Riassunto analitico
La continua crescita di interesse nei semiconduttori organici è dovuta sia al mondo accademico che a quello industriale. Dal punto di vista della ricerca di base, i materiali organici sono sistemi affascinanti le cui proprietà funzionali sono strettamente connesse alla interazione tra la loro struttura elettronica ed il loro impaccamento molecolare. Questo aspetto, unitamente alla loro multifunzionalità intrinseca (cioè la possibilità di combinare diverse proprietà quali il trasporto di carica, generazione di elettroluminescenza e caratteristiche fotoniche) e facilità di elaborazione in soluzione su larga area e substrati flessibili, rende i materiali organici adatti ad una notevole varietà di applicazioni. In particolare, i materiali organici sono promettenti candidati per applicazioni di nicchia nel campo delle comunicazioni ottiche, dato che combinano le proprietà dei materiali plastici con elevate cross-section ottiche, grandi e ultraveloci risposte non lineari, e un'ampia sintonizzabilità spettrale. Tra la pletora di differenti dispositivi organici optoelettronici, i transistori organici emettitori di luce (OLETs) stanno emergendo come una classe innovativa di dispositivi multifunzionali che integrano le proprietà elettroniche di un transistore e la capacità di generazione di luce. Infatti, la localizzazione della zona di ricombinazione e di emissione di luce posizionata lontano dagli elettrodi combinata a elevate densità di corrente permette di generare alta densità di eccitoni e prevenire contemporaneamente l'interazione eccitone-metallo e le perdite di fotoni indotte dagli elettrodi, requisiti essenziali per realizzare luminose ed efficienti fonti di luce su scala micrometrica per applicazioni di sensoristica avanzata e illuminatori. Lo scopo di questa tesi è la progettazione di architetture innovative in OLETs per la realizzazione di una piattaforma fotonica organica altamente integrata. In particolare, abbiamo ingegnerizzato la generazione di luce in OLET gestendo i processi di formazione degli eccitoni e di fotoni in uscita nei dispositivi organici tramite l'ottimizzazione delle regioni attive. In effetti, siamo riusciti a realizzare e testare OLETs con una zona di emissione su misura, efficienti e con alta luminosità. Infine, abbiamo implementato componenti fotonici passivi basati su nanostrutture organiche e ibride come strato funzionale all'interno della struttura del dispositivo. In particolare, l'utilizzo di cristalli fotonici inorganici Bragg-riflettenti come dielettrico di gate high-k consente il controllo di gestione della luce in termini di elettroluminescenza, direzionalità e modulazione spettrale con evidente riduzione delle perdite ottiche all'interno del dispositivo. Inoltre, l'adeguata integrazione di nanostrutture di feedback, come Bragg-riflettori planari e Distribuited Feedback (DFB) nella geometria FET è un passaggio obbligato verso la possibile realizzazione dei tanto ricercati laser organici elettricamente guidati, una volta che il semiconduttore organico sarà dotato di proprietà di amplificazione della luce.
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Abstract
The continuously growing interest in organic semiconductors is due to both academia and industry. On the basic research side, organics are fascinating systems whose functional properties are strictly connected to the interplay between their electronic structure and their molecular packing. This aspect, together with their intrinsic multifunctionality (i.e. the possibility to combine several properties such as charge-carrier transport, electroluminescence generation and photonic features) and ease of solution-processing on large-area and flexible substrates, makes organics suitable for a variety of applications. In particular, organics are a promising candidates for niche applications in the field of optical communications, since they combine the material properties of plastics with high optical cross-sections, large and ultrafast nonlinear responses, and broad spectral tunability.
Among the plethora of different optoelectronic organic devices, organic light-emitting transistors (OLETs) are emerging as an innovative class of multifunctional devices that integrate the electronic properties of a transistor and the light generation capability. Indeed, the localization of the recombination and light emission zone far from the injecting electrodes combined with high current densities allows to generate high exciton density and to prevent exciton-metal quenching and electrode-induced photon losses, which is essential to realize highly efficient and bright micron-scale light sources for sensing and display applications.
The aim of this thesis is the engineering of innovative architectures in OLETs for realizing a highly-integrated photonic organic platform. In particular, we mastered the light generation in OLETs by tuning the exciton formation and photon outcoupling processes in devices with optimized organic active regions. Indeed, we succeeded in realizing and testing OLETs with tailored emission area, outcoupling efficiency and brightness.
Finally, we implemented passive photonic components based on organic and hybrid nanostructures as functional layer within the OLET device structure. In particular, the use of inorganic photonic crystal Bragg-reflector as high-k gate dielectric allows us to control light management in terms of electroluminescence directionality and spectrum modulation with evident reduction in optical losses within the device stack.
Moreover, the suitable integration of feedback nanostructures such as planar Bragg reflectors and linear distributed feedback gratings into the in-plane FET geometry is a mandatory step towards the possible realization of long-researched electrically pumped organic laser once the organic semiconductor is endowed with light amplification properties.
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