Criado primeiro laser orgânico totalmente elétrico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/11/2023

O OLED fica no topo, formado pelas camadas orgânicas entre os contatos. Uma voltagem é aplicada a ele, injetando cargas e gerando luz, que por sua vez excita o laser orgânico (metade inferior da figura). O laser orgânico contém uma grade que gera retroalimentação e também difrata parte da luz do laser para fora da estrutura.
[Imagem: Kou Yoshida]

Laser orgânico

Pesquisadores criaram o primeiro laser semicondutor orgânico que não requer uma fonte de luz separada para funcionar, algo que vinha se mostrando extremamente desafiador.

O novo laser totalmente elétrico é mais compacto do que as versões anteriores e opera na região visível do espectro eletromagnético, o que o torna adequado para aplicações em detecção, sensoriamento e espectroscopia.

Os lasers funcionam refletindo a luz para frente e para trás muitas vezes dentro de uma cavidade óptica que compreende um meio de ganho colocado entre dois espelhos. À medida que a luz é refletida entre os espelhos, o meio de ganho a amplifica, estimulando a emissão de mais luz e criando um feixe coerente com uma faixa espectral muito estreita.

O primeiro laser orgânico - isto é, feito de um material à base de carbono - foi criado em 1992. No entanto, ele usava uma fonte de luz separada para acionar seu meio de ganho, o que complicou o projeto e limitou suas aplicações. Desde então, pesquisadores têm tentado encontrar uma maneira de fazer um laser orgânico que funcione usando apenas um campo elétrico para acioná-lo.

A busca de 30 anos acaba de chegar ao destino graças ao trabalho de Kou Yoshida e colegas da Universidade St Andrews, na Escócia.

A versão real é um pouco mais complicada que o esquema da figura anterior.
[Imagem: Kou Yoshida et al. - 10.1038/s41586-023-06488-5]

Recorde mundial

Existem duas estratégias principais para projetar um laser orgânico acionado eletricamente. A primeira é colocar contatos elétricos no meio orgânico de ganho e injetar cargas elétricas através deles. No entanto, isso é complicado de implementar porque as cargas injetadas absorvem a luz através do espectro de luminescência do material por meio dos chamados estados tripletos. Além disso, os próprios contatos também absorvem luz.

Por isso Yoshida optou pelo outro caminho: Distanciar espacialmente as cargas, tripletos e contatos do meio de ganho do laser.

Fazer isso também não foi uma tarefa fácil, já que significava fazer um diodo emissor de luz orgânico (OLED) azul pulsado com uma intensidade de saída de luz que deveria bater o recorde mundial, para que ele fosse capaz de acionar o meio de ganho, dispensando desta forma a fonte adicional de luz.

"Para fazer o dispositivo, inicialmente fabricamos o OLED e a cavidade do laser separadamente, antes de transferir o OLED, [que estava] em um substrato de apenas alguns micrômetros de espessura, para a superfície do guia de ondas do laser," explicou o professor Ifor Samuel. "A integração cuidadosa das duas seções foi crucial para que o meio de ganho acessasse a intensa eletroluminescência gerada internamente no OLED."

Para completar o projeto, a equipe usou uma rede de difração no laser de filme fino para fornecer uma retroalimentação distribuída da emissão de luz estimulada no plano do filme, ao mesmo tempo difratando um feixe de laser de saída a partir da superfície.

Protótipos criados pela equipe.
[Imagem: Kou Yoshida et al. - 10.1038/s41586-023-06488-5]

Uma tecnologia lenta que está acelerando

Os dispositivos semicondutores orgânicos são amplamente considerados uma tecnologia "lenta" porque a mobilidade de cargas nos materiais orgânicos é normalmente ordens de magnitude menor do que nos semicondutores cristalinos de silício ou III-V. Mas esta inovação pode começar a mudar essa percepção e ampliar o uso dos lasers orgânicos.

Quanto às aplicações, os pesquisadores afirmam que os novos lasers semicondutores orgânicos totalmente elétricos podem ser facilmente integrados em dispositivos médicos para uso no consultório - vários equipamentos de detecção e espectroscopia baseadas em luz são usados para diagnosticar doenças ou monitorar sintomas.

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