Идентификация красителей и матриц для волноводных эмиттеров из легированных красителями полимеров видимого спектра

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 6142 (2022) Цитировать эту статью

1461 Доступов

2 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Фотонные устройства на основе полимеров открывают возможность экономически эффективного непрерывного производства фотонных устройств. Включение люминесцентных добавок в твердый полимерный волновод позволяет генерировать свет внутри устройства, избегая утомительного механического взаимодействия света. Однако, когда легирующая примесь внедрена в твердую матрицу, в зависимости от ее концентрации и природы используемых материалов излучаемый свет может гаситься из-за эффектов агрегации. В этой работе тонкие пленки и ребристые волноводы, обработанные УФ-фотолитографией, были успешно получены из набора стандартных фотополимеризуемых органических мономеров, SU8, EpoCore и OrmoStamp, легированных набором стандартных красителей, таких как родамин-B, кумарин-540A и пиррометен- 580. Все конструкции были изготовлены на стеклянных подложках. Проведен анализ растворимости и оптических свойств, включая энергию запрещенной зоны, коэффициент поглощения (\(\alpha\)) и флуоресценцию легированных фоторезистов в различных концентрациях. Фоторезисты, легированные родамином-Б, демонстрируют более высокую энергию непрямого разрешенного перехода запрещенной зоны (2,04–2,09 эВ) по сравнению с ранее сообщенными тонкими пленками чистого родамина-Б (1,95–1,98 эВ). Установлены протоколы изготовления фоторезистов, легированных красителями, охватывающих весь видимый спектр.

В последние годы фотонные интегральные схемы (ФИС) на основе полимерных материалов привлекают все большее внимание научного сообщества из-за постоянно расширяющегося спектра приложений, включая оптоэлектронику1, датчики2,3, освещение4 и оптические вычисления5.

Производство PIC на полимерной платформе, а не на более традиционных и компактных кремниевых платформах, имеет два основных преимущества: полимеры могут быть прозрачными в видимом спектре длин волн, что означает, что можно использовать красители, используемые в традиционной микроскопии, а полимерная платформа обеспечивает возможность будущего перевода. к экономичному поточному изготовлению конечной фотонной схемы6.

Включение люминесцентных материалов, таких как квантовые точки7, красители8 или фотолюминесцентные сополимеры9, в полимерную матрицу-хозяин, позволяет создавать органические излучатели света, которые можно использовать в таких областях, как солнечные элементы10, оптические усилители11, а также датчики газа и pH12,13.

Красители, полностью охватывающие видимый диапазон спектра, использовались в полимерных матрицах, демонстрируя растворимость и стабильность, хотя в зависимости от природы красителя и матрицы происходят такие процессы, как тушение, вызванное агрегацией (ACQ)14, эмиссия, вызванная агрегацией (AIE)15 и усиление агрегации. Выбросы (AEE)16 могут иметь место, влияя на свойства выбросов. Сложность взаимодействия матрицы и красителя затрудняет предсказание того, какую матрицу объединить с каким красителем, чтобы получить волновод, излучающий на заданной длине волны.

В данной работе полимеры на эпоксидной основе EpoCore и SU8 и неорганически-органический гибридный материал OrmoStamp исследованы в качестве полимерных матриц, допированных такими красителями, как родамин-Б (RhB), кумарин-540А (С540А), цибакрон-желтый (CBY), Флуоресцеин (FL), пиррометен-580 (Py580) и спиросополимер, излучающий красный свет (RLSC). Было протестировано гораздо более широкое разнообразие красителей, но от них отказались из-за ограниченной растворимости и/или видимых признаков агрегации, как показано в дополнительных материалах.

Светочувствительная природа этих смол позволяет использовать такие микро/нанотехнологии изготовления, как УФ-литография17, прямое лазерное письмо18, электронный луч19, струйная печать20 и УФ-нанопечать21. Красители, используемые в этой работе, охватывают видимый диапазон спектра и предназначены для будущих приложений, таких как интегрированные лазеры, биосенсоры и оптическая связь.

Изучены оптические свойства волноводов из фоторезистов, легированных красителями, обработанных методом УФ-фотолитографии, в достигнутом диапазоне концентраций. Представлены и обсуждаются протоколы изготовления каждой легирующей концентрации и резиста.