a large overlap between them in the second grating region, contributing to the light amplification. The large overlap certainly contributes to the low laser operating threshold.

기준 장치에서, EFQ가 없는 경우, S는 균일하게 분포된다. EFQ가 존재하면 S는 벌크에서 3.5 MV/cm에 도달하는 높은 전계로 인해 벌크에서 감소된다 (도 79b 참조). Cs:BSBCz/ITO 경계 근처에서는 전계가 낮아서 엑시톤의 EFQ를 피할 수 있다. DFB 장치의 경우, 엑시톤은 도 71a에 도시된 바와 같이 두 재조합 사이트 (사이트 1과 사이트 2)에서 생성된다. SiO2 그레이팅 근처에서 전하가 축적되면 사이트 1로 명명된 높은 엑시톤 밀도 (S = 6 X 1017 cm-3)를 갖는 재조합 영역이 생성된다. 사이트 2는 기준 장치 (S = 1 X 1017 cm- 3)와 동일한 S를 가진다. EFQ가 없으면 최대 S가 사이트 1에 의해 제공되며 낮은 전계에서 기준 소자에 비해 높은 DFB 장치의 값을 설명해준다 (도 71b 참조). EFQ가 고려될 때에는, 사이트 1의 엑시톤이 이 사이트 (F = 3.5 MV/cm)의 높은 전계에 의해 ??칭되며, 최대 S는 전계가 경계 (F = 1.2 MV/cm) 근처에서 낮은 사이트 2에 의해 제공되며 기준 장치에 대해 벌크 영역에서 점차 증가된다. 따라서, 다른 메커니즘에 의해 ??칭되지 않는다면 경계 근처의 일부 엑시톤은 생존할 수 있다 (이 시뮬레이션에는 포함되지 않았다).In the reference device, in the absence of EFQ, S is uniformly distributed. In the presence of EFQ, S is reduced in the bulk due to the high electric field reaching 3.5 MV/cm in the bulk (see Fig. 79b). Near the Cs:BSBCz/ITO boundary, the electric field is low, so that the EFQ of excitons can be avoided. In the case of the DFB apparatus, excitons are generated at two recombination sites (site 1 and site 2), as shown in Figure 71a. Accumulation of charge near the SiO 2 grating creates a recombination region with high exciton density (S = 6 X 10 17 cm -3 ) named site 1 . Site 2 has an S equal to the reference device (S = 1 X 10 17 cm - 3 ). In the absence of EFQ, the maximum S is provided by site 1 and explains the value of the high DFB device compared to the reference device at low electric fields (see Fig. 71b). When EFQ is considered, excitons at site 1 are quenched by the high electric field at this site (F = 3.5 MV/cm), and the maximum S is at site 2 where the electric field is low near the boundary (F = 1.2 MV/cm). given by and gradually increased in the bulk region relative to the reference device. Therefore, some excitons near the boundary may survive unless quenched by other mechanisms (not included in this simulation).

참조문헌References

[1] G. Malliaras, J. Salem, P. Brock, and C. Scott, "Electrical characteristics and efficiency of single-layer organic light-emitting diodes," Phys. Rev. B, vol. 58, no. 20, pp. R13411-R13414, 1998.[1] G. Malliaras, J. Salem, P. Brock, and C. Scott, “Electrical characteristics and efficiency of single-layer organic light-emitting diodes,” Phys. Rev. B , vol. 58, no. 20, pp. R13411-R13414, 1998.

[2] J. Staudigel, M. Stoⓢel, F. Steuber, and J. Simmerer, "A quantitative numerical model of multilayer vapor-deposited organic light emitting diodes," J. Appl. Phys., vol. 86, no. 7, p. 3895, 1999.[2] J. Staudigel, M. Stoⓢel, F. Steuber, and J. Simmerer, "A quantitative numerical model of multilayer vapor-deposited organic light emitting diodes," J. Appl. Phys. , vol. 86, no. 7, p. 3895, 1999.

[3] V. Kumar, S. C. Jain, A. K. Kapoor, J. Poortmans, and R. Mertens, "Trap density in conducting organic semiconductors determined from temperature dependence of J-V characteristics," J. Appl . Phys., vol. 94, no. 2, pp. 1283-1285, 2003.[3] V. Kumar, SC Jain, AK Kapoor, J. Poortmans, and R. Mertens, "Trap density in conducting organic semiconductors determined from temperature dependence of JV characteristics," J. Appl . Phys. , vol. 94, no. 2, pp. 1281-1285, 2003.

[4] V. I. Arkhipov, P. Heremans, E. V. Emelianova, G. J. Adriaenssens, and H.

Figure 112017078655148-pat00047
, "Charge carrier mobility in doped disordered organic semiconductors," J. Non. Cryst. Solids, vol. 338-340, no. 1 SPEC. ISS., pp. 603-606, 2004.[4] VI Arkhipov, P. Heremans, EV Emelianova, GJ Adriaenssens, and H.
Figure 112017078655148-pat00047
, “Charge carrier mobility in doped disordered organic semiconductors,” J. Non. Crystal. Solids, vol. 338-340, no. 1 SPEC. ISS., pp. 603-606, 2004.

[5] H. T. Nicolai, M. M. Mandoc, and P. W. M. Blom, "Electron traps in semiconducting polymers: Exponential versus Gaussian trap distribution," Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys., vol. 83, no. 19, pp. 1-5, 2011.[5] HT Nicolai, MM Mandoc, and PWM Blom, “Electron traps in semiconducting polymers: Exponential versus Gaussian trap distribution,” Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. , vol. 83, no. 19, pp. 1-5, 2011.

[6] G. A. N. Connell, D. L. Camphausen, and W. Paul, "Theory of Poole-Frenkel conduction in low-mobility semiconductors," Philos . Mag., vol. 26, no. 3, pp. 541-551, 1972.[6] GAN Connell, DL Camphausen, and W. Paul, “Theory of Poole-Frenkel conduction in low-mobility semiconductors,” Philos . Mag. , vol. 26, no. 3, pp. 541-551, 1972.

[7] L. Pautmeier, R. Richert, and H.

Figure 112017078655148-pat00048
, "Poole-Frenkel behavior of charge transport in organic solids with off-diagonal disorder studied by Monte Carlo simulation," Synth. Met., vol. 37, no. 1-3, pp. 271-281, 1990.[7] L. Pautmeier, R. Richert, and H.
Figure 112017078655148-pat00048
, "Poole-Frenkel behavior of charge transport in organic solids with off-diagonal disorder studied by Monte Carlo simulation," Synth. Met. , vol. 37, no. 1-3, pp. 271-281, 1990.

[8] M. POPE and C. E. SWENBERG, Electronic Processes in Organic Crystals and Polymers. New York: Oxford Univ. Press, 1999.[8] M. POPE and CE SWENBERG, Electronic Processes in Organic Crystals and Polymers. New York: Oxford University. Press, 1999.

[9] L. Onsager, "Initial recombination of ions," Phys. Rev., vol. 54, no. 8, pp. 554-557, 1938.[9] L. Onsager, "Initial recombination of ions," Phys. Rev. , vol. 54, no. 8, pp. 554-557, 1938.

[10] C. L. Braun, "Electric Field Assisted Dissociation of Charge Transfer States as a Mechanism of Photocarrier Production," J. Chem . Phys., vol. 80, no. 9, pp. 4157-4161, 1984.[10] CL Braun, “Electric Field Assisted Dissociation of Charge Transfer States as a Mechanism of Photocarrier Production,” J. Chem . Phys. , vol. 80, no. 9, pp. 4157-4161, 1984.

[11] Y. Setoguchi and C. Adachi, "Suppression of roll-off characteristics of electroluminescence at high current densities in organic light emitting diodes by introducing reduced carrier injection barriers," J. Appl. Phys., vol. 108, no. 6, p. 64516, 2010.[11] Y. Setoguchi and C. Adachi, "Suppression of roll-off characteristics of electroluminescence at high current densities in organic light emitting diodes by introducing reduced carrier injection barriers," J. Appl. Phys. , vol. 108, no. 6, p. 64516, 2010.

[12] R. F. Kazarinov and C. H. Henry, "Second-Order Distributed Feedback Lasers with Mode Selection Provided by First-Order Radiation Losses," IEEE J. Quantum Electron., vol. 21, no. 2, pp. 144-150, 1985.[12] RF Kazarinov and CH Henry, “Second-Order Distributed Feedback Lasers with Mode Selection Provided by First-Order Radiation Losses,” IEEE J. Quantum Electron. , vol. 21, no. 2, pp. 144-150, 1985.

[13] C. Karnutsch, C. Pflumm, G. Heliotis, J. C. DeMello, D. D. C. Bradley, J. Wang, T. Weimann, V. Haug, C.

Figure 112017078655148-pat00049
, and U. Lemmer, "Improved organic semiconductor lasers based on a mixed-order distributed feedback resonator design," Appl. Phys. Lett ., vol. 90, no. 13, pp. 2005-2008, 2007.[13] C. Karnutsch, C. Pflumm, G. Heliotis, JC DeMello, DDC Bradley, J. Wang, T. Weimann, V. Haug, C.
Figure 112017078655148-pat00049
, and U. Lemmer, "Improved organic semiconductor lasers based on a mixed-order distributed feedback resonator design," Appl. Phys. Lett . , vol. 90, no. 13, pp. 2005-2008, 2007.

[14] A. S. D. Sandanayaka, K. Yoshida, M. Inoue, C. Qin, K. Goushi, J.-C. Ribierre, T. Matsushima, and C. Adachi, "Quasi-Continuous-Wave Organic Thin-Film Distributed Feedback Laser," Adv . Opt. Mater., vol. 4, no. 6, pp. 834-839, 2016.[14] ASD Sandanayaka, K. Yoshida, M. Inoue, C. Qin, K. Goushi, J.-C. Ribierre, T. Matsushima, and C. Adachi, "Quasi-Continuous-Wave Organic Thin-Film Distributed Feedback Laser," Adv . Opt. Mater. , vol. 4, no. 6, pp. 834-839, 2016.

[15] J. L. Bredas, J. Cornil, A. J. Heeger, and B. J. Briidas, "The exciton binding energy in luminescent conjugated polymers," Adv . Mater., vol. 8, no. 5, p. 447--{&}, 1996.[15] JL Bredas, J. Cornil, AJ Heeger, and BJ Briidas, "The exciton binding energy in luminescent conjugated polymers," Adv . Mater. , vol. 8, no. 5, p. 447--{&}, 1996.

[16] C. Deibel, D. MacK, J. Gorenflot, A.

Figure 112017078655148-pat00050
, S. Krause, F. Reinert, D. Rauh, and V. Dyakonov, "Energetics of excited states in the conjugated polymer poly(3-hexylthiophene)," Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys., vol. 81, no. 8, pp. 1-5, 2010.[16] C. Deibel, D. MacK, J. Gorenflot, A.
Figure 112017078655148-pat00050
, S. Krause, F. Reinert, D. Rauh, and V. Dyakonov, "Energetics of excited states in the conjugated polymer poly(3-hexylthiophene)," Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. , vol. 81, no. 8, pp. 1-5, 2010.

[17] P. K. Nayak, "Exciton binding energy in small organic conjugated molecule," Synth. Met., vol. 174, pp. 42-45, 2013.[17] PK Nayak, “Exciton binding energy in small organic conjugated molecule,” Synth. Met. , vol. 174, pp. 42-45, 2013.

[18] S. Kraner, R. Scholz, F. Plasser, C. Koerner, and K. Leo, "Exciton size and binding energy limitations in one-dimensional organic materials," J. Chem. Phys., vol. 143, no. 24, pp. 1-8, 2015.[18] S. Kraner, R. Scholz, F. Plasser, C. Koerner, and K. Leo, "Exciton size and binding energy limitations in one-dimensional organic materials," J. Chem. Phys. , vol. 143, no. 24, pp. 1-8, 2015.

[6] 매우 낮은 자연증폭방출 임계 및 스핀 코팅된 [6] Very low amplified emission threshold and spin coated 옥타플루오렌Octafluorene 니트막으로부터의from knit membrane 청색 blue 전계발광electroluminescence

유기 반도체 레이저는 지난 20 년간 집중적으로 연구되어 왔으며 레이저 동작 임계 및 작동 장치 안정성 면에서 큰 진전을 이룩해 왔다.1 -3 이들 장치는 현재 분광 도구, 데이터 통신 장치, 의료 진단 및 화학 센서를 비롯한 다양한 응용 분야에서 고려되고 있다.1 -5 그러나 전기적으로 구동되는 유기 레이저 다이오드의 시연은 아직까지 없었으며 진정한 연속파 광학적으로 펌핑되는 유기 반도체 레이저 기술을 개발하기 위해서는 여전히 돌파구가 필요하다.1 -3,6-8 전기적으로 펌핑되는 유기 레이저 다이오드를 구현하기 위한 도전 과제는 현재 잘 인지되고 있으며, (i) 폴라론 및 장수명의 삼중항으로 인해 레이저 동작 파장에서 발생하는 추가 흡수 손실, (ii) 단일항-삼중항, 단일항-폴라론 및 단일항-열 소멸로 인한 단일항 엑시톤의 ??칭, 및 (iii) 고 전류 밀도에서 작동하는 전계발광 장치에서의 유기재료의 안정성을 포함하고 있다. 삼중항 및 폴라론 손실을 줄이기 위한 접근법이 이미 제안되어 있으며 삼중항 ??처의 사용과 엑시톤 형성 영역 및 엑시톤 감쇄 영역을 공간적으로 분리하기 위한 유기 발광 다이오드 (OLED) 활성 영역의 감소를 포함하고 있다는 것을 유의해야 한다.9 ,10 이러한 문제를 완전히 극복할 필요가 있고 더 많은 연구가 필요하지만 동시에 유기 반도체 박막의 자연증폭방출 (ASE) 및 레이저 동작 임계를 크게 낮추는 것도 중요하다.3 이러한 목적을 위해, 전기 펌핑 유기 발광 장치에 통합될 수 있는 개선된 공진기 구조뿐만 아니라 새로운 고 레이저 게인 유기재료의 개발이 필요하다.Organic semiconductor lasers have been intensively studied over the past two decades and have made great strides in terms of laser operation threshold and actuator stability. 1-3 These devices are currently being considered for a variety of applications including spectroscopic tools, data communication devices, medical diagnostics, and chemical sensors. 1 -5 However, demonstrations of electrically driven organic laser diodes have not yet been made, and a breakthrough is still needed to develop truly continuous wave optically pumped organic semiconductor laser technology. The challenges for realizing 1 -3,6-8 electrically pumped organic laser diodes are now well recognized, and include (i) additional absorption losses at the laser operating wavelength due to polarons and long-lived triplets, ( ii) quenching of singlet excitons due to singlet-triplet, singlet-polaron and singlet-thermal dissipation, and (iii) stability of organic materials in electroluminescent devices operating at high current densities. are doing Approaches to reduce triplet and polaron losses have already been proposed and include the use of triplet antennas and reduction of the organic light emitting diode (OLED) active area to spatially separate the exciton forming region and the exciton decay region. it should be noted that 9,10 It is necessary to completely overcome these problems and further studies are needed, but at the same time, it is also important to significantly lower the threshold of spontaneous amplified emission (ASE) and laser operation of organic semiconductor thin films. 3 For this purpose, there is a need for the development of novel high laser gain organic materials as well as improved resonator structures that can be integrated into electro-pumped organic light-emitting devices.

방사감쇄율 (k R)은 방정식 B ∝ (c/8πhν 0 3 )k R로 표현된 아인슈타인 B 계수와 직접적으로 관련이 있다. ν 0는 빛의 빈도, h는 플랑크 상수, 그리고 c는 빛의 속도이다. ASE 임계는 B 계수에 반비례하며 일반적으로 낮은 ASE 임계를 달성하려면 kR이 큰 것이 바람직함을 의미한다.11 ,12 유기 레이저에 관한 최근의 리뷰기사에 요약된 바와 같이3, 저분자 기반의 유기 박막에서 보고된 가장 낮은 ASE 임계는 110 nJ/cm2이며 9,9'-스피로플루오렌 유도체를 사용하여 얻어졌다.13 약 300 내지 400 nJ/cm2의 박막에서 ASE 임계가 낮은 두 가지 다른 우수한 유기 반도체 레이저 재료는 4,4'-비스[(N-카르바졸)스티릴]비페닐 (BSBCz)과 헵타플루오렌 유도체이다.12 ,14 ASE 임계는 일반적으로 광학 펌핑에 사용되는 광원의 특성에 따라 다르지만, 상기한 ASE 임계값은 광 여기에 대해 유사한 질소 레이저를 사용하여 결정된다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 플루오렌 유도체는 낮은 ASE 임계를 달성하는 데 매우 유망한 것으로 밝혀졌으며 그 중 일부는 1 x 109 s-1보다 높은 방사감쇄율을 보인다.13-19 주목할만한 것은 이전 연구에서 헥실 측쇄로 관능화된 테르플루오렌, 펜타플루오렌 및 헵타플루오렌 유도체의 광물리 특성을 상세히 조사했다는 것이다.18 결과는 올리고플루오렌 분자의 길이를 증가시킬 때 ASE 임계가 감소되면서 방사감쇄율이 증가한다는 것을 보여 주었다. 이러한 맥락에서, ASE/레이저 동작 특성이 올리고머 길이를 증가시킴으로써 여전히 더 개선될 수 있는지를 검증하는 것이 중요하였다.The radiation decay rate ( k R ) is directly related to the Einstein B coefficient expressed by the equation B ∝ ( c / 8πhν 0 3 ) k R . ν 0 is the frequency of light, h is the Planck constant, and c is the speed of light. The ASE threshold is inversely proportional to the B factor, which generally means that a large k R is desirable to achieve a low ASE threshold. 11,12 As summarized in a recent review article on organic lasers 3 , the lowest ASE threshold reported for small-molecule-based organic thin films is 110 nJ/cm 2 , obtained using 9,9'-spirofluorene derivatives. lost. 13 Two other good organic semiconductor laser materials with low ASE thresholds in thin films of about 300 to 400 nJ/cm 2 are 4,4′-bis[( N -carbazole)styryl]biphenyl (BSBCz) and heptafluorene is a derivative. 12,14 It is important to note that the ASE thresholds generally depend on the nature of the light source used for optical pumping, but the ASE thresholds described above are determined using a similar nitrogen laser for optical excitation. Fluorene derivatives have been found to be very promising for achieving low ASE thresholds, some of which show radiation decay rates higher than 1 x 10 9 s -1 . 13-19 It is noteworthy that in previous studies, the photophysical properties of terfluorene, pentafluorene and heptafluorene derivatives functionalized with hexyl side chains were investigated in detail. 18 The results showed that when the length of the oligofluorene molecule was increased, the radiation attenuation rate was increased while the ASE threshold was decreased. In this context, it was important to verify that the ASE/laser operating properties could still be further improved by increasing the oligomer length.

87%의 PLQY와 약 600 ps의 형광 수명을 갖는 스핀 코팅 니트막에서 농도 ??칭을 나타내지 않는 옥타플루오렌 유도체에 대한 보고가 있다. 이 분자의 화학 구조는 도 75a에 도시되어 있다. 큰 PLQY 값과 옥타플루오렌 니트막의 짧은 PL 수명은 약 90 nJ/cm2의 ASE 임계를 수반하며 유기 비중합체 게인 매체에서 전례 없는 수준의 ASE 성능에 도달한다.3 옥타플루오렌 니트막을 기반으로 하는 유기 분산형 피드백 (DFB) 레이저 및 OLED의 성능은 이러한 플루오렌 유도체가 유기 반도체 레이저 동작 장치 및 그 응용 분야에 대한 추가 연구에 매우 유망하다는 증거를 더 제공하는 것이다.There are reports of octafluorene derivatives that do not show concentration quenching in spin-coated neat films with a PLQY of 87% and a fluorescence lifetime of about 600 ps. The chemical structure of this molecule is shown in Figure 75a. The large PLQY value and the short PL lifetime of the octafluorene neat membrane entails an ASE threshold of about 90 nJ/cm 2 , reaching unprecedented levels of ASE performance in organic non-polymeric gain media. The performance of organic distributed feedback (DFB) lasers and OLEDs based on 3 -octafluorene neat films provides further evidence that these fluorene derivatives are very promising for further research into organic semiconductor laser operating devices and their applications. .

이러한 작업에 사용된 실험 절차는 보충 자료에 설명되어 있다.19 용융 실리카 기판 위에 스핀 코팅된 옥타플루오렌 니트막의 흡수 및 정상 상태 PL 스펙트럼이 도 75b에 도시되어 있다. 막은 가시 범위의 파장에서 거의 투명하며 최대 흡수 피크 파장이 375 nm인 자외선 영역에서 하나의 주요 흡수 밴드를 보인다. 이전에도 이러한 흡수 피크는 플루오렌 단량체들 사이의 엑시톤 결합에 기인한 것이었다.18 광학 에너지 갭은 장파장 흡수 가장자리로부터 약 2.9 eV인 것으로 계산되었다. 도 75b의 삽도에 도시된 PL 스펙트럼 및 사진은 옥타플루오렌 니트막이 청색 형광을 방출한다는 것을 나타낸다. 스펙트럼은 (0,0)과 (0,1) 전환에 할당될 수 있는 두 피크 및 (0,2) 전환과 관련된 더 긴 파장에서의 숄더를 가진 선명한 진동 구조를 보여준다. 최대 PL 피크 파장은 약 423 nm인 것으로 밝혀졌다. 4,4'-비스(N-카르바졸일)-1,10-비페닐 (CBP) 호스트에 분산된 옥타플루오렌 10 및 20 wt%를 함유하는 스핀 코팅 블렌드에서 측정된 흡수 및 정상 상태 PL 스펙트럼이 도 76 (보충 자료 참조)에 도시된다. CBP 호스트는 CBP에서 올리고플루오렌 유도체의 대부분까지 효율적인 포르스터 유형의 에너지 전달이 일어나는 것으로 알려져 있기 때문에 이 연구에서 선택되었다.14 블렌드의 흡수 스펙트럼은 CBP 흡수에 의해 지배되지만, PL 스펙트럼은 옥타플루오렌 니트막의 PL 스펙트럼과 현저하게 다르지 않다는 것을 알 수 있다. 그 후 PLQY 및 PL 수명을 니트막 및 CBP 블렌드에서 측정하였다. 10 wt% 및 20 wt% 블렌드는 각각 88 % 및 87 %의 PLQY 값을 나타내며 니트막에서 발견된 값에 가깝다. 니트막 및 10 wt% 및 20 wt% 블렌드는 각각 609, 570 및 611 ps의 특성 PL 수명을 갖는 유사한 단일 지수 형광 감쇄를 나타낸다 (보충 자료의 도 77 참조). 이것은 유사한 터플루오렌, 펜타플루오렌 및 헵타플루오렌 유도체에서 이미 보고된 것과는 달리, 옥타플루오렌 니트막이 PL 농도 ??칭을 나타내지 않는다는 증거를 제공하는 것이다.18 옥타플루오렌 니트막에서 측정된 약 1.7 x 109 s-1의 큰 방사감쇄율을 고려할 때, 올리고 플루오렌 유도체는 우수한 ASE 특성을 보이는 것으로 기대될 수 있다.11 ,12 옥타플루오렌 니트막의 광학 상수는 가변 입사각 분광 타원법을 사용하여 측정되었으며 도 75c에 도시되어 있다 (광학 상수가 계산되는 타원편광 반사 데이터는 보충 자료의 도 78에서 찾을 수 있다). 니트막의 작은 광학 이방성은 옥타플루오렌 분자가 거의 무작위로 배향된 것을 나타내며 헵타플루오렌 니트막에서 이전에 보고된 타원편광 반사 결과와 일치한다.20 The experimental procedures used in these works are described in the Supplementary Material. 19 Absorption and steady-state PL spectra of a neat octafluorene film spin-coated on a fused silica substrate are shown in Fig. 75b. The film is almost transparent at wavelengths in the visible range and shows one major absorption band in the ultraviolet region with a maximum absorption peak wavelength of 375 nm. Previously, this absorption peak was due to exciton bonding between the fluorene monomers. 18 The optical energy gap was calculated to be about 2.9 eV from the long-wavelength absorption edge. The PL spectrum and photograph shown in the inset of FIG. 75B show that the octafluorene neat film emits blue fluorescence. The spectrum shows a sharp oscillatory structure with two peaks that can be assigned to the (0,0) and (0,1) transitions and a shoulder at the longer wavelength associated with the (0,2) transition. The maximum PL peak wavelength was found to be about 423 nm. Absorption and steady-state PL spectra measured on spin coating blends containing 10 and 20 wt% of octafluorene dispersed in 4,4′-bis( N -carbazolyl)-1,10-biphenyl (CBP) host This is shown in Figure 76 (see Supplementary Material). The CBP host was chosen for this study because it is known that efficient Forster-type energy transfer from CBP to most of the oligofluorene derivatives occurs. It can be seen that the absorption spectrum of the blend 14 is dominated by the CBP absorption, but the PL spectrum is not significantly different from the PL spectrum of the octafluorene neat film. PLQY and PL lifetimes were then measured on neat membranes and CBP blends. The 10 wt% and 20 wt% blends exhibited PLQY values of 88% and 87%, respectively, close to those found in the neat membrane. The neat membrane and the 10 wt % and 20 wt % blends show similar single exponential fluorescence decay with characteristic PL lifetimes of 609, 570 and 611 ps, respectively (see FIG. 77 in Supplementary Material). This provides evidence that the octafluorene neat film does not exhibit PL concentration quenching, contrary to what has already been reported for similar terfluorene, pentafluorene and heptafluorene derivatives. Considering the large radiation attenuation rate of about 1.7 x 10 9 s -1 measured in the 18 -octafluorene neat film, the oligofluorene derivative can be expected to show excellent ASE properties. The optical constants of the 11,12 octafluorene neat films were measured using variable incidence angle spectroscopic ellipticity and are shown in Fig. 75c (elliptically polarized reflection data from which the optical constants are calculated can be found in Fig. 78 of the Supplementary Material). The small optical anisotropy of the neat film indicates that the octafluorene molecules are almost randomly oriented, which is consistent with the elliptically polarized light reflection results reported previously in the heptafluorene neat film. 20

도 79a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 옥타플루오렌 니트막의 ASE 특성은 10 Hz의 반복률에서 800 ps 펄스를 전달하는 질소 레이저로 337 nm에서 샘플을 광학적으로 펌핑함으로써 특성화되었다. 여기 빔은 0.5 cm × 0.08 cm 크기의 스트라이프에 집속되었고 PL은 유기 박막의 가장자리로부터 수집되었다. 도 79b는 다양한 펌핑 강도에서 260 nm 두께의 옥타플루오렌 니트막의 가장자리로부터 측정된 PL 스펙트럼을 도시한다. 스펙트럼 선 협소화 효과는 5 nm로 떨어지는 반치전폭 (FWHM)의 높은 여기 밀도에서 명확하게 볼 수 있으며 이 샘플에서 ASE가 발생한다는 증거를 제공한다. 유기막에서 도파되고 유도 방출에 의해 증폭되는 자연방출 광자로 인해 약 450 nm에서 광 증폭이 발생한다.21 그 후, ASE 임계는 막의 가장자리로부터 방출되는 출력 강도의 플롯으로부터 여기 강도에 대해 결정되었다. 도 79c에 도시된 경사 효율의 급격한 변화는 약 90 nJ/cm2의 ASE 임계를 초래한다. ASE 특성은 53 내지 540 nm 범위의 서로 다른 막 두께를 갖는 옥타플루오렌 니트막에서 측정되었다는 점에 유의해야 한다. 도 79d 및 도 80에 도시된 데이터 (보충 정보 참조)는 ASE 임계가 260 nm 두께의 막에서 가장 낮다는 것을 나타낸다. ASE 임계의 유사한 두께 의존성은 이미 폴리(9,9-디옥틸플루오렌) 막에서 보고되었다.22 이 반응은 두께를 증가시킬 때 모드 제한의 증가와 펌프 모드 중첩의 감소 사이의 상호 작용에 기인한 것이었다. 주목할 점은, 260 nm 두께의 옥타플루오렌 니트막에서 측정된 ASE 임계는 저 분자 기반 유기 박막에서 보고된 최저값 보다 낮다는 것이다.3 이러한 우수한 성능은 또한 옥타플루오렌 박막이 매우 낮은 손실계수 값을 나타낸다는 것을 의미한다. 이러한 목적을 위해, ASE 강도는 옥타플루오렌 막의 가장자리와 펌프 스트라이프 사이의 거리의 함수로서 측정되었다. 도 81의 결과 (보충 정보 참조)에서는 260 nm 두께의 옥타플루오렌 니트막의 손실계수는 5.1 cm-1이다. 이러한 낮은 값은 폴리(9,9-디옥틸플루오렌) 박막에서 보고된 값에 가깝고23 옥타플루오렌 박막의 우수한 광도파 특성의 증거를 제공하는 것이다. 대부분의 폴리플루오렌 시스템과는 달리, 대부분의 플루오렌계 저분자와 옥타플루오렌은24 -26 플루오렌의 형성으로 인하여 대기에서의 강한 광 조사 하에서 광물리적 특성의 현저한 열화를 보이지 않는다는 점을 부각시킬 필요가 있다. 또한, 도 82에 도시된 결과 (보충 정보 참조)는 옥타플루오렌 니트막이 대기 및 질소 기층 모두에서 ASE 임계 이상의 높은 펌핑 강도에서 우수한 광 안정성을 나타낸다는 것을 보여준다. 이는 막의 높은 방사감쇄율과 관련이 있을 수 있으며 아마도 고강도 조사 하에서 재료의 광 표백을 감소시킬 수 있을 것이다. 보다 짧은 올리고플루오렌에서 측정된 ASE 임계와 비교해 보면,14 ,18 결과는 올리고머 길이를 증가시키면 ASE 성능이 향상된다는 것을 보여준다. 그러나, 데카플루오렌 막에서 수행된 예비 실험은 옥타플루오렌 막에서 얻은 것보다 높은 ASE 임계를 나타내며 옥타플루오렌 유도체가 올리고머 계열에서 확실하게 유기 반도체 레이저의 가장 유망한 후보자인 것을 보여준다.As schematically shown in Fig. 79a, the ASE properties of the octafluorene neat film were characterized by optically pumping the sample at 337 nm with a nitrogen laser delivering 800 ps pulses at a repetition rate of 10 Hz. The excitation beam was focused on a 0.5 cm × 0.08 cm stripe and PL was collected from the edge of the organic thin film. 79b shows the PL spectrum measured from the edge of a 260 nm thick octafluorene neat film at various pumping intensities. The spectral line narrowing effect is clearly visible at high excitation densities of full width at half maximum (FWHM) dropping to 5 nm, providing evidence that ASE occurs in this sample. Light amplification occurs at about 450 nm due to spontaneous emission photons that are guided in the organic film and amplified by stimulated emission. 21 The ASE threshold was then determined for the excitation intensity from a plot of the output intensity emitted from the edge of the membrane. The abrupt change in the gradient efficiency shown in FIG. 79c results in an ASE threshold of about 90 nJ/cm 2 . It should be noted that the ASE properties were measured on octafluorene neat films with different film thicknesses ranging from 53 to 540 nm. The data shown in FIGS. 79d and 80 (see Supplementary Information) indicate that the ASE threshold is lowest for a 260 nm thick film. A similar thickness dependence of the ASE threshold has already been reported for poly(9,9-dioctylfluorene) films. 22 This response was due to the interaction between the increase of the mode limit and the decrease of the pump mode overlap when increasing the thickness. Of note, the ASE threshold measured for the 260 nm thick octafluorene neat film is lower than the lowest value reported for the low molecular-based organic thin film. 3 This excellent performance also means that the octafluorene thin film exhibits a very low loss factor value. For this purpose, the ASE intensity was measured as a function of the distance between the edge of the octafluorene film and the pump stripe. In the result of FIG. 81 (see Supplementary Information), the loss factor of the 260 nm thick octafluorene neat film is 5.1 cm −1 . This low value is close to the value reported for the poly(9,9-dioctylfluorene) thin film and provides evidence of the excellent optical waveguide properties of the 23 octafluorene thin film. It should be emphasized that, unlike most polyfluorene systems, most low molecular weight fluorene and octafluorene do not show significant deterioration in photophysical properties under intense light irradiation in the atmosphere due to the formation of 24-26 fluorene . There is a need. In addition, the results shown in Fig. 82 (see Supplementary Information) show that the octafluorene neat film exhibits excellent light stability at high pumping intensities above the ASE threshold in both atmospheric and nitrogen-based layers. This may be related to the high radiation decay rate of the film, possibly reducing the photobleaching of the material under high-intensity irradiation. Comparing with the ASE threshold measured at shorter oligofluorenes, 14 ,18 results show that increasing oligomer length improves ASE performance. However, preliminary experiments performed on decafluorene films exhibit higher ASE thresholds than those obtained on octafluorene films and show that octafluorene derivatives are clearly the most promising candidates for organic semiconductor lasers in the oligomeric family.

1차 산란 영역으로 둘러싸인 2차 브래그 산란 영역으로 구성된 혼합차수 DFB 그레이팅 구조를 설계하고 제작하였다.17 이러한 그레이팅 아키텍처는 기판에 대해 수직 방향으로의 레이저 동작 방출과 함께 낮은 레이저 동작 임계를 얻기 위해 선택되었다. DFB 레이저에서의 레이저 방출은 다음과 같이 정의된 브래그 파장 (λBragg) 근처에서 발생한다: Bragg = 2 n effΛ. n eff는 레이저 게인 매체의 실효 굴절률이고, m은 브래그 차수이고, 및 L은 그레이팅 주기이다.1 -3 타원편광 반사 (도 75c)와 이 연구에서 측정된 ASE 파장으로 결정된 옥타플루오렌 니트막의 굴절률을 사용하여, m = 1, 2에 대한 회절주기가 각각 260 및 130 nm로 선택되었다. 도 83a 및 83b는 전자빔 리소그래피 및 반응성 이온 에칭 기술을 사용하여 제조된 DFB SiO2 그레이팅의 개략도 및 주사 전자 현미경 (SEM) 영상을 도시한다. DFB 그레이팅의 깊이는 약 70 nm라는 것을 유의해야 한다. 레이저 장치를 완성하기 위해, 260 nm 두께의 옥타플루오렌 니트막을 DFB 구조 상부에 스핀 코팅하였다. 도 83c는 레이저 동작 임계 이하 및 이상의 몇몇 여기 밀도에서 기판 평면에 수직으로 검출된 방출 스펙트럼을 도시한다. 임계 미만에서는 DFB 그레이팅의 광학 정지 대역에 기인한 브래그 딥이 관찰될 수 있다. 레이저 동작 임계를 초과할 때에는 약 452 nm의 레이저 동작 파장에서 날카로운 레이저 방출 피크가 선명하게 나타난다. 이 DFB 레이저의 출력 방출 강도와 FWHM이 도 81d에 여기 강도의 함수로서 도시되어 있다. 레이저 방출 피크의 FWHM은 높은 여기 밀도에서 0.3 nm보다 낮은 것으로 밝혀졌다. 동시에 출력 세기 곡선의 기울기의 변화로부터 결정된 레이저 동작 임계는 약 84 nJ/cm2인 것으로 밝혀졌으며 이전에 보고된 ASE 임계보다 약간 낮다. 전반적으로, 높은 광 여기 강도 하에서의 막의 우수한 광 안정성과 함께 이 연구에서 측정된 매우 낮은 ASE 및 레이저 동작 임계는 옥타플루오렌 유도체가 유기 반도체 레이저 응용 분야에서 매우 유망한 게인 매체 재료라는 것을 입증해 주는 것이다.A mixed-order DFB grating structure composed of a secondary Bragg scattering region surrounded by a primary scattering region was designed and fabricated. 17 This grating architecture was chosen to achieve a low laser motion threshold with laser motion emission in the direction perpendicular to the substrate. Laser emission from a DFB laser occurs near the Bragg wavelength (λ Bragg ) defined as: Bragg = 2 n eff Λ. n eff is the effective refractive index of the laser gain medium, m is the Bragg order, and L is the grating period. Using the 1-3 elliptically polarized light reflection (Fig. 75c) and the refractive index of the octafluorene neat film determined by the ASE wavelength measured in this study, the diffraction periods for m = 1 and 2 were selected to be 260 and 130 nm, respectively. 83A and 83B show schematics and scanning electron microscopy (SEM) images of DFB SiO 2 gratings prepared using electron beam lithography and reactive ion etching techniques. It should be noted that the depth of the DFB grating is about 70 nm. To complete the laser device, a 260 nm thick octafluorene knit film was spin-coated on top of the DFB structure. 83c shows emission spectra detected perpendicular to the substrate plane at several excitation densities below and above the laser operating threshold. Below the threshold, a Bragg dip due to the optical stopband of the DFB grating can be observed. When the laser operating threshold is exceeded, a sharp laser emission peak at the laser operating wavelength of about 452 nm is evident. The output emission intensity and FWHM of this DFB laser are plotted as a function of excitation intensity in FIG. 81d . The FWHM of the laser emission peak was found to be lower than 0.3 nm at high excitation densities. At the same time, the laser operating threshold determined from the change in the slope of the output intensity curve was found to be about 84 nJ/cm 2 , which is slightly lower than the previously reported ASE threshold. Overall, the very low ASE and laser operating threshold measured in this study, along with the excellent optical stability of the film under high optical excitation intensity, demonstrate that octafluorene derivatives are very promising gain media materials for organic semiconductor laser applications.

유기 레이저 다이오드에 대한 이 옥타플루오렌 유도체의 잠재력을 충분히 평가하기 위해서는 표준 OLED 구조를 사용하여 니트막과 CBP 블렌드에서의 이 화합물의 전계발광 (EL) 특성을 조사하는 것이 중요하다. 이 연구에서 제조된 OLED의 개략도가 도 82a에 제공되어 있다. 이 장치의 아키텍처는 다음과 같다: 인듐주석 산화물 (ITO) (100 nm)/폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌 술포네이트) (PEDOT:PSS) (45 nm)/EML (~ 40 nm)/2,8-비스(디페닐포스포릴)디벤조[b,d]티오펜 (PPT) (10 nm)/2,2',2"-(1,3,5-벤진트리일)-트리스(1-페닐-1-H-벤즈이미다졸) (TPBi) (55 nm)/LiF (1 nm)/Al (100 nm). 발광층 (EML)은 옥타플루오렌 니트막 또는 옥타플루오렌:CBP 블렌드에 해당하는 것이다. 이들 장치에서 PEDOT:PSS는 정공 주입층의 역할을 하는 반면에 PPT 및 TPBi는 각각 정공 차단층 및 전자 수송층으로서 사용된다. 도 84a의 PEDOT:PSS, PPT 및 TPBi의 최고준위 점유 분자궤도 (HOMO) 및 최저준위 비점유 분자궤도 (LUMO) 에너지 값은 문헌으로부터 취해진 것이다.20 옥타플루오렌 니트막의 이온화 포텐셜은 대기 중 광전자 분광법에 의해 5.9 eV로 측정되었다 (보충 자료의 도 85 참조). 니트막의 흡수 스펙트럼으로부터 결정된 광학 밴드 갭 값 2.9 eV를 사용하여 옥타플루오렌의 전자 친화력을 약 3 eV로 추정할 수 있다. 도 86a (보충 정보 참조)에서 볼 수 있듯이 이들 OLED에서 10 mA/cm2에서 측정된 EL 스펙트럼은 옥타플루오렌 니트막 및 CBP 블렌드에서 측정된 PL 스펙트럼과 유사하며 이들 장치로부터 방출된 청색 EL이 옥타플루오렌 발색단에서부터만 비롯되는 것이라는 것을 알 수 있다. 장치의 전류-밀도-전압-휘도 (J-V-L) 곡선이 도 86b에 도시된다 (보충 정보 참조). 옥타플루오렌 니트막, 10 wt% CBP 블렌드 및 20 wt% CBP 블렌드에 기초한 OLED는 1 cd/m2에서 각각 5.0, 4.9 및 4.5 V의 구동 전압을 나타낸다. 이들 OLED에서 얻어진 최고 휘도 값은 니트막의 경우 4580 cd/m2 (12.6 V에서)이었고, 20 wt% 블렌드의 경우 8520 cd/m2 (10.4 V에서)이었고, 및 10 wt% 블렌드의 경우 8370 cd/m2 (11.2 V에서)이었다. 장치의 외부 양자 효율 (ηext)은 도 84b의 전류 밀도에 따라 도시된다. 이들의 최대값은 니트막의 경우 3.9%, 20 wt% 블렌드의 경우 4.3%, 및 10 wt% 블렌드의 경우 4.4%인 것으로 밝혀졌다. 효율성의 차이는 세 막의 PLQY 값들로 설명될 수 없으며 이 값들은 거의 동일하다. 실제로, 스핀 코팅된 박막에서의 올리고플루오렌 분자의 분자배향에 관한 최근 연구에서는, 옥타플루오렌 분자가 니트막에서 무작위로 배향되더라도 20 wt% 및 10 wt% 옥타플루오렌:CBP 블렌드는 비교적 양호한 옥타플루오렌 분자 수평배향을 보인다는 것을 입증하였다.26 이러한 방출 쌍극자의 수평 분자배향은 광 아웃커플링 효율을 개선시키기 마련이므로 CBP 블렌드에 기반한 OLED에서 측정된 약간 높은 ηext 값을 설명할 수 있는 것이다.20,26 유기 레이저 다이오드와 관련하여, 이들 OLED에서 얻어지는 최대 ηext 값은 분명히 유망하다. 그러나 이러한 옥타플루오렌 유도체를 전기적으로 구동되는 유기 레이저 동작 장치의 후보로 심각하게 고려하기 전에, 훨씬 더 높은 전류 밀도가 장치에 주입되어야 하며 100 mA/cm2 보다 높은 전류 밀도에서 발생하는 효율 롤오프가 장치 아키텍처의 개선을 통해 향후 작업에서 억제될 필요가 있다.In order to fully evaluate the potential of this octafluorene derivative for organic laser diodes, it is important to investigate the electroluminescent (EL) properties of this compound in a neat film and CBP blend using standard OLED structures. A schematic diagram of the OLED fabricated in this study is provided in Figure 82a. The architecture of this device is as follows: indium tin oxide (ITO) (100 nm)/poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) (45 nm)/EML ( ~ 40 nm)/2,8-bis(diphenylphosphoryl)dibenzo[b,d]thiophene (PPT) (10 nm)/2,2',2"-(1,3,5-benzinetri yl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole) (TPBi) (55 nm)/LiF (1 nm)/Al (100 nm) The emission layer (EML) is an octafluorene neat film or octaflu This corresponds to the orene:CBP blend.In these devices, PEDOT:PSS serves as the hole injection layer, while PPT and TPBi are used as hole blocking and electron transport layers, respectively.PEDOT:PSS, PPT and TPBi in Figure 84a. The highest occupied molecular orbital (HOMO) and lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) energy values are taken from the literature The ionization potential of a 20 -octafluorene neat film was determined to be 5.9 eV by atmospheric photoelectron spectroscopy (Supplementary Data). 85).Using the optical band gap value of 2.9 eV determined from the absorption spectrum of the neat film, the electron affinity of octafluorene can be estimated to be about 3 eV. As can be seen in Fig. 86a (see Supplementary Information), these OLEDs The EL spectra measured at 10 mA/cm 2 are similar to the PL spectra measured in the octafluorene neat film and the CBP blend, and it can be seen that the blue EL emitted from these devices comes only from the octafluorene chromophore. The current-density-voltage-brightness ( JVL ) curve of the device is shown in Figure 86b (see Supplementary Information), OLEDs based on octafluorene neat film, 10 wt% CBP blend and 20 wt% CBP blend were 1 cd/m 2 shows the driving voltages of 5.0, 4.9 and 4.5 V, respectively. The highest luminance values obtained for these OLEDs were 4580 cd/m 2 (at 12.6 V) for the neat film and 852 for the 20 wt% blend. 0 cd/m 2 (at 10.4 V), and 8370 cd/m 2 (at 11.2 V) for the 10 wt % blend. The external quantum efficiency (η ext ) of the device is plotted as a function of the current density in Fig. 84b. Their maximum was found to be 3.9% for the neat membrane, 4.3% for the 20 wt% blend, and 4.4% for the 10 wt% blend. The difference in efficiency cannot be explained by the PLQY values of the three films, and these values are almost identical. Indeed, in a recent study on the molecular orientation of oligofluorene molecules in spin-coated thin films, 20 wt% and 10 wt% octafluorene:CBP blends showed relatively good octafluorene molecules even if randomly oriented in the neat film. It was verified that the fluorene molecule shows horizontal orientation. 26 This horizontal molecular orientation of the emission dipole tends to improve the light outcoupling efficiency, which may explain the slightly higher η ext values measured in OLEDs based on the CBP blend. 20,26 With respect to organic laser diodes, the maximum η ext values obtained in these OLEDs are clearly promising. However, before seriously considering these octafluorene derivatives as candidates for electrically driven organic laser-operated devices, much higher current densities must be injected into the device and the efficiency roll-off that occurs at current densities higher than 100 mA/cm 2 Improvements in the device architecture need to be restrained in future work.

요약하면 이 연구는 비중합체 유기 박막에서 ASE 임계가 전례 없이 낮은 90 nJ/cm2임을 입증해준다. 이러한 성과는 스핀 코팅된 니트막에서 87%의 PLQY와 1.7 x 109 s-1의 큰 방사감쇄율을 나타내는 옥타플루오렌 유도체를 사용하여 달성된 것이었다. 이러한 청색 발광 재료는 낮은 임계 유기 반도체 DFB 레이저에서 및 4.4%의 높은 외부 양자 효율과 10,000 cd/m2에 근접하는 최대 휘도 값을 갖는 형광 OLED에서 사용되었다. 전반적으로 이 연구는 옥타플루오렌 유도체가 유기 반도체 레이저의 우수한 유기 재료라는 증거를 제시해주고 있다.In summary, this study demonstrates that the ASE threshold is an unprecedentedly low 90 nJ/cm 2 in non-polymeric organic thin films. This achievement was achieved by using an octafluorene derivative showing a PLQY of 87% and a large radiation attenuation rate of 1.7 x 10 9 s -1 in the spin-coated neat film. This blue light-emitting material has been used in low-threshold organic semiconductor DFB lasers and in fluorescent OLEDs with high external quantum efficiencies of 4.4% and maximum luminance values approaching 10,000 cd/m 2 . Overall, this study provides evidence that octafluorene derivatives are excellent organic materials for organic semiconductor lasers.

이 연구에서 사용된 모든 실험 절차, CBP 블렌드의 흡수 및 형광 스펙트럼, 타원편광 반사 데이터, 추가의 ASE 특성 결과, 및 옥타플루오렌 막에서의 HOMO 및 LUMO 결정에 대해서는 [AIP가 삽입될 URL]에서의 보충 자료를 참조하라.For all experimental procedures used in this study, absorption and fluorescence spectra of CBP blends, elliptically polarized reflection data, additional ASE characterization results, and HOMO and LUMO determinations in octafluorene films, see See Supplementary Material.

참조문헌References

1. I. D. W. Samuel and G. A. Turnbull, Chem. Rev. 107, 1272 (2007).1. I. D. W. Samuel and G. A. Turnbull, Chem. Rev. 107, 1272 (2007).

2. S.

Figure 112017078655148-pat00051
and S. Forget, Polym. Int. 61, 390 (2012).2. S.
Figure 112017078655148-pat00051
and S. Forget, Polym. Int. 61, 390 (2012).

3. A. J. C. Kuehne and M. C. Gather, Chem. Rev. in press, DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00172.3. A. J. C. Kuehne and M. C. Gather, Chem. Rev. in press, DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00172.

4. Y. Wang, P. O. Morawska, A. L. Kanibolotsky, P. J. Skabara, G. A. Turnbull and I. D. W. Samuel, Laser & Photon. Rev. 7, L71-L76 (2013).4. Y. Wang, P. O. Morawska, A. L. Kanibolotsky, P. J. Skabara, G. A. Turnbull and I. D. W. Samuel, Laser & Photon. Rev. 7, L71-L76 (2013).

5. A. Rose, Z. G. Zhu, C. F. Madigan, T. M. Swager and V. Bulovic, Nature 434, 876 (2005).5. A. Rose, Z. G. Zhu, C. F. Madigan, T. M. Swager and V. Bulovic, Nature 434, 876 (2005).

6. I. D. W. Samuel, E. B. Namdas and G. A. Turnbull, Nature Photon. 3, 546 (2009).6. I. D. W. Samuel, E. B. Namdas and G. A. Turnbull, Nature Photon. 3, 546 (2009).

7. S. Z. Bisri, T. Takenobu and Y. Iwasa, J. Mater. Chem. C 2, 2827 (2014).7. S. Z. Bisri, T. Takenobu and Y. Iwasa, J. Mater. Chem. C 2, 2827 (2014).

8. A. S. D. Sandanayaka, T. Matsushima, K. Yoshida, M. Inoue, T. Fujihara, K. Goushi, J. C. Ribierre and C. Adachi, Adv. Opt. Mater. 4, 834 (2016).8. A. S. D. Sandanayaka, T. Matsushima, K. Yoshida, M. Inoue, T. Fujihara, K. Goushi, J. C. Ribierre and C. Adachi, Adv. Opt. Mater. 4, 834 (2016).

9. A. S. D. Sandanayaka, L. Zhao, D. Pitrat, J. C. Mulatier, T. Matsushima, J. H. Kim, J. C. Ribierre and C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 108, 223301 (2016).9. A. S. D. Sandanayaka, L. Zhao, D. Pitrat, J. C. Mulatier, T. Matsushima, J. H. Kim, J. C. Ribierre and C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 108, 223301 (2016).

10. K. Hayashi, H. Nakanotani, M. Inoue, K. Yoshida, O. Mikhnenko, T. Q. Nguyen and C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 106, 093301 (2015).10. K. Hayashi, H. Nakanotani, M. Inoue, K. Yoshida, O. Mikhnenko, T. Q. Nguyen and C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 106, 093301 (2015).

11. F.-H. Kan and F. Gan, Laser Materials (World Scientific, Singapore, 1995).11. F.-H. Kan and F. Gan, Laser Materials (World Scientific, Singapore, 1995).

12. T. Aimono, Y. Kawamura, K. Goushi, H. Yamamoto, H. Sasabe and C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 86, 071110 (2005).12. T. Aimono, Y. Kawamura, K. Goushi, H. Yamamoto, H. Sasabe and C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 86, 071110 (2005).

13. H. Nakanotani, S. Akiyama, D. Ohnishi, M. Moriwake, M. Yahiro, T. Yoshihara, S. Tobita and C. Adachi, Adv. Funct. Mater. 17, 2328 (2007).13. H. Nakanotani, S. Akiyama, D. Ohnishi, M. Moriwake, M. Yahiro, T. Yoshihara, S. Tobita and C. Adachi, Adv. Funct. Mater. 17, 2328 (2007).

14. L. Zhao, M. Inoue, K. Yoshida, A. S. D. Sandanayaka, J. H. Kim, J. C. Ribierre and C. Adachi, IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron. 22, 1300209 (2016).14. L. Zhao, M. Inoue, K. Yoshida, A. S. D. Sandanayaka, J. H. Kim, J. C. Ribierre and C. Adachi, IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron. 22, 1300209 (2016).

15. J. C. Ribierre, G. Tsiminis, S. Richardson, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, H. S. Barcena and P. L. Burn, Appl. Phys. Lett. 91, 081108 (2007).15. J. C. Ribierre, G. Tsiminis, S. Richardson, G. A. Turnbull, I. D. W. Samuel, H. S. Barcena and P. L. Burn, Appl. Phys. Lett. 91, 081108 (2007).

16. T. W. Lee, O. O. Park, D. H. Choi, H. N. Cho and Y. C. Kim, Appl. Phys. Lett. 81, 424 (2002).16. T. W. Lee, O. O. Park, D. H. Choi, H. N. Cho and Y. C. Kim, Appl. Phys. Lett. 81, 424 (2002).

17. C. Karnutsch, C. Pflumm, G. Heliotis, J. C. DeMello, D. D. C. Bradley, J. Wang, T. Weimann, V. Haug, C.

Figure 112017078655148-pat00052
and U. Lemmer, Appl. Phys. Lett. 90, 131104 (2007).17. C. Karnutsch, C. Pflumm, G. Heliotis, JC DeMello, DDC Bradley, J. Wang, T. Weimann, V. Haug, C.
Figure 112017078655148-pat00052
and U. Lemmer, Appl. Phys. Lett. 90, 131104 (2007).

18. E. Y. Choi, L. Mazur, L. Mager, M. Gwon, D. Pitrat, J. C. Mulatier, C. Monnereau, A. Fort, A. J. Attias, K. Dorkenoo, J. E. Kwon, Y. Xiao, K. Matczyszyn, M. Samoc, D.-W. Kim, A. Nakao, B. Heinrich, D. Hashizume, M. Uchiyama, S. Y. Park, F. Mathevet, T. Aoyama, C. Andraud, J. W. Wu, A. Barsella and J. C. Ribierre, Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 16941 (2014).18. E. Y. Choi, L. Mazur, L. Mager, M. Gwon, D. Pitrat, J. C. Mulatier, C. Monnereau, A. Fort, A. J. Attias, K. Dorkenoo, J. E. Kwon, Y. Xiao, K. Matczyszyn, M. Samoc, D.-W. Kim, A. Nakao, B. Heinrich, D. Hashizume, M. Uchiyama, S. Y. Park, F. Mathevet, T. Aoyama, C. Andraud, J. W. Wu, A. Barsella and J. C. Ribierre, Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 16941 (2014).

19. J.-H. Kim, M. Inoue, L. Zhao, T. Komino, S. Seo, J. C. Ribierre and C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 106, 053302 (2015).19. J.-H. Kim, M. Inoue, L. Zhao, T. Komino, S. Seo, J. C. Ribierre and C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 106, 053302 (2015).

20. L. Zhao, T. Komino, M. Inoue, J. H. Kim, J. C. Ribierre and C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 106, 063301 (2015).20. L. Zhao, T. Komino, M. Inoue, J. H. Kim, J. C. Ribierre and C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 106, 063301 (2015).

21. M. D. McGehee and A. J. Heeger, Adv. Mater. 12, 1655 (2000).21. M. D. McGehee and A. J. Heeger, Adv. Mater. 12, 1655 (2000).

22. M. Anni, A. Perulli and G. Monti, J. Appl. Phys. 111, 093109 (2012).22. M. Anni, A. Perulli and G. Monti, J. Appl. Phys. 111, 093109 (2012).

23. G. Heliotis, D. D. C. Bradley, G. A. Turnbull, and I. D. W. Samuel, Appl. Phys. Lett. 81, 415 (2002).23. G. Heliotis, D. D. C. Bradley, G. A. Turnbull, and I. D. W. Samuel, Appl. Phys. Lett. 81, 415 (2002).

23. J. C. Ribierre, A. Ruseckas, I. D. W. Samuel, H. S. Barcena and P. L. Burn, J. Chem. Phys. 128, 204703 (2008).23. J. C. Ribierre, A. Ruseckas, I. D. W. Samuel, H. S. Barcena and P. L. Burn, J. Chem. Phys. 128, 204703 (2008).

24. J.C. Ribierre, L. Zhao, M. Inoue, P.O. Schwartz, J.H. Kim, K. Yoshida, A.S.D. Sandayanaka, H. Nakanotani, L. Mager, S.

Figure 112017078655148-pat00053
and C. Adachi, Chem. Comm. 52, 3103 (2016).24. JC Ribierre, L. Zhao, M. Inoue, PO Schwartz, JH Kim, K. Yoshida, ASD Sandayanaka, H. Nakanotani, L. Mager, S.
Figure 112017078655148-pat00053
and C. Adachi, Chem. Comm. 52, 3103 (2016).

25. J. C. Ribierre, A. Ruseckas, O. Gaudin, I. D. W. Samuel, H. S. Barcena, S. V. Staton and P. L. Burn, Org. Electron. 10, 803 (2009).25. J. C. Ribierre, A. Ruseckas, O. Gaudin, I. D. W. Samuel, H. S. Barcena, S. V. Staton and P. L. Burn, Org. Electron. 10, 803 (2009).

26. L. Zhao, T. Komino, D. H. Kim, M. H. Sazzad, D. Pitrat, J. C. Mulatier, C. Andraud, J. C. Ribierre and C. Adachi, J. Mater. Chem. C 4, 11557 (2016).26. L. Zhao, T. Komino, D. H. Kim, M. H. Sazzad, D. Pitrat, J. C. Mulatier, C. Andraud, J. C. Ribierre and C. Adachi, J. Mater. Chem. C 4, 11557 (2016).

실험 절차experimental procedure

광물리mineral physics 및 ASE 측정 and ASE measurements

옥타플루오렌 유도체를 문헌에 공지된 방법에 따라 합성하였다.1 용융 실리카 기판을 세제, 순수, 아세톤 및 이소프로판올에서 초음파 세척한 후 UV-오존 처리를 하였다. 옥타플루오렌 니트막과 CBP:옥타플루오렌 블렌드막은 질소 충진 글러브 박스에서 클로로포름 용액으로 스핀 코팅하여 융합 실리카 기판에 증착되었다. 용액의 농도와 스핀 속도를 옥타플루오렌 니트막의 두께를 조절하기 위해 변화시켰다는 것을 유의해야 한다. 흡수 및 정상 상태 방출 스펙트럼은 UV-vis 분광 광도계 (Perkin-Elmer Lambda 950-PKA) 및 분광 형광 측정기 (Jasco FP-6500)를 사용하여 각각 측정되었다. 막의 PLQY는 340 nm의 여기 파장과 적분 구 (C11347-11 Quantaurus QY, Hamamatsu Photonics)를 가지는 크세논 램프를 사용하여 측정되었다. PL 감쇄는 스트리크 카메라 및 10 ps의 폭과 365 nm의 파장을 갖는 광학 펄스를 전달하는 Ti- 사파이어 레이저 시스템 (Millenia Prime, Spectra Physics)을 사용하여 측정되었다.The octafluorene derivative was synthesized according to a method known in the literature. 1 The fused silica substrate was ultrasonically cleaned in detergent, pure water, acetone and isopropanol, followed by UV-ozone treatment. The octafluorene neat film and the CBP:octafluorene blend film were deposited on the fused silica substrate by spin coating with a chloroform solution in a nitrogen-filled glove box. It should be noted that the concentration of the solution and the spin speed were varied to control the thickness of the octafluorene knit film. Absorption and steady-state emission spectra were measured using a UV-vis spectrophotometer (Perkin-Elmer Lambda 950-PKA) and a spectrofluorometer (Jasco FP-6500), respectively. The PLQY of the film was measured using a xenon lamp with an excitation wavelength of 340 nm and an integrating sphere (C11347-11 Quantaurus QY, Hamamatsu Photonics). PL attenuation was measured using a streak camera and a Ti-sapphire laser system (Millenia Prime, Spectra Physics) delivering optical pulses with a width of 10 ps and a wavelength of 365 nm.

가변 입사각 분광 타원법 (VASE) (J.A. Wollam, M-2000U) 측정은 75 ㎚ 두께의 옥타플루오렌 니트막에서 45도 내지 75도까지 서로 다른 각도로 5도의 단계씩 수행되었다. 그런 다음 타원편광 반사 데이터를 분석 소프트웨어 (J.A. Woollam, WVASE32)를 사용하여 분석하여 막의 이방성 흡광 계수 및 굴절률을 결정하였다.Variable incident angle spectral ellipticity (VASE) (J.A. Wollam, M-2000U) measurements were performed in steps of 5 degrees at different angles from 45 degrees to 75 degrees on a 75 nm thick octafluorene knit film. The elliptically polarized reflection data were then analyzed using analysis software (J.A. Woollam, WVASE32) to determine the anisotropic extinction coefficient and refractive index of the film.

ASE 특성의 특성화를 위해 샘플을 337 nm에서 방출되는 펄스 질소 레이저 (KEN2020, Usho)로 광학적으로 펌핑하였다. 이 레이저는 펄스 지속 시간이 800 ps인 펄스를 10 Hz의 반복률로 전달한다. 펌프 빔 세기는 중립 밀도 필터 세트를 사용하여 다양하게 조절되었다. 펌프 빔은 0.5 cm x 0.08 cm 스트라이프에 집속되었다. 유기 박막의 가장자리로부터의 방출 스펙트럼은 전하 결합 장치 분광기 (PMA-11, Hamamatsu Photonics)에 연결된 광섬유를 사용하여 수집되었다.For characterization of ASE properties, samples were optically pumped with a pulsed nitrogen laser (KEN2020, Usho) emitting at 337 nm. The laser delivers pulses with a pulse duration of 800 ps at a repetition rate of 10 Hz. The pump beam intensity was varied using a set of neutral density filters. The pump beam was focused on a 0.5 cm x 0.08 cm stripe. Emission spectra from the edges of the organic thin film were collected using an optical fiber connected to a charge-coupled device spectrometer (PMA-11, Hamamatsu Photonics).

유기 abandonment DFBDFB 레이저의 제조 및 특성화 Fabrication and Characterization of Lasers

열적으로 성장시킨 1㎛ 두께의 SiO2 층을 갖는 실리콘 기판을 상기와 동일한 세정 절차에 따라 세정하였다. 헥사메틸디실라잔 (HMDS)을 SiO2 표면 상부에 스핀 코팅하고 샘플을 120℃에서 2 분 동안 어닐링시켰다. 그 후, ZEP520A-7 용액 (Zeon Co.)으로부터 기판 위에 70 nm 두께의 레지스트 층을 스핀 코팅하고 180℃에서 4 분 동안 어닐링시켰다. 그런 다음 전자빔 리소그래피를 사용하여 레지스트 층에 DFB 그레이팅을 JBX-5500SC 시스템 (JEOL)을 사용하여 패터닝하였다. 전자빔 조사 후, 현상 용액 (ZED-N50, Zeon Co.)에서 패턴을 현상하였다. 다음 단계에서, 패턴화된 레지스트 층은 에칭 마스크의 역할을 수행한다. 기판을 EIS-200ERT 에칭 시스템 (ELIONIX)을 사용하여 CHF3로 플라즈마 에칭하였다. 마지막으로, 기판을 FA-1EA 에칭 시스템 (SAMCO)을 사용하여 O2로 플라즈마 에칭하여 레지스트 층을 완전히 제거하였다. SEM (SU8000, Hitachi)을 사용하여 DFB 그레이팅의 품질을 확인하였다. 유기 레이저 장치를 완성하기 위해서 260 nm 두께의 옥타플루오렌 니트막을 DFB 그레이팅 상부에 클로로포름 용액으로부터 최종 스핀 코팅하였다.A silicon substrate having a thermally grown 1 μm thick SiO 2 layer was cleaned according to the same cleaning procedure as above. Hexamethyldisilazane (HMDS) was spin coated on top of the SiO 2 surface and the sample was annealed at 120° C. for 2 minutes. Then, a 70 nm thick resist layer was spin-coated on the substrate from the ZEP520A-7 solution (Zeon Co.) and annealed at 180° C. for 4 minutes. The DFB grating on the resist layer was then patterned using a JBX-5500SC system (JEOL) using electron beam lithography. After electron beam irradiation, the pattern was developed in a developing solution (ZED-N50, Zeon Co.). In the next step, the patterned resist layer acts as an etch mask. The substrate was plasma etched with CHF 3 using an EIS-200ERT etch system (ELIONIX). Finally, the substrate was plasma etched with O 2 using a FA-1EA etching system (SAMCO) to completely remove the resist layer. The quality of the DFB grating was checked using SEM (SU8000, Hitachi). In order to complete the organic laser device, a 260 nm thick octafluorene neat film was finally spin coated on the DFB grating from a chloroform solution.

레이저 작동을 위해, 질소 가스 레이저 (SRS, NL-100)로부터의 펄스 여기 광을 렌즈 및 슬릿을 통해 장치의 6 X 10-3 cm2 면적에 집속시켰다. 여기 파장은 337 nm이었고, 펄스 폭은 3.5 ns이었고, 그리고 반복률은 20 Hz이었다. 여기 광은 장치 평면에 대해 수직으로 약 20도로 장치에 입사되었다. 다중채널 분광기 (PMA-50, Hamamatsu Photonics)에 연결된 장치에서 6 cm 떨어진 광섬유를 사용하여 방출된 빛을 장치 표면에 대해 수직으로 수집하였다. 여기 강도는 중립 밀도 필터 세트를 사용하여 제어되었다.For laser actuation, pulsed excitation light from a nitrogen gas laser (SRS, NL-100) was focused through a lens and a slit to an area of 6 X 10 -3 cm 2 of the device. The excitation wavelength was 337 nm, the pulse width was 3.5 ns, and the repetition rate was 20 Hz. The excitation light was incident on the device at about 20 degrees perpendicular to the plane of the device. The emitted light was collected perpendicular to the device surface using an optical fiber 6 cm away from the device connected to a multichannel spectrometer (PMA-50, Hamamatsu Photonics). Excitation intensity was controlled using a set of neutral density filters.

OLED의 제조 및 특성화Fabrication and Characterization of OLEDs

OLED는 미리 세정된 ITO 유리 기판 위에 유기층 및 음극을 증착시킴으로써 제조되었다. 이 연구에서 제조된 OLED의 구조는 다음과 같다: ITO (100 nm)/PEDOT:PSS (45 nm)/EML (~ 40 nm)/PPT (10 nm)/TPBi (55 nm)/LiF (1 nm)/Al (100 nm). 발광층 (EML)은 옥타플루오렌 니트막 또는 옥타플루오렌:CBP 블렌드에 해당하는 것이다. PEDOT:PSS 층을 ITO 위에 스핀 코팅하고 130℃에서 30 분 동안 어닐링시켰다. 옥타플루오렌 니트막 및 블렌드 막을 글로브 박스 환경에서 PEDOT:PSS 층 상부에 클로로포름 용액으로부터 스핀 코팅하였다. EML 층의 두께는 전형적으로 약 40 nm였다. 그 다음, 열 증착에 의해 10 nm 두께의 PPT 층과 40 nm 두께의 TPBi 층이 증착되었다. 마지막으로, 얇은 LiF 층과 100 nm 두께의 Al 층으로 만들어진 음극이 새도우 마스크를 통한 열 증착에 의해 마련되었다. 장치의 활성 면적은 4 mm2이었다. 특성화하기 전에 산소 및 수분과 관련된 열화 영향을 방지하기 위해 장치를 질소 기층 안에서 캡슐화하였다.OLEDs were fabricated by depositing an organic layer and a cathode on a pre-cleaned ITO glass substrate. The structures of the OLEDs fabricated in this study were as follows: ITO (100 nm)/PEDOT:PSS (45 nm)/EML (~ 40 nm)/PPT (10 nm)/TPBi (55 nm)/LiF (1 nm) )/Al (100 nm). The light emitting layer (EML) corresponds to an octafluorene neat film or an octafluorene:CBP blend. A PEDOT:PSS layer was spin coated onto ITO and annealed at 130° C. for 30 min. Octafluorene neat membranes and blend membranes were spin coated from chloroform solution on top of the PEDOT:PSS layer in a glove box environment. The thickness of the EML layer was typically about 40 nm. Then, a 10 nm thick PPT layer and a 40 nm thick TPBi layer were deposited by thermal evaporation. Finally, a cathode made of a thin LiF layer and a 100 nm thick Al layer was prepared by thermal evaporation through a shadow mask. The active area of the device was 4 mm 2 . Prior to characterization, the device was encapsulated in a nitrogen gas layer to prevent oxygen and moisture related degradation effects.

직류 구동 하에서의 전류-밀도-전압-휘도 (J-V-L) 특성은 소스 미터 (Keithley 2400, Keithley Instruments Inc.) 및 절대 외부 양자효율 측정 시스템 (C9920-12, Hamamatsu Photonics)을 사용하여 측정되었다. EL 스펙트럼은 분광계 (PMA-12, Hamamatsu Photonics)에 연결된 광섬유를 사용하여 측정되었다.Current-density-voltage-luminance ( JVL ) characteristics under DC driving were measured using a source meter (Keithley 2400, Keithley Instruments Inc.) and an absolute external quantum efficiency measurement system (C9920-12, Hamamatsu Photonics). EL spectra were measured using an optical fiber connected to a spectrometer (PMA-12, Hamamatsu Photonics).

[1] R. Anemian, J.C. Mulatier, C. Andraud, O. Stephan, J.C. Vial, Chem. Comm. 1608 (2002).[1] R. Anemian, J. C. Mulatier, C. Andraud, O. Stephan, J. C. Vial, Chem. Comm. 1608 (2002).

[7] 연속파 자연증폭방출 (ASE) 실험[7] Continuous Wave Natural Amplified Emission (ASE) Experiment

연속파 자연증폭방출 (ASE) 실험은 비스플루오렌 코어드 덴드리머 및 옥타플루오렌 스핀 코팅 니트막에서 수행되었다. 막은 미리 세정된 평면 용융 실리카 기판 위에 증착되었고 캡슐화되지 않았다. 막 두께는 약 250 nm이었다.Continuous wave spontaneously amplified emission (ASE) experiments were performed on bisfluorene cored dendrimers and octafluorene spin-coated knit films. The film was deposited on a pre-cleaned planar fused silica substrate and was not encapsulated. The film thickness was about 250 nm.

연속파 ASE 특성을 연구하기 위해 막을 연속파 레이저 다이오드로 355 nm에서 광학적으로 펌핑하였다. 펄스 발생기 (WF 1974, NF Co.)로 작동되는 음향-광 변조기 (AOM, Gooch & Housego)를 사용하여 서로 다른 폭을 가지는 펄스를 전달하였다. 방출 광은 디지털 카메라 (C9300, Hamamatsu Photonics)와 연결된 100 ps의 시간 해상도를 가진 스트리크 스코프 (C7700, Hamamatsu Photonics)를 사용하여 막 가장자리에서 수집되었다. 방출 강도는 광전자증배관 (PMT) (C9525-02, Hamamatsu Photonics)을 사용하여 기록하였다. PMT 응답과 구동 구형파 신호는 둘 다 다중채널 오실로스코프 (Agilent Technologies, MSO6104A)에서 모니터되었다.To study the continuous wave ASE properties, the film was optically pumped at 355 nm with a continuous wave laser diode. An acoustic-optical modulator (AOM, Gooch & Housego) operated as a pulse generator (WF 1974, NF Co.) was used to transmit pulses with different widths. Emission light was collected at the membrane edge using a streak scope (C7700, Hamamatsu Photonics) with a temporal resolution of 100 ps coupled with a digital camera (C9300, Hamamatsu Photonics). Emission intensity was recorded using a photomultiplier tube (PMT) (C9525-02, Hamamatsu Photonics). Both the PMT response and the driven square wave signal were monitored on a multichannel oscilloscope (Agilent Technologies, MSO6104A).

두 재료 모두에서, 스트리크 카메라 영상 및 다양한 펌핑 강도에서의 방출 스펙트럼은 임계 이상의 선명한 선 협소화 효과를 보이고 있으며 유도 방출로 인한 것이며 ASE에 할당될 수 있다. ASE 임계는 서로 다른 펄스 폭에 대한 출력 강도 대 여기 강도 곡선으로부터 측정되었다. 결과는 100 μs에서 5 ms까지 변화하는 펄스 폭에 대해 ASE 임계가 거의 변하지 않았다는 것을 보여준다. 또한, 이들 ASE 임계값은 펄스 질소 레이저 (펄스 폭 800 ps 및 반복률 10 Hz)를 사용하여 이들 재료에서 측정된 것들과 일치한다는 것을 알 수 있다. 옥타플루오렌 및 비스플루오렌 코어드 덴드리머 모두에서 연속파 레이저 동작을 얻을 수 있다는 가능성은 삼중항 손실이 무시될 수 있다는 것을 의미하는 것이다. 이것은 두 재료 모두 매우 높은 포토루미네선스 양자수율 (PLQY) (비스플루오렌 코어드 덴드리머에서 92%의 PLQY 및 옥타플루오렌 니트막에서 82%의 PLQY)을 나타낸다는 사실과 일치하는 것이다. 또한 일시적 흡수 측정을 옥타플루오렌 및 비스플루오렌 코어드 덴드리머 용액에서 수행하여 삼중항-삼중항 흡수 스펙트럼을 조사하였다. ASE와 삼중항 흡수 스펙트럼 사이에 중첩이 없음을 알 수 있으며 삼중항 흡수가 두 재료에서 연속파 레이저 동작에 어떠한 불리한 역할도 하지 않는다는 명백한 증거를 제공한다.In both materials, streak camera images and emission spectra at various pumping intensities show a sharp above-threshold narrowing effect and are due to stimulated emission and can be assigned to an ASE. The ASE threshold was measured from output intensity versus excitation intensity curves for different pulse widths. The results show that the ASE threshold hardly changed for pulse widths varying from 100 μs to 5 ms. It can also be seen that these ASE thresholds are consistent with those measured in these materials using a pulsed nitrogen laser (pulse width 800 ps and repetition rate 10 Hz). The possibility of obtaining continuous wave laser operation in both octafluorene and bisfluorene cored dendrimers means that the triplet loss is negligible. This is consistent with the fact that both materials exhibit very high photoluminescence quantum yields (PLQY) (92% PLQY for bisfluorene cored dendrimers and 82% PLQY for octafluorene neat films). In addition, transient absorption measurements were performed in octafluorene and bisfluorene cored dendrimer solutions to investigate triplet-triplet absorption spectra. It can be seen that there is no overlap between the ASE and triplet absorption spectra, providing clear evidence that triplet absorption does not play any detrimental role in the continuous wave laser operation in both materials.

Claims (38)

분산형 피드백 그레이팅 구조 위에 유기층을 가지는 레이저로서,
유기층이 유기 게인 매체를 포함하고,
분산형 피드백 그레이팅 구조는, 투명 전도성 층의 표면 상에 형성된 절연성 재료로 구성되는, 레이저.
A laser having an organic layer over a distributed feedback grating structure, the laser comprising:
the organic layer comprises an organic gain medium;
The laser dispersive feedback grating structure is comprised of an insulating material formed on the surface of the transparent conductive layer.
제1항에 있어서, 분산형 피드백 그레이팅 구조는 2차 브래그 산란 영역이 1차 산란 영역에 의해 둘러싸인 혼합차수 분산형 피드백 그레이팅 구조인, 레이저.The laser according to claim 1, wherein the distributed feedback grating structure is a mixed-order distributed feedback grating structure in which a secondary Bragg scattering region is surrounded by a primary scattering region. 제1항에 있어서, 분산형 피드백 그레이팅 구조는 2차 브래그 산란 영역 및 1차 산란 영역이 교대로 형성된 혼합차수 분산형 피드백 그레이팅 구조인, 레이저.The laser according to claim 1, wherein the distributed feedback grating structure is a mixed-order distributed feedback grating structure in which secondary Bragg scattering regions and primary scattering regions are alternately formed. 제1항에 있어서, 투명 전도성 층은 ITO 로 구성되는, 레이저.The laser of claim 1 , wherein the transparent conductive layer consists of ITO. 제1항에 있어서, 여기 상태 흡수와 레이저 동작 방출간에 실질적인 스펙트럼 중첩이 없는, 레이저.The laser of claim 1 , wherein there is no substantial spectral overlap between excited state absorption and laser action emission. 제1항에 있어서, 유도 방출 단면 (σem)은 삼중항 여기 상태 단면 (σTT)보다 100 배 이상, 또는 400 배 이상, 또는 700 배 이상 큰, 레이저.The laser of claim 1 , wherein the stimulated emission cross section (σ em ) is at least 100 times greater, or at least 400 times larger, or at least 700 times larger than the triplet excited state cross section (σ TT ). 제1항에 있어서, 유기층이 호스트 재료 및 적어도 하나의 도펀트를 포함하는, 레이저.The laser of claim 1 , wherein the organic layer comprises a host material and at least one dopant. 제1항에 있어서, 유기 게인층이 4,4'-비스[(N-카르바졸)스티릴]비페닐 (BSBCz)을 포함하는, 레이저.The laser of claim 1 , wherein the organic gain layer comprises 4,4′-bis[( N -carbazole)styryl]biphenyl (BSBCz). 제8항에 있어서, 유기 게인층이 4,4'-비스[(N-카르바졸)스티릴]비페닐 (BSBCz) 및 4,4'-비스(N-카르바졸일)-1,1'-비페닐 (CBP)을 포함하는, 레이저.9. The method of claim 8, wherein the organic gain layer is 4,4'-bis[( N -carbazole)styryl]biphenyl (BSBCz) and 4,4'-bis( N -carbazolyl)-1,1' -Laser containing biphenyl (CBP). 제1항에 있어서, 유기 게인 층이 헵타플루오렌, 옥타플루오렌 및 비스플루오렌 코어드 덴드리머와 같은 적어도 두 가지 플루오렌 구조를 가지는 화합물을 포함하는, 레이저.The laser of claim 1 , wherein the organic gain layer comprises a compound having at least two fluorene structures, such as heptafluorene, octafluorene and bisfluorene cored dendrimers. 제1항에 있어서, 유기층이 직접 또는 간접적으로 사파이어 또는 실리콘으로 덮여 있는, 레이저.The laser according to claim 1, wherein the organic layer is directly or indirectly covered with sapphire or silicon. 제1항에 있어서, 유기층이 직접 또는 간접적으로 플루오르중합체로 덮여 있는, 레이저.The laser according to claim 1 , wherein the organic layer is directly or indirectly covered with a fluoropolymer. 제12항에 있어서, 절연성 재료는 분산형 피드백 그레이팅 구조의 밸리들에서 제거되는, 레이저.13. The laser of claim 12, wherein the insulating material is removed in the valleys of the distributed feedback grating structure. 제13항에 있어서, 플루오르중합체로 덮인 유기층이 사파이어로 더 덮여 있는, 레이저.14. The laser of claim 13, wherein the organic layer covered with the fluoropolymer is further covered with sapphire. 제1항에 있어서, 유기층이 100 내지 300 nm의 두께를 가지는, 레이저.The laser according to claim 1 , wherein the organic layer has a thickness of 100 to 300 nm. 제1항에 있어서, 그레이팅 구조가 75 nm 미만의 깊이를 가지는, 레이저.The laser of claim 1 , wherein the grating structure has a depth of less than 75 nm. 제1항에 있어서, 그레이팅 구조가 SiO2로 이루어지는, 레이저.The laser according to claim 1 , wherein the grating structure consists of SiO 2 . 제1항에 있어서, 삼중항 ??처가 없는, 레이저.The laser of claim 1 , wherein there is no triplet occupancy. 제1항에 있어서, 연속파 레이저인, 레이저.The laser of claim 1 , which is a continuous wave laser. 제1항에 있어서, 준 연속파 레이저인, 레이저.The laser of claim 1 , which is a quasi-continuous wave laser. 제1항에 있어서, 전기적으로 구동되는 반도체 레이저 다이오드인, 레이저.The laser of claim 1 , which is an electrically driven semiconductor laser diode. 제1항에 있어서, 유기 게인 매체는 비중합체 게인 매체인, 레이저.The laser of claim 1 , wherein the organic gain medium is a non-polymeric gain medium. 2개의 전극들, 유기 광학 게인 층 및 광학 공진기 구조를 포함하는 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저로서,
유기 광학 게인 층 및 광학 공진기 구조는 2개의 전극들 사이에 형성되고,
광학 공진기는 그레이팅 구조를 갖는, 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저.
An electrically driven organic semiconductor laser comprising two electrodes, an organic optical gain layer and an optical resonator structure, comprising:
An organic optical gain layer and an optical resonator structure are formed between the two electrodes,
The optical resonator is an electrically driven organic semiconductor laser having a grating structure.
제23항에 있어서, 2개의 전극들 중 적어도 하나는 투명성인, 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저.24. The organic semiconductor laser of claim 23, wherein at least one of the two electrodes is transparent. 제23항에 있어서, 광학 공진기 구조는 분산형 피드백 구조로 구성되는, 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저.24. The organic semiconductor laser of claim 23, wherein the optical resonator structure is comprised of a distributed feedback structure. 제25항에 있어서, 분산형 피드백 구조는 절연성 재료로 구성되고 투명 전극 상에 형성되는, 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저.26. The organic semiconductor laser of claim 25, wherein the distributed feedback structure is made of an insulating material and formed on a transparent electrode. 제26항에 있어서, 절연성 재료는 분산형 피드백 그레이팅 구조의 밸리들에서 제거되는, 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저.27. The organic semiconductor laser of claim 26, wherein the insulating material is removed in the valleys of the distributed feedback grating structure. 제23항에 있어서, 광학 공진기 구조는 1차 브래그 산란 영역에 의해 둘러싸인 2차 브래그 산란 영역으로 구성되는, 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저.24. The organic semiconductor laser of claim 23, wherein the optical resonator structure consists of a secondary Bragg scattering region surrounded by a primary Bragg scattering region. 제23항에 있어서, 유기 광학 게인 층 이외에 유기 층은 갖지 않는, 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저.24. The electrically driven organic semiconductor laser of claim 23, having no organic layer other than the organic optical gain layer. 제23항에 있어서, 유기 광학 게인 층은 비중합체 게인 매체를 포함하는, 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저.24. The organic semiconductor laser of claim 23, wherein the organic optical gain layer comprises a non-polymeric gain medium. 제23항에 있어서, 유기 광학 게인 층은 적어도 하나의 스틸벤 단위체를 갖는 유기 화합물을 포함하는, 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저.24. The organic semiconductor laser of claim 23, wherein the organic optical gain layer comprises an organic compound having at least one stilbene unit. 제23항에 있어서, 유기 광학 게인 층은 적어도 하나의 플루오렌 단위체를 갖는 유기 화합물을 포함하는, 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저.24. The organic semiconductor laser of claim 23, wherein the organic optical gain layer comprises an organic compound having at least one fluorene unit. 제23항에 있어서, 에지 방출형 (edge emission type) 인, 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저.24. An electrically driven organic semiconductor laser according to claim 23, which is of the edge emission type. 제23항에 있어서, 전하들이 유기 광학 게인 층에 주입되고 엑시톤들이 발생하고 피드백이 유기 광학 게인 층에 제공되는, 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저.24. The organic semiconductor laser of claim 23, wherein charges are injected into the organic optical gain layer and excitons are generated and feedback is provided to the organic optical gain layer. 제 1 항에 있어서,
상기 분산형 피드백 그레이팅 구조가 곡선 구조를 가지는, 레이저.
The method of claim 1,
wherein the distributed feedback grating structure has a curved structure.
제 25 항에 있어서,
상기 분산형 피드백 구조가 곡선 구조를 가지는, 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저.
26. The method of claim 25,
wherein the distributed feedback structure has a curved structure.
제 1 항에 있어서,
상기 분산형 피드백 그레이팅 구조가 환형 구조를 가지는, 레이저.
The method of claim 1,
wherein the distributed feedback grating structure has an annular structure.
제 25 항에 있어서,
상기 분산형 피드백 구조가 환형 구조를 가지는, 전기적으로 구동되는 유기 반도체 레이저.
26. The method of claim 25,
wherein the distributed feedback structure has an annular structure.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030209972A1 (en) * 2002-05-10 2003-11-13 Holmes Russell James Delmar Organic light emitting devices based on the formation of an electron-hole plasma
WO2007029718A1 (en) * 2005-09-06 2007-03-15 Japan Science And Technology Agency Solid-state organic dye laser
WO2012115218A1 (en) * 2011-02-25 2012-08-30 国立大学法人広島大学 Method for producing dianthra[2,3-b:2',3'-f]thieno[3,2-b]thiophene, and use thereof

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11195838A (en) * 1997-11-07 1999-07-21 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Distribution feedback type of semiconductor laser
KR20010024923A (en) * 1998-12-17 2001-03-26 야스카와 히데아키 Light-emitting device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030209972A1 (en) * 2002-05-10 2003-11-13 Holmes Russell James Delmar Organic light emitting devices based on the formation of an electron-hole plasma
WO2007029718A1 (en) * 2005-09-06 2007-03-15 Japan Science And Technology Agency Solid-state organic dye laser
WO2012115218A1 (en) * 2011-02-25 2012-08-30 国立大学法人広島大学 Method for producing dianthra[2,3-b:2',3'-f]thieno[3,2-b]thiophene, and use thereof

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