Identificação de corantes e matrizes para emissores de guia de onda de polímero dopado com corante cobrindo o espectro visível

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 6142 (2022) Citar este artigo

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Os dispositivos fotônicos baseados em polímeros oferecem a possibilidade de fabricação rolo a rolo de dispositivos fotônicos com boa relação custo-benefício. A incorporação de dopantes luminescentes dentro de um guia de onda de polímero sólido permite a geração de luz dentro do dispositivo, evitando o tedioso acoplamento mecânico de luz. No entanto, quando um dopante é incorporado a uma matriz sólida, dependendo de sua concentração e da natureza dos materiais envolvidos, a luz emitida pode ser extinta devido a efeitos de agregação. Neste trabalho, filmes finos e guias de onda processadas por fotolitografia UV foram obtidos com sucesso a partir de uma seleção de monômeros orgânicos fotopolimerizáveis ​​padrão, SU8, EpoCore e OrmoStamp dopados com uma seleção de corantes padrão como Rodamina-B, Cumarina-540A e Pirrometileno- 580. Todas as estruturas foram fabricadas em substratos de vidro. Foi realizada uma análise da solubilidade e propriedades ópticas, incluindo energia de gap, coeficiente de absorção (\(\alpha \)) e fluorescência dos fotorresistentes dopados em diferentes concentrações. Os fotorresistentes dopados com rodamina-B mostram uma energia mais alta de transição indireta permitida da banda proibida (2,04–2,09 eV) em comparação com os filmes finos de rodamina-B puro relatados anteriormente (1,95–1,98 eV). Protocolos de fabricação de fotorresistentes dopados com corante cobrindo todo o espectro visível são estabelecidos.

Nos últimos anos, os circuitos fotônicos integrados (PICs) baseados em materiais poliméricos têm ganhado cada vez mais atenção da comunidade científica para uma gama cada vez maior de aplicações, incluindo optoeletrônica1, sensores2,3, iluminação4 e computação óptica5.

A fabricação de PICs em uma plataforma de polímero em vez das plataformas de silício mais convencionais e compactas tem duas vantagens principais: os polímeros podem ser transparentes no espectro de comprimento de onda visível, o que significa que os corantes empregados na microscopia convencional podem ser empregados e uma plataforma de polímero permite a tradução futura para a fabricação rolo a rolo econômica do circuito fotônico final6.

A incorporação de materiais luminescentes como pontos quânticos7, corantes8 ou copolímeros fotoluminescentes9 em matriz hospedeira polimérica permite a geração de emissores de luz orgânicos com aplicações em campos como células solares10, amplificadores ópticos11 e sensores de gás e pH12,13.

Corantes que cobrem totalmente a faixa visível do espectro têm sido usados ​​em matrizes poliméricas mostrando solubilidade e estabilidade, embora dependendo do corante e da natureza da matriz, processos como Aggregation Caused Quenching (ACQ)14, Aggregation-Induction Emission (AIE)15 e Aggregation Enhanced A emissão (AEE)16 pode ocorrer afetando as propriedades de emissão. A complexidade das interações matriz-corante torna difícil prever qual matriz combinar com qual corante para obter um guia de onda emitindo em um determinado comprimento de onda.

Neste trabalho, os polímeros à base de epóxi EpoCore e SU8 e o material híbrido inorgânico-orgânico OrmoStamp foram estudados como matrizes poliméricas dopadas com corantes como Rodamina-B (RhB), Cumarina-540A (C540A), Cibacron-Amarelo (CBY), Fluoresceína (FL), Pirrometileno-580 (Py580) e copolímero espiro emissor de luz vermelha (RLSC). Uma variedade muito maior de corantes foi testada, mas foi descartada devido à solubilidade limitada e/ou indicações visíveis de agregação, conforme mostrado no material suplementar.

A natureza fotossensível dessas resinas permite técnicas de fabricação micro/nano, como litografia UV17, gravação direta a laser18, e-beam19, jato de tinta20 e nanoimpressão UV21. Os corantes empregados neste trabalho cobrem a faixa visível do espectro, visando futuras aplicações como lasers integrados, biossensores e comunicações ópticas.

As propriedades ópticas de guias de ondas fotorresistentes dopados com corantes processados ​​por fotolitografia UV são estudadas dentro da faixa de concentração alcançada. Os protocolos de fabricação de cada concentração de dopagem e resistência são apresentados e discutidos.