Akadēmiskais centrsFotoluminiscences, pastiprinātās spontānās emisijas un tās ierosmes enerģijas sliekšņa vērtības samazināšanas pētījumi organisko lāzera krāsvielu molekulu veidotajās amorfajās plānajās kārtiņās
Jūlija Perveņecka1, Aivars Vembris1, Elmārs Zariņš2, Valdis Kokars2
1 Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts; 2 Rīgas Tehniskās universitātes Lietišķās ķīmijas institūts
Neskatoties uz samērā īsu, taču ļoti aktīvu organisko savienojumu izpēti, kas tika uzsākta pagājušā gadsimta 60. gados, tie jau raduši savu pielietojumu vairākās cilvēcei nozīmīgajās nozarēs, tādās kā medicīna, telekomunikācijas, militārajā industrijā, organiskajā fotonikā, opto-elektronikā u.c. Pilnīgi visās šajās jomās tiek samērā plaši pielietoti lāzeri, tāpēc viens no mūsdienās perspektīviem un pieprasītiem organisko vielu pielietošanas virzieniem ir saistīts ar organisko cietvielu lāzeru izveidi, kas spētu aizstāt pašlaik izmantojamos tradicionālos neorganiskos cietvielu lāzerus. Organiskie cietvielu lāzeri ir lāzeri, kuru aktīvās vides radīšanai tiek izmantotas organiskās krāsvielu molekulas, kas veido amorfas struktūras kārtiņas. Līdz ar tehnoloģijas strauju un nepārtrauktu attīstību un pilnveidošanos, mūsdienās tā kļūst arvien vairāk un vairāk pieprasītāka dažādās nozarēs. Salīdzinājumā ar pašlaik plaši pielietojamiem neorganiskiem lāzeriem, organiskie cietvielu lāzeri būtu daudz lētāki un vieglāk integrējami fotoniskās ierīcēs [1]. Taču ir viens būtisks nosacījums: lāzer-aktīvās vides radīšanai var tikt izmantoti tikai tādi organiskie savienojumi, kuru veidotajās plānajās kārtiņās ir iespējams ierosināt pastiprināto spontāno emisiju (ASE).
Viena no pirmajām lāzerkrāsvielu molekulām, kas vēl līdz šim tiek plaši pielietota fotonikā, ir mūsdienās labi pazīstamas sarkano gaismu emitējošas, stiklveida struktūras veidojošas, DCM organiskās molekulas. Uz DCM hromoforas pamata, vairāku sintēzes procesā veiktu akceptoro un donoro grupu pievienošanas un aizvietošanas rezultātā, tika radīti vairāki desmiti jaunu organisko savienojumu, kuru gaismas emisijas īpašības par vairākām kārtām pārsniedz slavenā DCM emisijas īpašības. Samērā jaunas un vēl ne tik plaši pētītas lāzerkrāsvielas, kas vēl nav paguvušas rast savu pielietojumu ir 2-cianoetiķskābes atvasinājumi, kas tik pat labi var tikt izmantotas sarkanajos – infrasarkanajos lāzeros. Neskatoties uz jauno savienojumu labām gaismas emisijas īpašībām, to veidotajāsplānajās kārtiņās vēl joprojām pastāv lielas starpmolekulārās mijiedarbības, kuru ietekmē palielinās fotoluminiscences dzēšanās, samazinās fotoluminiscences kvantu iznākums un būtiski pieaug pastiprinātās spontānās emisijas ierosmes sliekšņa vērtības. Viens no veidiem, kā samazināt lielas starpmolekulārās mijiedarbības, ir saistīts ar krāsvielu molekulu starpmolekulāro attālumu palielināšanu, ko var panākt tā dēvētajās vies-saimnieka sistēmās, kur gaismu emitējošās krāsvielu molekulas tiek iejauktas polimēra matricā. Variējot polimēra un krāsvielu molekulas,koncentrāciju sistēmā tiek panākta būtiska pastiprinātās spontānās emisijas sliekšņa vērtības samazināšanās, fotoluminiscences kvantu iznākuma palielināšanās, kā arī, pateicoties sistēmas dielektriskās caurlaidības izmaiņu dēļ izraisītajam cietvielu solvatācijas efektam, ir iespējams veikt emisijas spektra pārbīdi vairāku desmitu nanometru robežās atkarībā no krāsvielu molekulas koncentrācijas sistēmā.
Darba gaitā tika pētītas, 2-cianoetiķskābes atvasinājuma un 4H-pirāna atvasinājumu un polimēru veidoto vies-saimnieka sistēmu, amorfas struktūras kārtiņas no šķīduma veidojošo paraugu, optiskās un pastiprinātās spontānās emisijas īpašības un to izmaiņas atkarībā no (1) izmantojamā polimēra un (2) krāsvielu molekulas koncentrācijas polimēra matricā. Plānās kārtiņas tika uzklātas uz stikla pamatnes no hloroforma šķīduma ar “spin-coating”metodi. Fotoluminiscence un pastiprinātā spontānā emisija tika ierosinātas pie katra savienojuma maksimālās absorbcijas viļņa garuma. ASE ierosināšanai tika izmantots Ekspla 310 sērijas impulsa lāzers. Apstarojamā laukuma forma uz parauga virsmas bija svītra ar izmēriem 3x0,4 mm2. Gaismas emisija tika savākta parauga malā un mērīta ar spektrometru OceanOptics HR4000.
Autore iepazīstināslabāko 2-cianoetiķskābes atvasinājumu un dažādu polimēru veidoto vies-saimnieka sistēmu amorfas struktūras plāno kārtiņu paraugu fotoluminiscences un ASE īpašībām; par labākā savienojuma, KTB, emisijas īpašību atkarību no polimēra matricas izvēles un koncentrācijas vies-saimnieka sistēmā; kā arī par turpmākiem pētījumu posmiem un veidoto struktūru perspektīvajām izmantošanas iespējām.
Autori atbalsta mecenāta SIA “Mikrotīkls”. Ziedojumu administrē Latvijas Universitātes fonds, un Eiropas Reģionālās attīstības fonds, projekts Nr.1.1.1.1.1.1 / 16 / A / 046.[1] Sebastien Forget, Sebastien Chenais, “Organic Solid-State Lasers”, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013, Volume 175, p. 179.