WO2017001720A1 - OLIGO(p-FENILENVINILENOS) CON PUENTE DE CARBONO COMO COLORANTES PARA LÁSER PARA LÁSERES ORGÁNICOS DE ESTADO SÓLIDO - Google Patents

OLIGO(p-FENILENVINILENOS) CON PUENTE DE CARBONO COMO COLORANTES PARA LÁSER PARA LÁSERES ORGÁNICOS DE ESTADO SÓLIDO Download PDF

Info

Publication number
WO2017001720A1
WO2017001720A1 PCT/ES2016/070493 ES2016070493W WO2017001720A1 WO 2017001720 A1 WO2017001720 A1 WO 2017001720A1 ES 2016070493 W ES2016070493 W ES 2016070493W WO 2017001720 A1 WO2017001720 A1 WO 2017001720A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
copvn
laser device
film
laser
ase
Prior art date
Application number
PCT/ES2016/070493
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eiichi Nakamura
Hayato Tsuji
María Ángeles DIAZ GARCÍA
Marta Morales Vidal
Pedro BOJ GIMÉNEZ
José Moisés Villalvilla Soria
José Antonio QUINTANA ARÉVALO
Original Assignee
Universidad De Alicante
University Of Tokyo
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universidad De Alicante, University Of Tokyo filed Critical Universidad De Alicante
Publication of WO2017001720A1 publication Critical patent/WO2017001720A1/es

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G61/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G61/02—Macromolecular compounds containing only carbon atoms in the main chain of the macromolecule, e.g. polyxylylenes
    • C08G61/10—Macromolecular compounds containing only carbon atoms in the main chain of the macromolecule, e.g. polyxylylenes only aromatic carbon atoms, e.g. polyphenylenes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/06—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing organic luminescent materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium

Definitions

  • the present patent application refers to a laser device comprising Q ⁇ go (p ⁇ phenylenevinyne) with carbon bridge (COPV) as active laser compound.
  • Q ⁇ go p ⁇ phenylenevinyne
  • COV carbon bridge
  • Organic lasers have received great attention for several decades, being the ability to tune the emission wavelength within the visible range, its most interesting property with respect to other types of lasers.
  • commercial liquid laser lasers are available, with the active material consisting of a liquid solution containing a laser dye, and are often used in spectroscopy, photochemistry, ophthalmic, non-destructive tests and medicine. Due to important limitations of these devices, this m ⁇ large size, need for high power pumping sources, handling difficulties due to the need to recirculate the liquid solution to avoid photodegradation of the dye, etc., the researchers have pursued for years the development of compact and easy-to-handle solid-state organic lasers (OSL) (Chisseis, S. & Forget, S.
  • OSL compact and easy-to-handle solid-state organic lasers
  • REPLACEMENT SHEET (RULE 26)
  • the one based on the diffraction grating, which forms the so-called distributed feedback laser (DFB) is particularly attractive as one of the embodiments of the state of the art for materials Laser active.
  • Another embodiment would be of the field carrier injection type, wherein the active laser material would be excited by an electric field, similar to organic light emitting diodes or light emitting field effect transistors. Because this type of laser requires a lot of optimization, it would be the systems of the near future, from now on we will focus on the optically pumped DFB laser.
  • the resonator can be easily integrated into other devices; It can be mechanically flexible; It has a potentially low production cost; and can be easily integrated with the geometry of field effect transistors, promising for the development of electrically pumped OSLs.
  • the optical feedback is provided by a relief grid included in the structure of the device in one of the following configurations: (i) grid on a substrate, on which the active film is coated; (ii) active film, with the grid on the upper surface, deposited on a substrate; (iii) grid on a top layer deposited on the active film, which is placed on a substrate.
  • the manufacturing of the grid is achieved by techniques such as electron beam lithography, holographic lithography (HL), nanorelay transfer or nanoprinting lithography (NIL), the latter showing the highest potential for mass production scalable manufacturing.
  • organic semiconductors - mainly polymers, such as polyphenylenevinylenes (PPV) or polyfluorenes (PF) (D ⁇ az-Garc ⁇ a, MA et al. Conjugated Polymers as Materials for Solid State Laser US Patent No.
  • PPV polyphenylenevinylenes
  • PF polyfluorenes
  • this material is not processable in solution (thin films are prepared by thermal sublimation), so that it lacks a relevant property for applications, that is, the cost of the device, in addition to the limited wavelength range of emission, restricted to the red part of the spectrum.
  • the matrix for type (ii) materials being thermoplastics, such as polystyrene (PS) or polymethylmethacrylate (PMMA), the most convenient since they can be prepared as good quality waveguides and also because they can be easily printed by NIL in such a way that they include the DFB resonators themselves.
  • OSL devices that use PM and PDI dyes, dispersed in PS or PMMA, show operational life times as long as 10 5 pp, while their thresholds are frequently high, typically 10-100 kW / cm 2 and at least 3 kW / cm 2 Ram ⁇ rez, MG et al. Improved performance of perylenediimide-based lasers. J. Mater. Chem. C. 1, 1 182-1 191 (2013).). It is due to the high dissolution in the matrix that it is necessary to avoid annihilation of the excited state in aggregation. An important limitation of conventional dyes is that entirely different chemical structures are required to cover a wide range of emission wavelengths.
  • the present invention solves the problems described above, since it refers to an OSL laser comprising a solid body containing COPV as active material.
  • COPVs are new organic dyes with which the aforementioned impediments are notably eliminated, making them unique in many ways among known organic laser systems: (i) a robust carbon-only skeleton is available here in a homologous series made of units repetitive, which gives them a high emission quantum efficiency close to the unit over the wide range of visible light region (near 380-590 nm), as well as high stability against light irradiation and carrier injection , (ii) a flat and rigid ⁇ system with tensioned octene bicyclo [3.3.0] substructure, can be excited with low photoexcitation energy, and (iii) substituents on bridge carbon atoms and peripositions are available, which allows equipping them with miscibility and dispersibility in matrices.
  • laser device of the present invention refers to a laser device (hereinafter, laser device of the present invention) comprising a solid body characterized in that the solid body contains oligo (p -phenylene vinyl) with carbon bridge, COPVn, where n is between 1-18, preferably, n is between 1-6.
  • COPVn refers to polymers, oligomers, homopolymers, homooligomers and mixed polymers and mixed oligomers ( Figure 1).
  • COPVn comprises the general formula (I):
  • n is between 1-18 and where R 1 -R 12 are the same or different and are independently selected from groups H, alkyl, alkenyl, alkynyl, allyl, aryl, heteroaryl, hydroxy, alkoxy, amino, min, Carbonyl, cyano, nitro, nitrous, or azo with its structure either linear, branched or cyclic or polycyclic and can form cyclic or polycyclic structures that connect with each other from more than one of the positions.
  • R 1 - R 12 include heteroatomic groups with the group of 13-17 elements with any possible state of valence, which possesses any linear, branched or cyclic carbon, hydrogen or any other heteroatomic functional group.
  • R 1 -R 12 also includes any stable isotope, such as deuterium, 10 B, 13 C, and 18 0.
  • the COPVn is placed on a substrate.
  • the COPVn is dispersed in a matrix, wherein the matrix is a matrix of organic material or inorganic material or mixtures thereof.
  • the matrix is a thermoplastic polymer matrix.
  • the solid body is a film.
  • the film is placed on a substrate.
  • the substrate is glass, molten silica, Si0 2 or a polymeric film.
  • the COPVn is dispersed in a thermoplastic polymer at a doping rate between 0.5-100% by weight of COPVn.
  • the COPVn film in a thermoplastic polymer having a thickness between 0.01-500 ⁇ .
  • the laser device of the invention comprises an additional layer of a photoresist.
  • the laser device of the present invention comprises a relief grid.
  • the relief grid is printed on the upper part of the substrate layer, or on the upper part of the additional layer of a photoresist material or on top of the film containing COPVn.
  • the relief grid is selected from dichromated gelatin (DCG), or dichromated polyvinyl alcohol (DCPVA) photoresist polymer.
  • the laser device of the present invention is a distributed feedback laser (DFB).
  • DFB distributed feedback laser
  • Another object of the invention relates to a DFB laser comprising a film of organic material placed on a substrate layer with a relief grid, characterized in that the organic material contains COPVn where n is comprised between 1 to 18.
  • Another object of the invention relates to the use of COPVn for laser applications.
  • Another object of the invention relates to a process for manufacturing the laser device of the present invention (hereinafter, process of the present invention), which comprises the following steps:
  • step b) deposition of the film containing COPVn of step a) on the substrate layer.
  • the process of the present invention comprises an additional step before step a) consisting of the dispersion of the COPVn compound in a matrix.
  • the COPVn is dispersed in PS.
  • the substrate layer is glass, silica or molten silica.
  • the COPVn film or the COPVn dispersed in PS is deposited by rotation coating on the substrate layer.
  • the process of the present invention comprises an additional step consisting of the deposition of an additional layer of photoresist material on the surface of the substrate layer or on the surface of the film containing COPVn.
  • the process of the present invention comprises an additional step consisting of engraving a relief grid on the surface of the layer of substrate, or on top of the additional layer of a photoresist material or on top of the film containing COPVn.
  • the relief grid is etched onto the surface of the layer using holographic lithography or thermal nanoprinting lithography.
  • COPV1 to COPV6 c) shows the chemical structure of COPV1-IPR and COV2-IPR; d) shows the chemical structure of poly-COPV1
  • Figure 2 shows diagrams of the different types of geometries of the DFB device of the present invention: (I) grid on Si0 2 substrates, molten silica or glass and active film thereon; (II) grid on photoresist layer deposited on the active film; (III) grid on photoresist layer deposited on molten silica, and active film on top of it; (IV) grid on active film manufactured by thermal NIL.
  • Figure 3 is a schematic diagram of an apparatus capable of testing the presence of ASE emission from a waveguide film containing COPVn.
  • the device includes the following elements: (1) Laser Nd: YAG pressed; (2) Raman displacer; (3) Prism; (4) Inverted Galilei; (5) Neutral density filters; (6) Cylindrical lenses; (7) Opening; (8) Sample; (9) Fiber optic; (10) Spectrometer; (1 1) Computer; b) refers to an expanding vision of elements 7 and 8; c) shows the geometry used to excite a DFB device of the present invention and to collect the emitted laser light.
  • FIG. 4 shows the emission line width, defined as the full width at half the maximum, FWHM (open squares, right axis) as a function of pump intensity, / b0 mba, for a PS film containing 5.0% by weight of COPV2.
  • Figure 6 shows the intensity of ASE versus time, t, and versus the number of pump pulses, pp (lower and upper axes, respectively), for a PS film containing 2% by weight of COPV6, deposited on a substrate of fused silica clean under conditions of gentle pumping (full line, pump intensity 2 times above the ASE threshold) or strong pumping (dotted line, pump intensity 1000 times above the threshold).
  • Figure 7 shows the half-life of photostability of ASE, r 1/2 ASE (determined from graphs such as that shown in Figure 6 and defined as the time or number of pump pulses at which the intensity of ASE decays at half of its initial value) versus the absorption coefficient at the pumping wavelength, cc [/ lbomba], of films with different concentrations of COPV6 (shown on the upper axis) under mild pumping conditions ( ⁇ ) and Strong pumping (A).
  • Figure 10 shows the quantum yield of PL in film (PLQY) for COPV6 versus "[Abomba] and versus dye concentration (lower and upper axes, respectively) in the PS film.”
  • Figure 12 shows the emission spectra of various DFB lasers based on PS films containing COPV6, with the aim of illustrating the tuning capacity of the emission wavelength for a given COPV derivative, changing the thickness of the active film or the grid period of the device. All device parameters (DFB geometry type, grid period and depth; active film thickness, excitation wavelength, substrate material and / or top layer) are listed in Table 2.
  • Figure 13 shows the DFB spectrum for one of the COPV6-based lasers (device 6 ' "D ) on an expanded scale to illustrate that emission in simple mode.
  • Figure 14 graphed / s ii gives versus / b0 COPV6 mba for various devices. The complete lines are guides for the eye.
  • the DFB threshold (h-DFB) is determined as the / b0 mba in which the slope curve increases dramatically.
  • Figure 15 shows thermogravimetric (TG) and differential thermal (DTA) analysis of COPV6. The decomposition temperature (5% weight loss) was found at 439 ° C.
  • Figure 16 shows the ASE spectrum of a PMMA film containing 3% by weight of COPV4 (full line), compared to the spectrum of a PS movie with the same content of COPV4 (dotted line).
  • Figure 17 shows the absorbance spectra of PS films containing COPV1-IPR or COPV2-IPR, compared to those of films containing COPV1 and COPV2.
  • the dye content in COPV1 and COPV2 films is 3% by weight and the percentages for COPV1-IPR and COPV2-IPR were adjusted to have the same molar concentration.
  • Figure 18 shows the PL spectra (divided by the film thickness) and the ASE spectra of PS films containing COPV1-IPR (a) or COPV2-IPR (b), compared to those of COPV1 and COPV2, respectively.
  • the dye contents in the films are the same as in Figure 17.
  • Figure 19 shows the absorbance spectra (ABS, thick solid line, left axis), photoluminescence and ASE (PL, dotted line and thin solid line, respectively; right axis) for a pure poly-COPV1 film.
  • ABS absorbance spectra
  • PL photoluminescence and ASE
  • PL dotted line and thin solid line, respectively; right axis
  • a thin film consisting of a thermoplastic polymer such as PS or PMMA, in which a COPV derivative has been dispersed (between COPVn, with n 1 to 6, COPV1-IPR and COPV2-IPR), was prepared by coating by rotation on a substrate.
  • the percentage of thermoplastic polymer in the solvent (toluene) was adjusted to control the thickness of the film to between 0.6 and 0.7 ⁇ , for PS, and up to 1.1 ⁇ , for PMMA.
  • COPV was also added to the solution at a percentage, with respect to PS, between 0.5 and 5% by weight (up to 20% by weight for COPV4 and COPV6).
  • the film based on poly-COPV1 ( Figure 1 d) was pure (not diluted in a matrix) and was also prepared by rotation coating using toluene as a solvent. The thickness of the film was determined from the pattern of refringence of the absorption spectrum.
  • Commercially available transparent 1 mm thick fused silica (FS) substrates were used for absorption, photoluminescence (PL) and spontaneous amplified emission (ASE) measurements for all compounds, except for poly-COPV1 polymer, for which glass substrates were used.
  • HS holographic lithography
  • NIL thermal nanoprinting lithography
  • DFB devices may have any of the following geometries (see Figure 2): (I) grid on a substrate of FS or glass or on a layer of Si0 2 of 1 ⁇ thickness that has been formed on silicon by thermal oxidation, manufactured by thermal NIL or HL and subsequent engraving, and active film deposited on it; (II) grid manufactured by HL on a photoresist layer, deposited by coating by rotation from a solution in water on the active film, which has previously been deposited on a clean substrate (FS, glass, Si0 2 , etc.) ; (III) grid manufactured by LH on a photoresist layer, deposited by coating by rotation from a solution in water on an FS substrate, and active film deposited on it; (IV) grid manufactured by thermal NIL on active film deposited on a layer of Si0 2 on silicon.
  • the grid dimensions of the device were 2.5 cm x 2.5 cm and 2 mm x 2 mm for the grids by HL and thermal NIL, respectively.
  • the standard PL spectra were obtained on a Jasco FP-6500 fluorimeter exciting at an angle of 60 ° with respect to the normal of the film. The emission of PL was collected in reflection at an angle of 30 °, in order to avoid the pumping beam.
  • the excitation wavelength was that at which the intensity of PL was maximum in each case (336, 379, 438, 436, 478, 490 nm for films doped with COPV1, 2, 3, 4, 5, and 6, respectively).
  • the quantum yield by photoluminescence of the COPVn film (PLQY) was measured using a Jasco ISF-513 integration sphere mounted on the Jasco FP-6500 fluorimeter.
  • the excitation wavelength for each derivative was the same as that used for PL measurements.
  • the easiest way to test the ability of a given material to be used as an active medium in an OSL based on a waveguide, such as a DFB laser, is to study its ASE properties, when deposited as a film of thin wave guide.
  • the presence of ASE is easily identified by observing the narrowing of the gain of its PL spectrum, as well as a drastic enhancement of its output intensity, when the intensity of the pump reaches a certain value (referred to as the ASE threshold).
  • the pump beam on the sample (elliptical with an axis smaller than 1.1 mm and an area of 1.0 mm 2 ) was incident at ⁇ 20 ° with respect to the normal plane of the film ( Figure 3c) .
  • This small deviation from the normal incidence was chosen to facilitate the collection of light, by means of a 0.13 nm resolution fiber spectrometer, in a direction perpendicular to the surface of the sample.
  • the pump size value was chosen so that it was large enough to ensure that the threshold parameter of the laser obtained expressed in units of power or energy density is a useful parameter for comparison purposes.
  • the complete system used for the characterization of DFB is similar to that used to test ASE (shown in Figure 3a), except for the replacement of the cylindrical lens with a spherical lens, in addition to the excitation and collection geometry.
  • the term "pump intensity” used throughout the description refers to the "incident pump intensity”.
  • ⁇ bomb was: 355 nm for COPV1, COPV2, COPV1-IPR and COPV2-IPR; 532 nm for COPV5 and COPV6; and 436 nm (provided by a Raman cell pumped with the 532 nm line of the Nd: YAG laser) for COPV3, COPV4 and poly-COPV1.
  • ASE threshold / « T ASE
  • the numerical value of TH -ASE for a given film was determined from the graph of its emission line width (defined as the full intensity defined as the total width at half of the maximum intensity, FWHM) versus the pumping intensity (pump), as well as the value / b0 mba at which FWHM drops to half its maximum value.
  • a prominent property of COPVn is the high efficiency in film PL, as well as an exceptionally high stability of multipolarones (up to four-pole) for COPVn with n> 3.
  • the conjugation is efficient enough to delocalize the charges on the two terminals (see Figure 1 b) and therefore, to stabilize multipolarones.
  • Stability can also be ascribed to the spherical protection of the ⁇ system against intermolecular interactions by means of p-octylphenyl groups. illustrated at the top of Figure 1 b for COPV1.
  • These aryl groups are responsible for the high solubility of COPVn in organic solvents - an unusual property among such highly conjugated flat ⁇ systems.
  • COPV3-5 are similarly highly photostable in PS films (r 1/2 ASE ⁇ 10 5 pp under SP, Figure 8) under air at room temperature, while r 1/2 ASE gradually decreases from COPV6 to COPV3.
  • photostability decreases significantly for COPV1 and COPV2, probably due to its high energy of photoexcited state.
  • COPV1 decomposes too quickly under mild pumping conditions to be studied for its half-life.
  • the high photostabilities of COPV3-6 reflect the robustness of its excited states - a property that probably originates from spherical protection and effective ⁇ conjugation, as demonstrated by Raman spectroscopy of neutral and cationic COPVs.
  • Experiments carried out under a nitrogen atmosphere for COPV1 -2 and COPV6 showed that their half-lives are increased twice, suggesting that the degradation process involves air oxidation.
  • the correlation between ⁇ ⁇ ⁇ pump] and h-ASE provides additional support for the difference between COPV1 -2 and COPV3 -6 (see Table 1 for physical, optical and ASE parameters). It is observed that the data for each of the compounds show an inverse correlation between cc [L b omba] and h-ASE, and all data except for highly doped COPV1 -2 and COPV4 and COPV6 (this, greater than cc [L b omba]) are aligned on the same slope.
  • Table 1 Optical and ASE parameters of COPVn dispersed in inert thermoplastic polymer films, deposited on molten silica.
  • ERROR ⁇ 0.1% by weight; b PS: polystyrene, PMMA: polymethylmethacrylate; ° thick film (error -5%); d Quantum photoluminescence performance (errors for COPV6 films in Figure 10); pumping wavelength; Absorption coefficient at the pumping wavelength (errors in Figure 9); G ASE wavelength (the error is +0.5 nm); h ASE threshold (errors in figure 9, estimated from measurements on several nominally identical samples); ASE photostability average life low ⁇ (2), except those with * for which 200 kW / cm 2 , at 10 Hz pumping (error ⁇ 10%, estimated as in [g]); j same as [h], but a / b0 mba 2.5x10 3 kW / cm 2 ; k ASE line width (the error is +1 nm)
  • the 2 D FB laser generation wavelength was tuned within a spectral range of approximately 20 nm centered on the maximum gain wavelength (/ USE) by changing ⁇ and / or the thickness of the COPV film (h) , see Table 2 and Figure 12.
  • a single mode emission was obtained in all cases with line widths ⁇ 0.13 nm ( Figure 13).
  • Devices based on PS films doped with COPV6 at 8% by weight, emitting near a / USE have demonstrated a TH -DFB as low as 0.7 + 0.1 kW / cm 2 or 70 + 10 nj / pulse - a value that is the lowest among the DFBs reported based on dye-dyed polymeric active materials, and very close to the requirements for the LED pumping (Herrnsdorf, J. et al. Micro-LED pumped polymer laser: a discussion of future pump sources for organic lasers. Photonics Laser Rev.
  • COPVn Another prominent property of COPVn is its high thermal stability.
  • the decomposition temperature of COPV6 is 439 ° C (5% weight loss, see Figure 15), and the PL and ASE properties of a PS film containing COPV6 remain unchanged after heating at 155 ° C for 15 minutes - thermal conditions similar to those used for thermal NIL processing.
  • COPVn far exceed the conjugated polymers of the state of the art (which are also thermally labile) and rival structurally robust PDI derivatives. Therefore, we hope that COPVn will also allow a thermal NIL impression of DFB resonators directly on the active film (type IV device shown in Figure 2), as previously demonstrated for PDs doped with PDI (Ram ⁇ rez, MG et al. Efficient organic distributed feedback lasers with imprinted active films. Opt. Express 19, 22443-22454 (2011).).
  • the threshold for film containing COPV1-IPR is about four times lower than doped with COPV1. This is due to the higher absorption in the pumping intensity, and therefore the PL intensity, in the former. In the case of COPV2-IPR, its threshold is approximately twice as large as that of COPV2, despite the larger film absorption at the peak wavelength, due to its lower absorption at the pumping wavelength . With respect to ASE photostability, it is around 3 times larger for compounds with IPR compared to those without IPRs.
  • the use of COPVn-IPRs for the manufacture of DFB lasers is illustrated by the preparation of the device with COPV2-IPR (see Table 2).
  • the most powerful LEDs available on the market emit at a wavelength of 450 nm, so that this poly-COPV1 compound, and also COPV4, show a great prospect to be pumped with LEDs.
  • the COPVs are optimal hybrids of conjugated polymers and aromatic dyes of small molecules for laser forming action because they amalgamate the best properties of each, made possible by their large molecular framework and rigid flat, all carbon, protected by bulky aryl substituents. Its conjugation length can be precisely tuned by means of a scalable chemical synthesis. Unlike aromatic dyes, COPVs allow you to systematically tune the laser wavelength output over a wide range of visible light. Its conjugated flat core at ⁇ is ideal for a maximum PL threshold and consequently low ASE.
  • the p-octylphenyl substituents which can be changed to a certain number of other groups by synthetic design, provide solubility in common organic solvents, and therefore a processing facility such as thin films by dissolution-based methods. They also provide protection of the ⁇ system and further minimize chemical degradation and self-aggregation, in favor of very long laser operational life times.
  • DFB lasers were shown here to meet the various requirements required for applications - tunable wavelength, operational lifetime, threshold, ease of processing and manufacturing cost. Importantly, there is still room to improve the various laser parameters and for additional technological developments; for example, the use of substructured DFB grids, optimization of excitation geometry, excitation wavelength or polymer matrix could allow improvements even beyond the threshold and operational lifetime.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Thermal Transfer Or Thermal Recording In General (AREA)

Abstract

La presente solicitud de patente se refiere a un dispositivo de láser que comprende oligo(p-fenilenvinileno) con puentes de carbono (COPV) como compuesto orgánico con actividad láser. La presente solicitud de patente se refiere también a un procedimiento para la fabricación del dispositivo láser de la presente invención.

Description

OU«30Ci3- ENÍLENViNf!LENOS} CON PUENTE DE CARBONO CG&iO COLOCANTES LÁSER PARA LÁSERES ORGÁNICOS DE ESTADO SÓLIDO
CAMPO DE LA I VENCIÓN
La presente solicitud de patente se refiere a un dispositivo de láser que comprende QÍígo(p~fenílenvinííeno} con puente de carbono (COPV) como compuesto láser activo.
Estado del Arte
Los láseres orgánicos han recibido una gran atención durante varías décadas, siendo la capacidad de sintonizar ia longitud de onda de emisión dentro del rango visible, su propiedad más interesante con respecto a otros tipos de láseres. Actualmente, están disponibles comercíaiment láseres de colorantes líquidos, con el material activo consistente de una solución líquida que contiene un colorante para láser, y frecuentemente son utilizados en espectroscopia, fotoquímica, fo ofisíca, pruebas no destructivas y medicina. Debido a limitaciones importantes de estos dispositivos, esto m< tamaño grande, necesidad de fuentes de bombeo de alta potencia, dificultades en el manejo debido a la necesidad de recircuíar la solución liquida para evitar la fotodegradación del colorante, etc., los investigadores han perseguido durante años el desarrollo de láseres orgánicos en estado sóíido (OSL) compactos y fáciles de manejar (Chénais, S. & Forget, S. Rece í advances ín solid-state organic lasers. Poiym, M. 61» 390-408 (2012)). Entre ellos, de especia! importancia hacia el logro de ia compactación, flexibilidad mecánica y fácil integración con otros dispositivos, están aquellos en los cuales ei material activo está en la forma de una película de guía de onda delgada de buena calidad óptica (bajas pérdidas por propagación), que conforman ia subclase de OSLs de película delgada. Dentro de esta subclase, aquellos en los cuales ia película activa puede ser preparada por medio de métodos basados en disolución, tales como recubrimiento por rotación, impresión : etc., son preferidos por sus prospectos de reducción de coste del dispositivo y ya han demostrado potencial para aplicaciones dentro del campo de ia espectroscopia, comunicaciones ópticas (Clark, J. & Lanzani, G. Grganie photonícs for Communications, Natu Phoion. 4, 438-446 (2010),} y detección (Heydarí, E. et ai. Label-free biosensor based on an aií-polymer QFB láser, A v. Optica! Mater, 2, 137-141 (2014)).
HOJA DE REEMPLAZO (REGLA 26) Entre las diversas posibles configuraciones para resonador de láser para OSL de película delgada, el basado en la rejilla difractora, que conforma el así denominado láser de realimentación distribuida (DFB), es particularmente atractivo como una de las realizaciones del estado del arte para los materiales activos con láser. Otra realización sería del tipo de inyección de portador de campo, en donde el material para láser activo sería excitado por un campo eléctrico, similar a diodos de emisión de luz orgánicos o transistores de efecto de campo emisores de luz. Debido a que este tipo de láser requiere mucha optimización, serían los sistemas del futuro cercano, de aquí en adelante nos focalizaremos sobre el láser DFB bombeado ópticamente. Por ejemplo, provee emisión en modo sencillo (importante para ciertas aplicaciones); requiere baja energía de bombeo para su operación (permitiendo bombeo con fuentes compactas y baratas); el resonador puede ser integrado fácilmente en otros dispositivos; puede ser flexible mecánicamente; tiene un coste de producción potencialmente bajo; y puede ser integrado fácilmente con la geometría de transistores con efecto de campo, siendo prometedores para el desarrollo de OSLs bombeados eléctricamente. En tal láser DFB la retroalimentación óptica es provista por una rejilla de relieve incluida en la estructura del dispositivo en una de las siguientes configuraciones: (i) rejilla sobre un substrato, sobre la cual se pone como recubrimiento la película activa; (ii) película activa, con la rejilla sobre la superficie superior, depositada sobre un sustrato; (iii) rejilla sobre una capa superior depositada sobre la película activa, la cual está colocada sobre un sustrato. La fabricación de la rejilla es lograda por técnicas tales como litografía de haces de electrones, litografía holográfica (HL), transferencia de nanorejillas o litografía de nanoimpresión (NIL), mostrando esta última el potencial más alto para la fabricación escalable a producción en masa.
Con arquitecturas altamente prometedoras de dispositivo disponibles, el reto principal que permanece para la realización de un OSL de película delgada compacto y barato es el material orgánico activo, el cual debería ser simultáneamente eficiente, estable, sintonizable en longitud de onda, procesable en disolución, y mostrar alta miscibilidad en la matriz. En el presente, no existe un material que combine todas estas propiedades al nivel de rendimiento necesario para las aplicaciones.
Los avances principales en el campo con respecto al material activo han involucrado tres tipos de sistemas: (i) semiconductores orgánicos - principalmente polímeros, tales como polifenilenvinilenos (PPV) o polifluorenos (PF) (Díaz-García, M.A. et al. Conjugated Polymers as Materials for Solid State Láser Patente de los Estados Unidos No. 5881083) - pero también oligómeros, dendrímeros y pequeñas moléculas, en todos los casos preparadas como películas puras (sin dilución en matriz inerte); (ii) colorantes para láser, tales como rodamina, colorantes de dicianometileno (DCMs), pirrometenos (PMs), perilendiimidas (PDIs), etc., dispersados en matrices orgánicas, inorgánicas o híbridas; y (iii) mezclas de materiales activos de las clases (i) y (ii), explotando el concepto de transferencia de energía. El ejemplo arquetípico de esta última clase, para el cual se ha informado de muchas investigaciones, es la combinación de la molécula semiconductora orgánica Alq3 dopada con el colorante para láser DCM. Sin embargo, este material no es procesable en solución (las películas delgadas son preparadas por sublimación térmica), de modo que carece de una propiedad relevante para las aplicaciones, esto es, el coste del dispositivo, además del rango limitado de longitud de onda de emisión, restringido a la parte roja del espectro. Desde ahora, nos focalizaremos solamente en materiales procesables en solución para OSLs de película delgada. Este requerimiento impone también restricciones para la selección de la matriz para materiales tipo (ii), siendo los termoplásticos, tales como el poliestireno (PS) o polimetilmetacrilato (PMMA), los más convenientes puesto que pueden ser preparados como guías de onda de buena calidad y también porque pueden ser impresos fácilmente por NIL de tal manera que incluyan los resonadores DFB en sí mismos.
Muchos materiales procesables en solución de las clases (i) y (ii) han sido empleados ampliamente para fabricar OSLs de película delgada, pero no con éxito suficiente con respecto a todos los aspectos necesarios para las aplicaciones. Los estudios sobre semiconductores orgánicos se han focalizado principalmente en la disminución del umbral del láser, y menos frecuentemente en la mejora de su fotoestabilidad. Por ejemplo, muchos semiconductores orgánicos, colocados como recubrimientos sobre las rejillas DFB, muestran valores de umbral por debajo de 1 kW/cm2, el cual provee un prospecto de bombeo con un láser de bombeo de diodos barato y compacto, o incluso con un diodo emisor de luz (LED). Su carencia de fotoestabilidad suficiente bajo condiciones ambientales y el tiempo de vida operacional resultante corto, sin embargo, necesita generalmente de la protección del dispositivo frente al oxígeno molecular. Por otro lado, los dispositivos OSL que utilizan colorantes PM y PDI, dispersados en PS o PMMA, muestran tiempos de vida operacionales tan largos como 105 pp, mientras que sus umbrales son frecuentemente altos, típicamente 10-100 kW/cm2 y 3 kW/cm2 como mínimo Ramírez, M. G. et al. Improved performance of perylenediimide-based lasers. J. Mater. Chem. C. 1, 1 182-1 191 (2013).). Es debido a la alta disolución en la matriz que es necesario evitar la aniquilación del estado excitado en agregación. Una limitación importante de los colorantes convencionales es que se requieren estructuras químicas enteramente diferentes para cubrir un amplio rango de longitudes de onda de emisión. Por ejemplo, en el caso de los PDIs, aunque hay estrategias para sintonizar sus propiedades de absorción y fotoluminiscencia, hasta la fecha los PDI altamente eficientes y fotoestables para láser emiten en un rango muy restringido (de 580-620 nm). Los colorantes basados en pireno, utilizados como películas puras, satisfacen los criterios de bajo umbral (hasta 38 W/cm2) y alta estabilidad en el aire (> 105 pp), pero la capacidad de sintonización del color varía solamente entre 471 -512 nm (R. Xia et al. Low-Threshold Distributed-Feedback Lasers Based on Pyrene-Cored Starburst Molecules with 1 ,3,6,8- Attached Oligo(9,9-Dialkylfluorene) Arms, Adv. Funct Mater. , 19, 2844-2850 (2009).). Por lo tanto, existe la necesidad de proveer un material para ser usado como material activo en un OSL de película delgada que muestra simultáneamente buen rendimiento en diversos aspectos relevantes, debería ser: (i) suficientemente fotoestable, de manera que se obtenga un largo tiempo de vida de dispositivo operacional de al menos 105 pp; (ii) suficientemente eficiente en la formación de láser de tal manera que muestre un umbral suficientemente bajo (< 0.8 kW/cm2) para permitir el bombeo con una fuente óptica compacta y barata; (iii) capaz de emitir en diversas longitudes de onda a través de la sintonización estructural; (iv) suficientemente soluble en solventes comunes y miscible con matrices que faciliten la posibilidad de fabricación como películas delgadas con buena calidad óptica y mecánica y maximización de la cantidad de carga de colorantes sin agregación. Sin embargo, hay impedimentos para el diseño de tales materiales activos, incluyendo degradación fotoquímica y aniquilación en estado excitado en canales de desactivación intra e intermoleculares radiactivos y/o no radiactivos, los cuales son causadas por fragmentación de enlaces σ y π (típicamente polarizados), rotación del enlace σ y autoagregación. Se carece de un diseño molecular y síntesis que permita una sintonización sistemática de la longitud de onda de emisión, lo cual representa otra limitación fundamental del diseño convencional de materiales para láseres orgánicos.
Breve descripción de la invención La presente invención resuelve los problemas descritos más arriba, puesto que se refiere a un láser OSL que comprende un cuerpo sólido que contiene COPV como material activo.
Los COPVs son nuevos colorantes orgánicos con los cuales se eliminan notablemente los impedimentos antes mencionados, haciéndolos únicos en muchas formas entre los sistemas orgánicos de láser conocidos: (i) se dispone de un esqueleto robusto solo de carbonos aquí en una serie homologa hecha de unidades repetitivas, el cual les da un rendimiento cuántico en emisión alto cercano a la unidad a lo largo del amplio rango de la región de luz visible (cerca de 380-590 nm), así como una alta estabilidad contra la irradiación lumínica e inyección del portador, (ii) un sistema π plano y rígido con subestructura biciclo[3.3.0]octeno tensionada, puede ser excitado con baja energía de fotoexcitación, y (iii) los sustituyentes sobre los átomos de carbono de puente y las periposiciones están disponibles, lo que permite equiparlos con miscibilidad y dispersabilidad en matrices.
Por lo tanto, de acuerdo con un primer objeto de la presente invención, se refiere a un dispositivo para láser (de ahora en adelante, dispositivo para láser de la presente invención) que comprende un cuerpo sólido caracterizado porque el cuerpo sólido contiene oligo(p-fenilenvinileno) con puente de carbono, COPVn, en donde n está comprendido entre 1-18, preferiblemente, n está comprendido entre 1 -6.
En la presente solicitud de patente, COPVn se refiere a polímeros, oligómeros, homopolímeros, homooligómeros y polímeros mixtos y oligómeros mixtos (Figura 1 ).
COPVn comprende la fórmula general (I):
Figure imgf000006_0001
En donde n está comprendido entre 1-18 y en donde R1-R12 son iguales o diferentes y son seleccionados independientemente de grupos H, alquilo, alquenilo, alquinilo, alilo, arilo, heteroarilo, hidroxi, alcoxi, amino, ¡mino, carbonilo, ciano, nitro, nitroso, o azo con su estructura bien sea lineal, ramificada o cíclica o policíclica y puede formar estructuras cíclicas o policíclicas que conectan una con otra desde más de una de las posiciones. R1- R12 incluyen grupos heteroatómicos con el grupo de 13-17 elementos con cualquier posible estado de valencia, que posee cualquier carbono lineal, ramificado o cíclico, hidrógeno o cualquier otro grupo funcional heteroatómico. R1-R12 también incluye cualquier isótopo estable, tal como deuterio, 10B, 13C, y 180.
En otra realización preferida de la invención, el COPVn es puesto sobre un sustrato.
En una realización preferida de la invención, el COPVn es dispersado en una matriz, en donde la matriz es una matriz de material orgánico o material inorgánico o mezclas de los mismos.
En una realización preferida de la invención, la matriz es una matriz de polímero termoplástico.
En una realización preferida de la invención, el cuerpo sólido es una película.
En una realización preferida de la invención, la película es puesta sobre un sustrato.
En una realización preferida de la invención, el sustrato es vidrio, sílica fundida, Si02 o una película polimérica.
En una realización preferida de la invención, el COPVn es dispersado en un polímero termoplástico a una tasa de dopaje comprendida entre 0.5-100% en peso de COPVn.
En una realización preferida de la invención, la película de COPVn en un polímero termoplástico que tiene un espesor comprendido entre 0.01 - 500 μηη.
En una realización preferida adicional, el dispositivo de láser de la invención comprende una capa adicional de un material fotorresistente.
En una realización preferida adicional, el dispositivo de láser de la presente invención comprende una rejilla de relieve.
En una realización preferida de la invención, la rejilla de relieve está impresa sobre la parte superior de la capa de sustrato, o sobre la parte superior de la capa adicional de un material fotorresistente o sobre la parte superior de la película que contiene COPVn. En una realización preferida, la rejilla de relieve es seleccionada de gelatina dicromatada (DCG), o polímero fotorresistente dicromatado de poli(vinil alcohol) (DCPVA).
En una realización adicional preferida, el dispositivo de láser de la presente invención es un láser de retroalimentación distribuida (DFB).
Otro objeto de la invención se refiere a un láser DFB que comprende una película de material orgánico puesta sobre una capa de sustrato con una rejilla de relieve, caracterizado porque el material orgánico contiene COPVn en donde n está comprendido entre 1 a 18.
Otro objeto de la invención se refiere al uso de COPVn para aplicaciones en láser.
Otro objeto de la invención se relaciona con un proceso para la fabricación del dispositivo de láser de la presente invención (de ahora en adelante, proceso de la presente invención), que comprende las siguientes etapas:
a) preparación de la película que contiene COPVn,
b) deposición de la película que contiene COPVn de la etapa a) sobre la capa de sustrato.
En una realización preferida, el proceso de la presente invención comprende una etapa adicional antes de la etapa a) consistente en la dispersión del compuesto COPVn en una matriz.
En una realización preferida, el COPVn es dispersado en PS.
En una realización preferida la capa de sustrato es vidrio, sílica o sílica fundida.
En una realización preferida, la película de COPVn o el COPVn dispersado en PS es depositado por recubrimiento por rotación sobre la capa de sustrato.
En otra realización preferida, el proceso de la presente invención comprende una etapa adicional que consiste de la deposición de una capa adicional de material fotorresistente sobre la superficie de la capa de sustrato o sobre la superficie de la película que contiene COPVn.
En otra realización preferida, el proceso de la presente invención comprende una etapa adicional que consiste en grabar una rejilla de relieve sobre la superficie de la capa de sustrato, o encima de la capa adicional de un material fotorresistente o encima de la película que contiene COPVn.
En una realización preferida de la presente invención la rejilla de relieve es grabada sobre la superficie de la capa utilizando litografía holográfica o litografía de nanoimpresión térmica.
Descripción de las figuras
La Figura 1 , a) provee la estructura química general de COPVn con n= 1-18; b) muestra la estructura química de derivados de COPVn con n= 1 a 6, P^ = R2 = R3 = R7 = R8 = 9 = H, el resto de grupos R son bien sea arilo o fenilo como se muestra. Estos compuestos serán citados en el manuscrito como COPV1 a COPV6; c) muestra la estructura química de COPV1-IPR y COV2-IPR; d) muestra la estructura química de poli-COPV1
La Figura 2 muestra esquemas de los diferentes tipos de geometrías del dispositivo DFB de la presente invención: (I) rejilla sobre sustratos de Si02, sílica fundida o vidrio y película activa sobre la misma; (II) rejilla sobre capa fotorresistente depositada sobre la película activa; (III) rejilla sobre capa fotorresistente depositada sobre sílica fundida, y película activa encima de ella; (IV) rejilla sobre película activa fabricada por NIL térmica.
La Figura 3, a) es un diagrama esquemático de un aparato capaz de probar la presencia de emisión ASE desde una película de guía de onda que contiene COPVn. El aparato incluye los siguientes elementos: (1) Láser Nd:YAG pulsado; (2) Desplazador Raman; (3) Prisma; (4) Galilei Invertido; (5) Filtros de densidad neutra; (6) Lentes cilindricos; (7) Apertura; (8) Muestra; (9) Fibra óptica; (10) Espectrómetro; (1 1) Ordenador; b) se refiere a una visión en expansión de los elementos 7 y 8; c) muestra la geometría utilizada para excitar un dispositivo DFB de la presente invención y para recolectar la luz láser emitida. El sistema completo utilizado para la caracterización de DFB es como el mostrado en a), excepto por el reemplazo del lente cilindrico por un lente esférico, además de la geometría de excitación y recolección. La Figura 4 muestra la anchura de línea de emisión, definida como la anchura completa a la mitad del máximo, FWHM (cuadrados abiertos, eje derecho) como una función de intensidad de la bomba, /b0mba, para una película de PS que contiene 5.0% en peso de COPV2. El umbral ASE, /TH -ASE 6s denominado como el bomba, εη el cual FWHM decae a la mitad de su valor máximo. Los datos de intensidad de salida (/sai¡da) en la longitud de onda a la cual aparece ASE, 464.0 nm en este caso (cuadrados completos, eje izquierdo) versus /b0mba También han sido representados (cuadrados llenos, eje izquierdo) para ilustrar el incremento súbito en pendiente alrededor del umbral .
Las Figuras 5 a) a f) muestran los espectros de absorbancia (ABS, línea sólida gruesa, eje izquierdo), fotoluminiscencia y ASE (PL, línea punteada y línea sólida delgada, respectivamente; eje derecho) para películas PS que contienen un derivado de COPVn, para n = 1 a 6, respectivamente (tasa de dopaje indicada en la leyenda) depositadas sobre sustratos de sílica fundida limpios (sin rejillas); g) muestra espectros de ASE para todos los compuestos para ilustrar cómo la emisión de COPVn barre a través del espectro visible. La Figura 6 muestra la intensidad de ASE versus tiempo, t, y versus el número de pulsos de bomba, pp (ejes inferior y superior, respectivamente), para una película de PS que contiene 2% en peso de COPV6, depositado sobre un sustrato de sílice fundida limpia bajo condiciones de bombeo suave (línea llena, intensidad de bomba 2 veces por encima del umbral ASE) o bombeo fuerte (línea punteada, intensidad de bomba 1000 veces por encima del umbral).
La Figura 7 muestra la vida media de fotoestabilidad de ASE, r1/2 ASE (determinada a partir de gráficas tales como la mostrada en la Figura 6 y definida como el tiempo o número de pulsos de bomba en los cuales la intensidad de ASE decae a la mitad de su valor inicial) versus el coeficiente de absorción en la longitud de onda de bombeo, cc[/lbomba], de películas con diferentes concentraciones de COPV6 (mostradas en el eje superior) bajo condiciones de bombeo suave (■) y de bombeo fuerte (A).
La Figura 8 muestra los valores r1/2 ASE para todos los COPVn, para n = 1 a 6 (las tasas de dopaje en PS son las mismas que en la Figura 5) bajo condiciones de bombeo suave (■) y bombeo fuerte (A). La Figura 9 muestra los umbrales para ASE (determinados como en la Figura 4) para todos los COPVn, para n = 1 a 6, versus «[ bomba]- La línea llena es una guía para el ojo para mostrar la tendencia de comportamiento para COPV3-6. La Figura 10 muestra el rendimiento cuántico de PL en película (PLQY) para COPV6 versus «[Abomba] y versus la concentración de colorante (ejes inferior y superior, respectivamente) en la película PS.
La Figura 11 muestra los espectros de emisión de láseres DFB en los cuales la película activa está hecha de PS y un compuesto COPVn, para n = 1 a 6. Descripción de la etiqueta del dispositivo: el número Arábigo denota n; en el superíndice el número romano denota el tipo de dispositivo DFB de acuerdo con la Figura 2 y la letra mayúscula acompañante se refiere a un dispositivo en particular, cuyos parámetros (periodo y profundidad de rejilla; espesor de película activa, longitud de onda de excitación, material resonador) aparecen en lista en la Tabla 2.
La Figura 12 muestra los espectros de emisión de diversos láseres DFB basados en películas PS que contienen COPV6, con el objetivo de ilustrar la capacidad de sintonización de la longitud de onda de emisión para un derivado de COPV dado, cambiando el espesor de la película activa o el periodo de rejilla del dispositivo. Todos los parámetros del dispositivo (tipo de geometría DFB, periodo y profundidad de rejilla; espesor de película activa, longitud de onda de excitación, material de sustrato y/o capa superior) aparecen en lista en la Tabla 2. La Figura 13 muestra el espectro de DFB para uno de los láseres basados en COPV6 (dispositivo 6'"D) en una escala expandida para ilustrar esa emisión en modo sencillo.
La Figura 14 representa gráficamente /sai¡da versus /b0mba para diversos dispositivos COPV6. Las líneas completas son guías para el ojo. El umbral DFB ( h-DFB) es determinado como el /b0mba en el cual la curva de la pendiente se incrementa drásticamente. La Figura 15 muestra trazos de análisis termogravimétrico (TG) y térmico diferencial (DTA) de COPV6. La temperatura de descomposición (5% de pérdida de peso) fue encontrada a 439° C. La Figura 16 muestra el espectro de ASE de una película de PMMA que contiene 3% en peso de COPV4 (línea llena), en comparación con el espectro de una película PS con el mismo contenido de COPV4 (línea punteada).
La Figura 17 muestra los espectros de absorbancia de películas de PS que contienen COPV1-IPR o COPV2-IPR, en comparación con los de las películas que contienen COPV1 y COPV2. El contenido de colorante en las películas COPV1 y COPV2 es 3% en peso y los porcentajes para COPV1-IPR y COPV2-IPR fueron ajustados para tener la misma concentración molar. La Figura 18 muestra los espectros de PL (divididos por el espesor de película) y los espectros ASE de películas PS que contienen COPV1-IPR (a) o COPV2-IPR (b), en comparación con los de COPV1 y COPV2, respectivamente. Los contenidos de colorante en las películas son los mismos que en la Figura 17. La Figura 19 muestra los espectros de absorbancia (ABS, línea sólida gruesa, eje izquierdo), fotoluminiscencia y ASE (PL, línea punteada y línea sólida delgada, respectivamente; eje derecho) para una película pura de poli-COPV1. También se muestra el espectro de un láser DFB basado en este compuesto. Descripción detallada de la invención
Se sintetizaron los COPVn (Figura 1) a partir de materiales comercialmente disponibles. Un método sintético representativo para COPVn, con n = 1 a 6 (Figura 1 b) ha sido descrito previamente (Zhu, X. et al., Carbon-Bridged Oligo(phenylenevinylene)s: Stable ττ- Systems with High Responsiveness to Doping and Excitation, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134 (46), 19254-19259). Las estructuras de los COPVn junto con su pureza fueron confirmadas por espectroscopia RMN 1H y 13C y espectrometría de masas. Preparación de película delgada y fabricación del resonador de DFB. Una película delgada que consiste de un polímero termoplástico tal como PS o PMMA, en el cual se ha dispersado un derivado de COPV (entre COPVn, con n = 1 a 6, COPV1-IPR y COPV2- IPR), fue preparado por recubrimiento por rotación sobre un sustrato. El porcentaje de polímero termoplástico en el solvente (tolueno) fue ajustado para controlar el espesor de la película hasta entre 0.6 y 0.7 μηη, para PS, y hasta 1.1 μηη, para PMMA. Se agregó también COPV a la solución a un porcentaje, con respecto a PS, entre 0.5 y 5% en peso (hasta 20% en peso para COPV4 y COPV6). La película con base en el poli-COPV1 (Figura 1 d) era pura (no diluida en una matriz) y también fue preparada por recubrimiento por rotación utilizando tolueno como solvente. El espesor de la película fue determinado a partir del patrón de refringencia del espectro de absorción. Se utilizaron sustratos de sílica fundida (FS) comercialmente disponibles transparentes de 1 mm de espesor para las mediciones de absorción, de fotoluminiscencia (PL) y de emisión espontánea amplificada (ASE) para todos los compuestos, excepto para el polímero poli-COPV1 , para el cual se utilizaron sustratos de vidrio. Para la fabricación del resonador de láser de DFB, las rejillas de relieve en superficie son registradas utilizando litografía holográfica (HL) o litografía de nanoimpresión térmica (NIL). Los dispositivos de DFB pueden tener cualquiera de las siguientes geometrías (véase Figura 2): (I) rejilla sobre un sustrato de FS o vidrio o sobre una capa de Si02 de 1 μηη de espesor que se ha formado sobre silicio por oxidación térmica, fabricada por NIL térmica o HL y subsecuente grabado, y película activa depositada sobre ella; (II) rejilla fabricada por HL sobre una capa fotorresistente, depositada por recubrimiento por rotación a partir de una solución en agua sobre la película activa, la cual ha sido previamente depositada sobre un sustrato limpio (FS, vidrio, Si02, etc.); (III) rejilla fabricada por LH sobre una capa fotorresistente, depositada por recubrimiento por rotación a partir de una solución en agua sobre un sustrato de FS, y película activa depositada sobre ella; (IV) rejilla fabricada por NIL térmica sobre película activa depositada sobre una capa de Si02sobre silicio. Las dimensiones de la rejilla del dispositivo fueron 2.5 cm x 2.5 cm y 2 mm x 2 mm para las rejillas por HL y NIL térmica, respectivamente.
Caracterización óptica. Las mediciones de absorción fueron llevadas a cabo en un espectrofotómetro Jasco V- 650. El coeficiente de absorción para una película de espesor (h) a una longitud de onda dada (αλ) fue calculado de acuerdo con αλ = 2.3 Αλ / h, en donde Αλ es la absorbancia. Los espectros PL estándar fueron obtenidos en un fluorímetro Jasco FP-6500 excitando a un ángulo de 60° con respecto a la normal de la película. La emisión de PL fue recolectada en reflexión a un ángulo de 30°, con el fin de evitar el haz de bombeo. La longitud de onda de excitación fue aquella a la cual la intensidad de PL era máxima en cada caso (336, 379, 438, 436, 478, 490 nm para películas dopadas con COPV1 , 2, 3, 4, 5, y 6, respectivamente). El rendimiento cuántico por fotoluminiscencia de la película de COPVn (PLQY) fue medido utilizando una esfera de integración Jasco ISF-513 montada en el fluorímetro Jasco FP-6500. La longitud de onda de excitación para cada derivado fue la misma que la usada para las mediciones de PL.
La manera más sencilla de probar la capacidad de un material dado para ser usado como medio activo en una OSL con base en guía de onda, tal como un láser de DFB, consiste en el estudio de sus propiedades ASE, cuando se deposita como una película de guía de onda delgada. La presencia de ASE es identificada fácilmente por la observación del estrechamiento de la ganancia de su espectro PL, así como un potenciamiento drástico de su intensidad de salida, cuando la intensidad de la bomba alcanza un cierto valor (denominado como el umbral ASE).
Una caracterización combinada de las propiedades ASE y de DFB permite optimizar separadamente el material activo y la cavidad del láser. Tales estudios fuyeron llevados a cabo bajo excitación óptica con un láser Nd:YAG pulsado (YAG: itrio aluminio granate) (anchura de pulso de 10 ns, tasa de repetición de 10 Hz). Para ASE (Figuras 3a y 3b), el haz de bomba (una banda de dimensiones de 3.5 mm x 0.5 mm) fue incidente perpendicularmente sobre la superficie de la muestra, y la luz emitida fue recolectada desde el borde de la película con un espectrómetro para fibras (resolución 1 .3 nm ). Para la caracterización de DFB, el haz de bomba sobre la muestra (elíptico con un eje menor de 1.1 mm y un área de 1.0 mm2) fue incidente a ~ 20° con respecto a la normal al plano de la película (Figura 3c). Esta pequeña desviación de la incidencia normal fue escogida para facilitar la recolección de la luz, por medio de un espectrómetro de fibra de resolución de 0.13 nm, en una dirección perpendicular a la superficie de la muestra. El valor del tamaño de la bomba fue escogido de manera que fuese suficientemente grande para asegurar que el parámetro de umbral del láser obtenido expresado en unidades de potencia o densidad de energía es un parámetro útil para propósitos de comparación. El sistema completo utilizado para la caracterización de DFB es similar al utilizado para probar el ASE (mostrado en la Figura 3a), excepto por el reemplazo del lente cilindrico por un lente esférico, además de la geometría de excitación y recolección. El término "intensidad de bomba" utilizado a lo largo de la descripción se refiere a la "intensidad de bomba incidente". Para ambos estudios de ASE y DFB, Ábomba fue: 355 nm para COPV1 , COPV2, COPV1-IPR y COPV2-IPR; 532 nm para COPV5 y COPV6; y 436 nm (provisto por una celda Raman bombeado con la línea de 532 nm del láser Nd:YAG) para COPV3, COPV4 y poli-COPV1. Para cada una de las concentraciones y los compuestos, llevamos a cabo mediciones de ASE y DFB sobre diversas muestras nominalmente idénticas, procurando asegurar la reproducibilidad de los resultados.
La presencia de ASE es identificada fácilmente por la observación de un estrechamiento de la anchura de su espectro PL, así como por una potenciación drástica de su intensidad de salida, para intensidades de bomba por encima de un cierto valor (denotado como el umbral ASE, /«TASE), véase Figura 4. El valor numérico de TH-ASE para una película dada fue determinado a partir de la gráfica de su anchura de línea de emisión (definida como la intensidad completa definida como la anchura total a la mitad de la intensidad máxima, FWHM) versus la intensidad de bombeo ( bomba) , así como el valor /b0mba al cual FWHM decae a la mitad de su valor máximo. Nótese que la determinación del umbral a partir de la gráfica de la intensidad de salida (/sai¡da) versus /b0mba (también incluida en la Figura 4) así como el valor /b0mba al cual se presenta un cambio en pendiente drástico (método utilizado para la determinación del umbral de DFB) involucraría errores más grandes, puesto que el cambio en pendiente es gradual y por lo tanto no bien definido. Resultados de ASE
Una propiedad prominente de los COPVn es la alta eficiencia en PL de película, así como una estabilidad excepcionalmente alta de los multipolarones (hasta tetrapolarón) para COPVn con n > 3. La conjugación es suficientemente eficiente para deslocalizar las cargas sobre los dos terminales (véase Figura 1 b) y por lo tanto, para estabilizar los multipolarones. La estabilidad puede ser adscrita también a la protección esférica del sistema π contra las interacciones intermoleculares mediante los grupos p-octilfenilo ilustrados en la parte superior de la Figura 1 b para COPV1. Estos grupos arilo son responsables por la alta solubilidad del COPVn en solventes orgánicos - una propiedad inusual entre tales sistemas π planos altamente conjugados.
Un estudio de las propiedades ASE de COPVn, disperso en películas PS, indica que la longitud de onda de emisión (/USE) cubre un espectro visible amplio, esto es, desde 385 nm en COPV1 , hasta 583 nm en COPV6, véase Figura 5. La sintonizabilidad de /USE a manera de un cambio sencillo en el número de unidades repetitivas de conjugación (cf. Figura 1 a) representa un aspecto único del sistema colorante COPV en comparación con la estrategia de sintonización con colorantes convencionales, en la cual se requieren estructuras químicas enteramente diferentes para cubrir un amplio rango de luz visible (por ejemplo, PDIs con buen cubrimiento de rendimiento láser solamente entre 580 y 620 nm). Una estrategia similar para sintonización de la longitud de onda láser incrementando el número de unidades repetitivas ha sido empleada para algunos oligómeros conjugados π estructuralmente flexibles Choi, E. Y. et al. Photophysical, amplified spontaneous emission and charge transport properties of oligofluorene derivatives in thin films. Phys.Chem. Chem.Phys. 16,16941-16956 (2014)) y polímeros Laquai, E. et al. Photophysical properties of a series of poly(ladder-type phenylene)s. Adv. Funct. Mater. 17, 3231-3240 (2007).), los cuales sin embargo incrementan su movilidad estructural, reduce significativamente su estabilidad química y por lo tanto dificulta sus umbrales y tiempos de vida ASE.
La alta fotoestabilidad de COPVn bajo condiciones ambiente es una característica notable. Para una película de PS con 2% en peso de COPV6 (Figura 6), la intensidad ASE permanece sin cambios después de 3.5 x 105 pp (cerca de 8 horas). Su vida media de fotoestabilidad ASE (r1/2 ASE), definida como el tiempo (o número de pulsos de bombeo) en el cual la intensidad ASE decae hasta la mitad de su valor inicial, fue cerca de 1 x 106 pp, o > 24 horas (Figura 7), bajo condiciones de bombeo suave, esto es, una intensidad ( bomba) solamente dos veces la de /«VASE (cerca de 3 kW/cm2, o 600 nJ/pulso). Esta fotoestabilidad está en contraste agudo con la de las contrapartes flexibles de los COPVs tales como los oligómeros y polímeros de fenilenvinileno, cuyos ASE bajo condiciones ambiente duran sólo unos pocos minutos. Además, la fotoestabilidad de COPVn en películas PS es incluso mejor que los mejores resultados reportados para colorantes para láser aromáticos dopados en una matriz polimérica. La alta fotoestabilidad de COPVn fue establecida adicionalmente por un experimento bombeando la película que contenía COPV6 con una luz extremadamente intensa (Figura 6), denotada aquí como condiciones de bombeo fuertes (/b0mba = 2.5 x 103 kW/cm2, ~ 103 veces más intensa que su umbral), donde r1 /2 ASE disminuyó solamente en un factor de 20, hasta 5.5 x 104 pp (cerca de 92 minutos).
Los COPV3-5 son de la misma forma altamente fotoestables en películas PS (r1 /2 ASE ~ 105 pp bajo SP, Figura 8) bajo aire a temperatura ambiente, mientras que r1 /2 ASE disminuye gradualmente de COPV6 a COPV3. Por otro lado, la fotoestabilidad disminuye significativamente para COPV1 y COPV2, probablemente debido a su alta energía de estado fotoexcitado. El COPV1 se descompone demasiado rápidamente bajo condiciones de bombeo suaves para ser estudiado en cuanto a su vida media. Consideramos que las altas fotoestabilidades de COPV3-6 reflejan la robustez de sus estados excitados - una propiedad que se origina probablemente a partir de la protección esférica y de la conjugación π efectiva, tal como lo demuestra la espectroscopia Raman de los COPVs neutros y catiónicos. Los experimentos llevados a cabo bajo una atmósfera de nitrógeno para COPV1 -2 y COPV6 mostraron que sus vidas medias se incrementan en dos veces, sugiriendo que el proceso de degradación involucra oxidación por el aire.
Los umbrales de ASE para todas las películas PS con COPVn, para n = 1 a 6, se muestran en la Figura 9. La correlación entre α\λ bomba] y h-ASE provee soporte adicional para la diferencia entre COPV1 -2 y COPV3-6 (véase Tabla 1 para parámetros físicos, ópticos y ASE). Se observa que los datos para cada uno de los compuestos muestran una correlación inversa entre cc[ Lbomba] y h-ASE, y todos los datos excepto para COPV1 -2 y COPV4 y COPV6 altamente dopados (esto, mayor que cc[ Lbomba]) están alineadas sobe la misma pendiente. Tomados en conjunto con los datos de ri/2 ASE en las Figuras 7 y 8 y los efectos adversos del oxígeno molecular para ASE (véase más arriba), sugerimos que los valores th-ASE más altos y los tiempos operacionales cortos de COPV1 y COPV2 están relacionados con la activación del estado excitado a fotorreacción a través de las posiciones terminales no protegidas de la misma manera que la reacción con oxígeno molecular.
El rendimiento cuántico PL (PLQY) para todos los derivados de COPVn, para n = 1 a 6, en películas PS permanece, como en solución, extremadamente alto (> 90%) hasta 5% en peso y disminuye para tasas de dopaje más altas (véase Tabla 1 y Figura 10) sugiriendo que la detención de la fluorescencia es debida a la agregación intermolecular. En efecto, la correlación encontrada entre h en la Figura 9 y cc ]/PI-QY en la Figura 10 sugiere que la aniquilación en estado excitado intermolecular ya aparece como un factor limitante a una relación de dopaje alta. Se ha observado previamente una correlación similar con películas PS dopadas con PDI.
Tabla 1 : Parámetros ópticos y de ASE de COPVn dispersados en películas poliméricas termoplásticas inertes, depositadas sobre sílica fundida.
fi
¡ "■■l'.r l.l KP
2.0
i$xl
99
94 2.&9xlÜs
0.49 í<
ERROR ~ 0.1 % en peso; bPS: poliestireno, PMMA: polimetilmetacrilato; °espeso película (error -5%); dRendimiento cuántico en fotoluminiscencia (errores para películas con COPV6 en la Figura 10); longitud de onda de bombeo; Coeficiente de absorción a la longitud de onda de bombeo (errores en Figura 9); GLongitud de onda ASE (el error es +0.5 nm); humbral ASE (errores en figura 9, estimados a partir de mediciones sobre varias muestras nominalmente idénticas); Vida media de fotoestabilidad ASE bajo ~ (2 ), excepto aquellos con * para los cuales 200 kW/cm2, a 10 Hz de bombeo (error ~ 10%, estimado como en [g]); jigual que [h], pero a /b0mba = 2.5x103 kW/cm2; kAncho de línea ASE (el error es +1 nm)
El rendimiento de ASE de películas que contienen COPVn puede ser explotado completamente para la fabricación de láseres de DFB, los cuales simultáneamente muestran un bajo umbral /TH-DFB, larga vida media operacional r1/2 DFB y amplia capacidad de sintonización de longitud de onda, superior a los sistemas orgánicos conocidos. Los periodos de rejilla (Λ) fueron escogidos para producir láseres que operan en el segundo orden, emitiendo así en una dirección perpendicular a la superficie de la película. Una lista de parámetros geométricos y de rendimiento relevantes para diversos láseres de DFB preparados, basados sobre películas activas de PS que contienen un derivado de COPVn, está en la Tabla 2 y se muestran espectros de DFB representativos en la Figura 1 1. Nos focalizamos ahora principalmente en el mejor sistema de rendimiento, COPV6. La longitud de onda de generación de láser 2DFB fue sintonizada dentro de un rango espectral de aproximadamente 20 nm centrado en la longitud de onda de ganancia máxima (/USE) cambiando Λ y/o el espesor de la película de COPV (h), véase Tabla 2 y Figura 12. Se obtuvo una emisión en modo sencillo en todos los casos con anchos de línea < 0.13 nm (Figura. 13). Los dispositivos basados en películas de PS dopadas con COPV6 al 8% en peso, que emitían cerca a /USE (dispositivos 6'"c y 6 '"D, Tabla 2; 6'"c también en la Figura 14) han demostrado una TH-DFB tan baja como 0.7 + 0.1 kW/cm2 o 70 + 10 nj/ pulso - un valor que es el más bajo entre los DFBs reportados con base en materiales activos poliméricos dopados con colorante, y muy cercanos a los requerimientos para el bombeo de LED (Herrnsdorf, J. et al. Micro-LED pumped polymer láser: a discussion of future pump sources for organic lasers. Láser Photonics Rev. 7, 1065-1078 (2013).). Además, estos dispositivos con dopaje al 8% en peso registraron tiempos de vida operacionales tan largos como TV2 DFB = 1.0 X 105 pp. Un láser con COPV preparado con una película de PS que contiene 2% en peso de COPV6 mostró un tiempo de vida más largo (dispositivo 6'"B en la Tabla 2, r1/2 DFB = 1.0 x 106 pp) a expensas de un valor de umbral ligeramente más alto de /TH-DFB = 2.1 + 0.2 kW/cm2, o 210 + 20 nJ/pulso (Figura 14). El umbral de DFB más alto del dispositivo 6B se debe principalmente al contenido más bajo en COPV y consecuentemente a un coeficiente de absorción más bajo y a un umbral ASE más alto como se muestra en la Figura 9. También es debido a que la separación de ADFB de AASE de este dispositivo es más grande que la del dispositivo 6'"c (Tabla 2) puesto que este parámetro es conocido por ejercer la mayor influencia sobre el umbral (Navarro-Fuster, V. et al. Film thickness and grating depth variation in organic second-order distributed feedback lasers. J. Appl. Phys. 112, 043104 (2012).). La eficiencia de la pendiente de los láseres DFB con base en películas activas de PS que contienen 8% en peso de COPV6 se estima como menor de 2%, un valor inferior al reportado para algunos DFBs basados en películas puras de polímeros semiconductores. Esto se debe principalmente a los coeficientes de absorción más pequeños de las películas con COPV6 (cerca de un orden de magnitud) debido a la dilución de COPV6 en la matriz polimérica, lo cual a su vez contribuye a mejorar su fotoestabilidad.
Otra propiedad prominente de los COPVn es su alta estabilidad térmica. La temperatura de descomposición del COPV6 es 439 °C (5% de pérdida de peso, véase Figura 15), y las propiedades de PL y ASE de una película de PS que contiene COPV6 permanecen sin cambios después de calentar a 155 °C durante 15 minutos - condiciones térmicas similares a las usadas para el procesamiento de NIL térmico. Así los COPVn sobrepasan de lejos los polímeros conjugados del estado del arte (los cuales son, además, térmicamente lábiles) y rivalizan con derivados de PDI estructuralmente robustos. Por lo tanto, esperamos que los COPVn también permitirán una impresión NIL térmica de los resonadores de DFB directamente sobre la película activa (dispositivo tipo IV mostrado en la Figura 2), como fue demostrado previamente para los PS dopados con PDI (Ramírez, M. G. et al. Efficient organic distributed feedback lasers with imprinted active films. Opt. Express 19, 22443-22454 (2011).).
Hemos explorado el efecto sobre las propiedades ASE y DFB del reemplazo de PS por PMMA, como matriz polimérica para dispersar los COPVn. El espesor de la película de PMMA fue mayor que el de la de PS, con el fin de obtener un confinamiento similar del modo de guía de onda (el índice de refracción del PMMA es inferior al de PS). El rendimiento en ASE y DFB, en términos de umbral y tiempo de vida de fotoestabilidad es muy similar al obtenido cuando se utiliza PS (véanse Tablas 1 y 2). La longitud de onda de ASE está ligeramente desplazada hacia el azul cuando se utiliza PMMA (Figura 16) como consecuencia del ambiente local diferente para los COPVn.
Tabla 2. Parámetros de láseres de DFB de segundo orden unidimensionales basados en películas de polímeros termoplásticos inertes dispersadas con COPVn. Tipo ¾QPV¾
"Polímero
de % en peso ' Material -1
Dispositivo Dispositivo inerte en ίμίτι} resonador (nm) (rcín) 8im) írimj (kW, )
polímero
g PS 0.5 0.62 SÍ 2 95 388 582.4 573 G 11 8.0x105
i PS 2.0 0.47 Si<¾ 30 380 583.4 579.6 2.1 1.0*10s g ie PS 8.0 0.49 Si02 75 380 584.4 586 7 0.7 1.0x105
PS 8.0 0.49 FS 60 380 584.4 586.6 0.7 1.1 /10s g lt PS 20.1 0.57 FS 60 380 585.0 591.4 0.8 1. K 0'
6 H PS 2.0 0.57 65 370 583.4 581.3 0.9 8.5/ 05
51 i PS 1.0 0.63 Si<¾ 95 388 571.1 573.1 20 4.0x10"
PS 2.0 0.64 DCG 71 351 548.2 553.8 1.1 1.8/ 05
PMf íA 2.0 1.1 DCG 86 389 544.6 548.1 3 . ,ΐθ'·
4 e-c PS 5.0 0.80 DCG SO 353 549.2 556.6 1.3/ 05
PS 10.0 0.58 DCG 85 349 550,8 551.0 0.6 . x O5
3S PS 2.0 0.65 DCG 80 321 514.8 516.4 1.0 8.1 /104
2 il !i! PS 5.0 0.65 DCG 50 308 464.0 490.9 so 4.0x 0:!
2 ::¡ :' !;l PS 5.0 0.38 DCPVA 0 298 464.0 464.7 550 8.0/ 10?
2-¡PRl!l !i! PS 6.9 0.78 DCG 60 308 475.1 476.9 91 1.0x 04
1 * PS 3.0 0.81 Vidrio 70 270 384 5 407.8 >S,000 . aUn número arábigo sobre la etiqueta se refiere a n, el número romano en los superíndices se refiere al tipo de dispositivo DFB de acuerdo con la Figura 2; bPS: poliestireno, PMMA: polimetilmetacrilato; °Error ~ 0.1 %; dEspesor de película (error ~ 5%); efs: sílica fundida, Si02: capa de Si02 sobre silicio, DCG: capa fotorresistente de gelatina dicromatada sobre FS, DCPVA: capa fotorresistente de poli(vinil alcohol) dicromatado sobre FS; Profundidad de rejilla; 9Período de rejilla; Yongitud de onda ASE (el error es + 0.5 nm); 'Longitud de onda DFB (el error es + 0.1 nm); jUmbral DFB; kVida media de fotoestabilidad de DFB bajo /b0mba ~ (2 χ h-DFB) , a 10 Hz; † Error ~ 10%, estimado como desviación estándar a partir de mediciones sobre muestras nominalmente idénticas.
También hemos explorado las propiedades ASE de los derivados COPV1-IPR y COPV2- IPR, los cuales difieren de los correspondientes COPV1 y COPV2, en los grupos unidos a las posiciones terminales (Figura 1c). Los espectros de absorbancia de las películas que contenían COPV1 -IPR o COPV2- IPR están desplazados hacia el rojo con respecto a los de COPV1 y COPV2, respectivamente, aunque sus formas son similares, véase Figura 17. La absorción total (área bajo el espectro) de COPV1-IPR es mayor la de COPV1 , mientras que para COPV2 y COPV2-IPR la absorción total es aproximadamente la misma. Con relación a los espectros PL de las películas que contienen los COPVn sustituidos por IPR, también están desplazados al rojo con respecto a sus correspondientes COPVn sin sustituyentes IPR (véase Figura 18). Como consecuencia, ASE aparece a una longitud de onda diferente. La observación de estos desplazamientos en los compuestos con IPR puede ser debida a un incremento de la conjugación. Aunque la conformación de los sustituyentes IPR en el estado basal es perpendicular al núcleo COPV, podría no ser el caso para el estado excitado. Además, la conformación de los sustituyentes IPR podría influir en la distancia entre moléculas vecinas, lo cual podría ser importante para películas con altas relaciones de dopaje. Los parámetros ASE para los compuestos con IPR han sido incluidos en la Tabla 1. El umbral para la película que contiene COPV1-IPR es alrededor de cuatro veces inferior al dopado con COPV1. Esto es debido a la absorción más alta en la intensidad de bombeo, y por lo tanto la intensidad PL, en el primero. En el caso de COPV2-IPR, su umbral es aproximadamente dos veces más grande que el de COPV2, a pesar de la absorción en película más grande en la longitud de onda pico, debido a su más baja absorción en la longitud de onda de bombeo. Con respecto a la fotoestabilidad ASE, es alrededor 3 veces más grande para los compuestos con IPR con respecto a aquellos sin IPRs. El uso de COPVn-IPRs para fabricación de láseres DFB está ilustrado por la preparación del dispositivo con COPV2-IPR (véase Tabla 2).
También se exploraron las propiedades ASE y DFB de una película pura de poli-COPV1 (Figura 1 d) (véase Figura 19). Puesto que en este caso el compuesto no está diluido en una matriz, la absorbancia de la película es significativamente más alta que la obtenida con aquella basada en COPVn dispersados en PS o en PMMA. También es notable el alto PLQY de la película (alrededor del 70%). ASE aparece a alrededor de 527 nm, a un umbral de 4 kW/cm2. Particularmente notable es su vida media de fotoestabilidad, ri/2 ASE = 7.7 x 104 pp, bajo condiciones de bombeo suave, la cual es dos órdenes de magnitud más grande que la del COPV1 dispersado en PS. Un láser de DFB con geometría tipo I, emitiendo una longitud de onda de 542.2 nm, ha mostrado un umbral tan bajo como 1 kW/cm2. Actualmente, los LEDs más poderosos disponibles en el mercado emiten a una longitud de onda de 450 nm, de manera que este compuesto poli-COPV1 , y también COPV4, muestran un gran prospecto para ser bombeados con LEDs.
Conclusiones y perspectivas futuras
Los COPVs (incluyendo todos los compuestos mostrados en la Figura 1 ) son híbridos óptimos de polímeros conjugados y colorantes aromáticos de moléculas pequeñas para acción de formación de láser debido a que amalgaman las mejores propiedades de cada uno, hecho posible por su marco molecular grande y rígido plano, todo en carbono, protegido por sustituyentes arilo voluminosos. Su longitud de conjugación puede ser sintonizada con precisión mediante una síntesis química escalable. A diferencia de los colorantes aromáticos, los COPVs permiten sintonizar sistemáticamente la salida de longitud de onda láser a lo largo de un amplio rango de luz visible. Su núcleo plano conjugado en π es ideal para un umbral PL máximo y consecuentemente ASE bajo. Los sustituyentes p-octilfenilo, los cuales pueden ser cambiados a un cierto número de otros grupos por diseño sintético, proveen solubilidad en solventes orgánicos comunes, y por lo tanto una facilidad de procesamiento como películas delgadas mediante métodos basados en disolución. También imparten protección del sistema π y minimizan adicionalmente la degradación química y la autoagregación, en favor de tiempos de vida operacionales de láser muy largos. Los láseres DFB demostraron aquí satisfacer los diversos requerimientos necesarios para aplicaciones - sintonizabilidad de longitud de onda, tiempo de vida operacional, umbral, facilidad de procesamiento y coste de fabricación. De manera importante, hay todavía espacio para mejorar los diversos parámetros de láser y para desarrollos tecnológicos adicionales; por ejemplo, el uso de rejillas DFB subestructuradas, la optimización de la geometría de excitación, la longitud de onda de excitación o la matriz polimérica, podrían permitir mejoras incluso más allá del umbral y del tiempo de vida operacional. La exploración de la transferencia de energía entre diferentes derivados de COPV codopados en la misma película, o entre COPVn y otros tipos de materiales activos, ofrece campos excitantes de investigación futura hacia la sintonizabilidad de la longitud de onda. Los dispositivos de láser sintonizables verdaderamente continuos podrían hacerse disponibles combinando la sintonización química con recientes desarrollos tecnológicos tales como el uso de películas activas con espesores variables de manera continua (esto es, configuración en forma de cuña). Finalmente, los sobresalientes rendimientos de láser de COPV son prometedores no solamente para los láseres de DFB sino también para OSLs con otros tipos de resonadores de láser, así como para la explotación de nuevos conceptos de láseres orgánicos, tales como láseres plasmónicos y máseres.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo de láser que comprende un cuerpo sólido caracterizado porque el cuerpo sólido contiene oligo(p-fenilenvinileno) con puentes de carbono, COPVn, donde n está comprendido entre 1-18.
2. Un dispositivo de láser según la reivindicación 1 , donde COPVn está en la forma de polímero, oligómero, homopolímero, homooligómero o polímero mixto u oligómero mixto.
3. Un dispositivo de láser según cualquiera de las reivindicaciones 1 -2, donde el COPVn está dispersado en una matriz.
4. Un dispositivo de láser, según la reivindicación 3, donde la matriz es un material orgánico o un material inorgánico o mezclas de los mismos.
5. Un dispositivo de láser según cualquiera de las reivindicaciones 3-4, donde la matriz es un polímero termoplástico.
6. Un dispositivo de láser según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, donde el cuerpo sólido es una película.
7. Un dispositivo de láser, según la reivindicación 6, donde la película es puesta sobre un sustrato.
8. Un dispositivo de láser, según la reivindicación 7, donde el sustrato es vidrio, sílica fundida, Si02, o una película polimérica.
9. Un dispositivo de láser según cualquiera de las reivindicaciones 1 -8, donde el COPVn está dispersado en un polímero termoplástico a una tasa de dopaje comprendida entre
0.5-50% en peso de COPVn.
10. Un dispositivo de láser según cualquiera de las reivindicaciones 1 -9, donde la película de COPVn dispersada en un polímero termoplástico tiene un espesor comprendido entre 0.1-500 μηι.
1 1. Un dispositivo de láser según cualquiera de las reivindicaciones 6-10, que comprende una capa adicional de un material termorresistente.
12. Un dispositivo de láser según cualquiera de las reivindicaciones 6-1 1 , que comprende una rejilla en relieve.
13. Un dispositivo de láser, según la reivindicación 12, donde la rejilla en relieve es impresa sobre la parte superior de la capa de sustrato, o sobre la parte superior de la capa adicional del material termorresistente o sobre la parte superior de la película que contiene COPVn.
14. Un dispositivo de láser según cualquiera de las reivindicaciones 12-13, donde la rejilla en relieve es seleccionada de un polímero fotorresistente de gelatina dicromatada (DCG) o poli (vinil alcohol) dicromatado (DCPVA).
15. Un dispositivo de láser según cualquiera de las reivindicaciones 1-14, donde el dispositivo láser es un láser de retrolimentación distribuida (DFB).
16. Láser DFB que comprende una película de un material orgánico puesto sobre una capa de sustrato con una rejilla de relieve, caracterizado por que el material orgánico contiene COPVn, donde n está comprendido entre 1 y 18.
17. Uso de COPVn para aplicaciones de láser.
18. Un proceso para la fabricación del dispositivo láser según cualquiera de las reivindicaciones 1-16, que comprende las siguientes etapas:
a) preparación de la película que contiene COPVn,
b) deposición de la película que contiene COPVn de la etapa a) sobre la capa de sustrato
19. Proceso según la reivindicación 18, que comprende una etapa adicional antes de la etapa a) consistente de dispersar el compuesto COPVn en una matriz.
20. Proceso según la reivindicación 19, donde el COPVn es dispersado en PS.
21. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 1-12, donde el sustrato es vidrio, sílica o sílica fundida.
22. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 19-20, donde la película de COPVn o el COPVn dispersado en PS es depositado por recubrimiento por rotación sobre la capa de sustrato.
23. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 18-22 que comprende una etapa adicional consistente de la deposición de una capa adicional de material fotorresistente sobre la superficie de la capa de sustrato o sobre la superficie de la película que contiene COPVn.
24. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 18-23, que comprende una etapa adicional consistente del grabado de una rejilla en relieve sobre la superficie de la capa de sustrato, o sobre la parte superior de la capa adicional de un material fotorresistente o sobre la parte superior de la película que contiene COPVn .
25. Proceso según la reivindicación 24, donde la rejilla en relieve es grabada sobre la superficie de la capa utilizando litografía holográfica o litografía de nanoimpresión térmica.
PCT/ES2016/070493 2015-07-02 2016-07-01 OLIGO(p-FENILENVINILENOS) CON PUENTE DE CARBONO COMO COLORANTES PARA LÁSER PARA LÁSERES ORGÁNICOS DE ESTADO SÓLIDO WO2017001720A1 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ESP201530954 2015-07-02
ES201530954A ES2547630B2 (es) 2015-07-02 2015-07-02 Oligo(p-fenilenvinilenos) con puente de carbono como colorantes láser para láseres orgánicos de estado sólido

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017001720A1 true WO2017001720A1 (es) 2017-01-05

Family

ID=54241459

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/ES2016/070493 WO2017001720A1 (es) 2015-07-02 2016-07-01 OLIGO(p-FENILENVINILENOS) CON PUENTE DE CARBONO COMO COLORANTES PARA LÁSER PARA LÁSERES ORGÁNICOS DE ESTADO SÓLIDO

Country Status (2)

Country Link
ES (1) ES2547630B2 (es)
WO (1) WO2017001720A1 (es)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5881083A (en) * 1997-07-03 1999-03-09 The Regents Of The University Of California Conjugated polymers as materials for solid state laser

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5881083A (en) * 1997-07-03 1999-03-09 The Regents Of The University Of California Conjugated polymers as materials for solid state laser

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
F. SCOTOGNELLA ET AL.: "Two-photon poly(phenylenevinylene) DFB laser ''.", CHEMISTRY OF MATERIALS, vol. 23, no. 3, 2011, pages 805 - 809, XP055342410 *
J. TANG ET AL.: "Photoluminescence properties of an oligo-phenylene vinylene derivative doped in polymer/silica hybrid sol-gel matrix''.", MATERIAL LETTERS, vol. 50, no. 5-6, 2001, pages 371 - 374, XP004318503 *
X. SUN: "Synthesis of carbon-bridged oligo(phenylenevinylene)s (COPV)''.", UNIVERSITY OF TOKYO, 2013, XP055342413, Retrieved from the Internet <URL:https://www.s.u-tokyo.ac.jp/en/utrip/archive/2013/pdf/23SunXiaohan.pdf> *
X. ZHU ET AL.: "Carbon-bridged oligo(phenylenevinylene)s: Stable pi-systmes with high responsiveness to doping and excitation''.", JOURNAL OF AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, vol. 134, no. 46, 2012, pages 19254 - 19259, XP055342409 *
X. ZHU ET AL.: "New sensitizers for dye-sensitized solar cells featuring a carbon-bridged phenylenevivnylene''.", CHEMICAL COMMUNICATIONS, vol. 49, no. 6, 2013, pages 582 - 584, XP055342416 *

Also Published As

Publication number Publication date
ES2547630A1 (es) 2015-10-07
ES2547630B2 (es) 2016-04-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Morales-Vidal et al. Carbon-bridged oligo (p-phenylenevinylene) s for photostable and broadly tunable, solution-processable thin film organic lasers
Kuehne et al. Organic lasers: recent developments on materials, device geometries, and fabrication techniques
Liu et al. Robust subwavelength single-mode perovskite nanocuboid laser
Zhao et al. Stable two-photon pumped amplified spontaneous emission from millimeter-sized CsPbBr3 single crystals
Fu et al. Nanowire lasers of formamidinium lead halide perovskites and their stabilized alloys with improved stability
Dong et al. Broadband tunable microlasers based on controlled intramolecular charge-transfer process in organic supramolecular microcrystals
Grivas et al. Organic solid‐state integrated amplifiers and lasers
Zhang et al. Toward electrically pumped organic lasers: a review and outlook on material developments and resonator architectures
Ramirez et al. Improved performance of perylenediimide-based lasers
Li et al. Stable whispering gallery mode lasing from solution‐processed formamidinium lead bromide perovskite microdisks
Huang et al. Wavelength-Turnable organic microring laser arrays from thermally activated delayed fluorescent emitters
Liao et al. Cluster-mediated nucleation and growth of J-and H-type polymorphs of difluoroboron avobenzone for organic microribbon lasers
Cerdán et al. New perylene-doped polymeric thin films for efficient and long-lasting lasers
Muñoz-Mármol et al. Influence of blending ratio and polymer matrix on the lasing properties of perylenediimide dyes
US10879670B2 (en) Continuous-wave pumped polymer laser and preparation method thereof
Varghese et al. Orthogonal resonator modes and low lasing threshold in highly emissive distyrylbenzene-based molecular crystals
Godumala et al. Room-temperature phosphorescent organic materials for optical waveguides
Xu et al. Multicolor random lasers based on perovskite quantum dots embedded in intrinsic Pb–MOFs
Perumal et al. Whispering gallery mode lasing from self-assembled hexagonal perovskite single crystals and porous thin films decorated by dielectric spherical resonators
Wang et al. Low threshold and ultrastability of one-step air-processed all-inorganic cspbx3 thin films toward full-color visible amplified spontaneous emission
GB2504003A (en) Continuous wave directional emission liquid crystal structures and devices
Gao et al. Room-temperature continuous-wave microcavity lasers from solution-processed smooth quasi-2D perovskite films with low thresholds
Athanasiou et al. Flexible, free-standing polymer membranes sensitized by CsPbX3 nanocrystals as gain media for low threshold, multicolor light amplification
Jang et al. Hybridized Local and Charge-Transfer Excited-State Emitter for a Blue Organic Solid-State Laser
Feng et al. Light‐Emitting Device Based on Amplified Spontaneous Emission

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16817304

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16817304

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1