Novel materials for bottom-up 3-dimensionally structured organic lasers

• Neue Materialien für bottom-up 3-dimensional strukturierte organische Laser

Mikosch, Annabel; Möller, Martin (Thesis advisor); Kühne, Alexander J. C. (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Diese Doktorarbeit untersucht die Verwendung von π-konjugierten Polymerpartikeln in organischen Mikrolasern. Als enabling Technologie wird eine Co-Assemblierung von monodispersen Partikeln in einer aushärtenden Silikat-Matrix entwickelt, um höchst geordnete, dreidimensional periodische Strukturen, sogenannte photonische Kristalle zu erzeugen. Photonische Kristalle beugen und verlangsamen das Licht des sichtbaren Spektrums; den spektralen Bereich in dem dieser Effekt hervorgerufen wird, nennt man optische Bandlücke oder Stop-Band. Abhängig von der Größe der Partikel und dem Brechungsindexkontrast zwischen Partikeln und ihrer unmittelbaren Umgebung kann die charakteristische Wellenlänge dieses Stop-Bandes eingestellt werden. Hier werden Partikel verwendet, die vollständig aus konjugierten Polymeren bestehen und somit als Lasermedium verwendet werden können. Dadurch bilden die Partikel in ihrer geordneten Anordnung das Verstärkermedium und gleichzeitig den Resonator für einen organischen Laser, wobei komplett auf die sonst üblichen Nanostrukturierungsmethoden verzichtet werden kann. Die Eignung solch coassemblierter Strukturen als Mikrolaser wird mittels Kurzpuls-Laserspektroskopie untersucht. Die Coassemblierung wird erfolgreich auf ein industriell relevantes Tintenstrahldruckverfahren angewendet, das es nun erlaubt selbst-assemblierte Mikrolaser in einem einfachen Verfahren zu verarbeiten und zu vervielfältigen. Die Möglichkeit des strukturierten Druckens wird am Beispiel eines lesbaren QR-Codes veranschaulicht. Da diese QR-Codes neben ihrer Struktur nun auch Fluoreszenz, Irideszenz und Laser-emission zeigen, könnten diese Muster zukünftig als fälschungssicheres Sicherheitsmerkmal Anwendung finden. Die Funktionalität der co-assemblierten Strukturen kann durch den Austausch der dielektrischen Silikat-Matrix zu einer halbleitenden Methylammonium-Blei-Halogenid-Perowskit-Matrix erhöht werden. Diese neue halbleitende Matrix bietet sich für die Coassemblierung an, da diese Perowskite aus orthogonalen Lösungsmitteln prozessierbar sind; das bedeutet, dass sich auch die Polymerpartikel in diesen Lösungsmitteln verarbeiten lassen. Die Fluoreszenz der Perowskit-Matrix kann über das Halogenverhältnis über das gesamte sichtbare Spektrum eingestellt werden. Das erlaubt die Herstellung eines organisch-anorganischen Hybrid-Materials, in dem das Emissionsspektrum der anorganischen Matrix mit dem Absorptionsspektrum der organischen Partikel überlappt. Dadurch wird ein strahlungsfreier Energieübertrag ermöglicht, der Laseremission aus den Partikeln erzeugt obwohl nur die Matrix optisch angeregt wird. Die Emissionsspektren zeigen hierbei zufällige Laserlinien mit niedriger Laserschwelle (random lasing). Dieses Hybrid-Material repräsentiert einen neuen Ansatz und bringt neue Erkenntnisse auf dem Weg zu dem bisher unerreichten Ziel elektrisch angeregter organischer Laser.