Laser hữu cơ chạy hoàn toàn bằng điện lần đầu tiên

Laser hữu cơ chạy hoàn toàn bằng điện lần đầu tiên

Dấu thời gian: Ngày 14 tháng 2023 năm 4 33:XNUMX sáng

Sơ đồ nguyên lý của laser bơm OLED mới
Một sơ đồ của thiết bị. Đèn LED hữu cơ nằm ở trên cùng – các lớp hữu cơ ở giữa các điểm tiếp xúc. Một điện áp được đặt vào nó, bơm điện tích và tạo ra ánh sáng sau đó kích thích tia laser hữu cơ (nửa dưới của hình). Tia laser hữu cơ chứa một cách tử, áp dụng phản hồi và cũng làm nhiễu xạ một số ánh sáng laser ra khỏi cấu trúc – mũi tên màu vàng trong hình. (Lịch sự: Kou Yoshida)

Các nhà nghiên cứu tại Đại học St Andrews ở Scotland vừa chế tạo ra tia laser bán dẫn hữu cơ đầu tiên không cần nguồn sáng riêng để hoạt động – một điều tỏ ra cực kỳ thách thức. Laser chạy hoàn toàn bằng điện mới nhỏ gọn hơn các thiết bị trước đó và hoạt động trong vùng khả kiến ​​của phổ điện từ. Do đó, các nhà phát triển của nó cho biết nó có thể được sử dụng trong các ứng dụng như cảm biến và quang phổ.

Tia laser hoạt động bằng cách phản xạ ánh sáng tới lui nhiều lần trong một khoang quang học bao gồm một môi trường khuếch đại được kẹp giữa hai gương. Khi ánh sáng phản chiếu qua lại giữa các gương, môi trường khuếch đại sẽ khuếch đại nó, kích thích sự phát xạ nhiều ánh sáng hơn và tạo ra chùm tia kết hợp với dải quang phổ rất hẹp.

Tia laser hữu cơ đầu tiên – tức là tia laser được làm từ vật liệu gốc carbon – được tạo ra vào năm 1992. Tuy nhiên, tia laser đó sử dụng một nguồn sáng riêng biệt để điều khiển môi trường khuếch đại của nó, điều này làm phức tạp thiết kế và hạn chế các ứng dụng của nó. Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tìm cách tạo ra tia laser hữu cơ hoạt động chỉ bằng cách sử dụng điện trường để điều khiển nó nhưng không thành công. “Do đó, đây là một thách thức lớn trong lĩnh vực này trong 30 năm qua,” nhà vật lý giải thích Nếu Samuel, người đồng chủ trì nghiên cứu mới với St Andrews đồng nghiệp Graham Turnbull.

Đầu tiên, phá kỷ lục thế giới

Samuel giải thích: Có hai chiến lược chính để thiết kế tia laser hữu cơ chạy bằng điện. Đầu tiên là đặt các tiếp điểm điện trên môi trường khuếch đại laser hữu cơ và truyền điện tích qua chúng. Tuy nhiên, rất khó để tạo ra tia laser theo cách này vì các điện tích được đưa vào sẽ hấp thụ ánh sáng xuyên qua phổ phát quang của vật liệu thông qua cái gọi là trạng thái bộ ba. Bản thân các điểm tiếp xúc cũng hấp thụ ánh sáng. Samuel cho biết: “Vì tia laser cần độ lợi (khuếch đại quang học) để vượt quá tổn thất nên sự hấp thụ ánh sáng này là một rào cản rất lớn”.

Trong tác phẩm mới, được trình bày chi tiết trong Thiên nhiên, các nhà nghiên cứu đã giải quyết vấn đề này theo cách thứ hai: bằng cách giãn cách không gian các điện tích, bộ ba và điểm tiếp xúc khỏi môi trường khuếch đại laser. Tuy nhiên, thực hiện điều này cũng không phải là một nhiệm vụ dễ dàng vì điều đó có nghĩa là họ cần tạo ra một đi-ốt phát sáng hữu cơ (OLED) xung màu xanh lam với cường độ ánh sáng phát ra kỷ lục thế giới để điều khiển môi trường khuếch đại. Sau đó, họ cần tìm ra cách ghép tất cả ánh sáng của OLED này vào tia laser mà họ tạo ra từ một lớp polymer bán dẫn mỏng phát ra ánh sáng xanh.

Ông nói: “Để chế tạo thiết bị này, ban đầu chúng tôi chế tạo riêng biệt OLED và khoang laser trước khi chuyển OLED, trên một đế có độ dày chỉ vài micron, lên bề mặt của ống dẫn sóng laser”. “Việc tích hợp cẩn thận hai phần này là rất quan trọng để môi trường khuếch đại có thể tiếp cận được nguồn điện phát quang cường độ cao được tạo ra bên trong OLED.”

Để hoàn thiện thiết kế, nhóm nghiên cứu đã sử dụng cách tử nhiễu xạ trong laser màng mỏng để cung cấp phản hồi phân tán về phát xạ ánh sáng kích thích trong mặt phẳng của màng, đồng thời làm nhiễu xạ chùm tia laser đầu ra khỏi bề mặt.

Một công nghệ chậm tăng tốc

Các thiết bị bán dẫn hữu cơ được nhiều người coi là công nghệ “chậm” vì độ linh động điện tích trong vật liệu hữu cơ thường thấp hơn bậc độ lớn so với độ linh hoạt của chất bán dẫn silicon hoặc tinh thể III-V. Tuy nhiên, Turnbull cho rằng những đổi mới của nhóm có thể bắt đầu thay đổi nhận thức đó. “Công việc của chúng tôi là đẩy những vật liệu này vào một kế hoạch vận hành rất nhanh và mạnh mẽ,” ông nói. Thế giới vật lý.

Về ứng dụng, các nhà nghiên cứu cho biết laser bán dẫn hữu cơ chạy hoàn toàn bằng điện sẽ dễ dàng tích hợp vào các thiết bị y tế tại điểm chăm sóc sử dụng cảm biến và quang phổ dựa trên ánh sáng để chẩn đoán bệnh hoặc theo dõi các triệu chứng. Turnbull cho biết: “Lái xe bằng điện loại bỏ nhu cầu về một nguồn sáng riêng biệt để bơm chúng, điều này sẽ mở rộng các ứng dụng tiềm năng”.

Tuy nhiên, vẫn còn nhiều việc phải làm để tối ưu hóa công suất và hiệu suất đầu ra của tia laser mới cũng như mở rộng công suất ánh sáng của nó trên toàn phổ khả kiến. Turnbull kết luận: “Thách thức lớn tiếp theo trong lĩnh vực này sẽ là chế tạo ra các laser bán dẫn hữu cơ sóng liên tục, loại laser này sẽ cần kiểm soát hơn nữa quần thể bộ ba rắc rối”.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý