Photophysical properties of Oligofluorenes and organic laser

Abstract

Organic materials belong to an important class of materials for light emitting and laser devices. We investigate the photo-physical properties of fluorine derivatives and demonstrate the laser operation in a solvent-free organic compound. Five different photophysical properties of oligofluorenes are presented. First, an increase in photoluminescence quantum yield was observed as the conjugation length increases from terfluorene and pentafluorene to heptafluorene in solution, 80 % for terfluorene solution, 82 % for pentafluorene solution, 90 % for heptafluorene solution. In case of film, the quantume yields are 45 % for terfluorene film, 62 % for as-prepared pentafluorene film, 65 % for annealed pentafluorene film, and 51 % for heptafluorene film. Second, an amplified stimulated emission experiment showed gains of 1.31 micro J/cm^2 for terfluorene film, 5 micro J/cm^2 for as-prepared pentafluorene film, 3 micro J/cm^2 for annealed pentafluorene film, and 0.42 micro J/cm^2 for heptafluorene film. Third, a thermal annealing of pentafluorene film showed that a blue shift of 7 nm takes place in the photoluminesce spectrum. Fourth, the photoluminscence lifetime of pentafluorene film is shown to decrease from 500ps to 250ps when the film is located near a hyperbolic metamaterial. Fifth, a pump-probe transient absorption measurement on pentafluorene showed that the singlet exciton has an excited state absorption at 800 nm with the excited lifetime of ~200 ps for film on sapphire substrate and 500 ps for solution in chloroform. Finally an organic laser operation is demonstrated in a solvent-free organics, where Foerster resonant energy transfer is utilized in 9-(2-ethylhexyl)carbazole mixed with coumarin 153 and DCM.;유기 물질은 레이저 장치와 유기발광 장치를 만드는 중요한 물질 중 하나이다. 본 논문에서는 올리고머 플루오린의 광과학적 성질과 용매가 없는 유기 레이저 구현에 대해 연구하였다. 올리고머 플루오린의 5가지 다른 광학적 특성을 공부하였는데, 이는 아래와 같다. 첫번째, 물질이 빛을 흡수한 양에 비해 빛을 내는 정도의 비율인 형광 양자 수율 (photoluminescence quantum yield) 을 용액과 박막에서 공부하였다. 형광 양자 수율이 conjugation length 가 증가함에 따라 증가하였는데, 터플루오린의 용액에서 80 %, 펜타플루오린의 용액에서 82 %, 헵타플루오린의 용액에서 90 % 로 증가하였다. 박막의 경우 터플루오린 박막은 45 %, 열처리 전의 펜타플루오린 박막은 62 %, 열처리후의 펜타 플루오린 박막은 65 %, 헵타플루오린 박막은 51 % 임을 관찰하였다. 두번째, 자연 증폭 방출 현상(ASE)을 빛을 선 모양으로 입사시키고 선의 길이를 바꾸어가면서 측정하는 Variable Stripe Length Method 로 연구하였다. 이 실험방법으로 관찰된 자연증폭방출 현상의 gain 이 터플루오린 박막의 경우 1.31 micro J/cm^2, 열처리 전 펜타플루오린 박막의 경우 5 micro J/cm^2, 열처리 후 펜타플루오린 박막의 경우 3 micro J/cm^2, 헵타플루오린 박막의 경우 0.42 micro J/cm^2였다. 세번째, 열처리 전과 후의 펜타플루오린 박막의 형광 스펙트럼에서 7 nm의 청색이동을 관찰하였다. 네번째, 펜타플루오린 박막의 광루미네선스의 수명에 대해서 공부하였다. 기판이 유리일 때와 금속과 유전체로 각기 구성된 초박막을 여러층 쌓아서 만든 하이퍼볼릭 메타물질 기판 위에 펜타플루오린 박막을 형성하였을때의 lifetime이, ~ 500ps 에서 250ps 로 줄어드는 것을 관찰하였다. 다섯번째, 펜타플루오린의 펌프 프루브 일시적임 흡수특성 실험에서 싱글렛 엑시톤 (singlet exciton) 이 800nm에서의 여기상태흡수 (excited stated absorption) 가 사파이어 기판위에 형성한 박막의 경우 200ps, 클로로포름에 섞은 용액의 경우 500 ps의 여기 수명 (excited lifetime)을 가지고 일어남을 관찰하였다. 마지막으로 유기레이저의 동작이 용매가 없는 유기물질에서 구현되었는데, Foerster 공진 에너지 전달(resonant energy transfer) 이 9-(2-ethylhexyl)carbazole 리퀴드 카바졸과 coumarin 153 염료와 DCM 염료가 섞여져 있는 혼합물에서 일어남이 활용되었다.