بخشی از مقاله
چکیده
دیودلیزرهای ارگانیک دارای کاربردهای فراوانی در زمینههای مهندسی پزشکی، چاپ دیجیتال و موارد امنیتی هستند. این مسئله ناشی از ویژگیهای منحصربهفرد این لیزرهاست. در حالت کلی دو نوع تحریک نوری و الکتریکی برای عملکرد لیزر لازم است که عمومـاً از تحریک نوری استفاده میشود. اما در این حالت نیاز به یک منبع نوری اضافی و در نتیجه هزینه بالاست. ازطرفـی لیزینـگ در حالـت تحریک الکتریکی بهموجب تلفات فراوان محقق نشدهاست. دلیل این تلفات زیاد، محدودیت موبیلیتی در نیمـههـادی هـای ارگانیـک است. در این مقاله به بررسی مهمترین اتلاف یعنی فرآیندهای نابودی دومولکولی در تحریک الکتریکی مـیپـردازیم و بـااسـتفادهاز شبیهسازی عددی، عوامل مؤثر بر آن را شناسایی میکنیم؛ بلکه بتوان راهحلی برای غلبه بر این تلفات و تحقق تحریک الکتریکی این دیودلیزرها یافت. چراکه در این حالت هزینه سیستم نسبت به تحریک نوری کاهش خواهدیافت.
کلمات کلیدی
دیودلیزرارگانیک، تلفات، تحریک الکتریکی، اکسیتون، نابودی دومولکولی
-1 مقدمه
بیش از چندین دهه از تحقق دیودلیزرهای ارگانیک با تحریک نوری میگـذرد .[1-3] این لیزرها بهواسطه استفاده از مواد ارگانیک بهعنوان ماده فعال، دارای ویژگیهای منحصربهفردی مانند حجم کم، تنظیمپذیری در محدوده طیف نور مرئی، انعطافپذیری و هزینه پایین میباشند. تحریک این لیزرهـا و درنتیجـه دستیابی به بازدهی نوری به دو صـورت ممکـن اسـت: الکتریکـی و نـوری. تحریک نوری بااستفاده از منابع پمپ اضافی صورت مـیگیـرد درحـالیکـه در تحریک الکتریکی ایجاد وارونگی جمعیت و دستیابی به گین نوری بهوسـیله تزریق جریان صورت میگیرد.
تاکنون لیزینگ با تحریک الکتریکی گزارش نشده است. زیرا فرآینـدهای مختلف تلفات در این حالت، مانع رسیدن لیزر به آستانه لیزینگ میشوند. اکثر
×
این تلفات ناشیاز موبیلیتی کم نیمههادیهـای ارگانیـک هسـتند. مهـمتـرین فرآیندهای تلفات شامل نابودی دومولکولی، گسستگی اکسیتون دراثـر میـدان الکتریکی، جذب فوتون توسط پلارون و جذب فوتون توسط اکسایتون سهگانه میباشند. هدف این مقاله بررسی مهمترین نوع اتلاف یعنی فرآیندهای نابودی دومولکولی و عوامل مؤثر بر آن است تا با یافتن راهحل مناسب بـرای کـاهش آن به تحقق تحریک الکتریکی نزدیک شویم.
-2 نابودی دومولکولی
یکی از دلایل عدم تحقق تحریک الکتریکی دیودلیزرهای ارگانیک فرآیندهای نابودی دومولکولی هستند. طی این فرآینـدهـا انـرژی یـک ذره (حامـل بـار، اکسیتون یا پلارن) به ذره دیگری منتقل میشود؛ درنتیجه ذره اول به پـایین-ترین حالت انرژی آرامش یافته و ذره دوم به ترازهای انرژی بالاتر برانگیختـه
میشود و سپس به تراز پایینتر آرامش مـییابـد .[4,5] بنـابراین فرآینـدهای نابودی دومولکولی با دو ذره درگیر هستند، بنابراین نرخ نابودی مؤثر به حاصل ضرب چگالی دو ذره بستگی دارد و در نتیجه این فرآیندها بهویژه در تحریـک بالا مهم هستند که در آن چگالی ذرات بالا حضور دارند. ازطرفی مـوبیلیتی در نیمههادیهای ارگانیک کمتر است از موبیلیتی در نیمههادیهای غیرارگانیک. لذا چگالی حامل بار بالا جهت دستیابی بـه چگـالی جریـان در رنـج چنـدین kA/cm2 مورد نیاز است، چراکه چگالی جریان آسـتانه در ایـن دیـودلیـزرهـا حدود1 kA/cm2 است. بنابراین جهت دستیـابی بـه چگـالی جریـان بـالای آستانه و درنتیجه عملکرد لیزر، به چگالی ذرات در رنج 1019 /cm3 نیاز داریـم و در این رنج چگالی ذرات نابودیهای دومولکولی اثر خود را آشکار میکنند.
در عمل، اثر شش نوع نابودی دومولکولی روی عملکـرد لیـزر چشـمگیـر است. این نابودیها عبارتنداز: نابودی تکی-تکی (SSA)، نابودی تکی-سـه-گانه (STA)، نابودی سهگانه-سهگانه (TTA)، نابودی تکی-پلارن (SPA)، نابودی سهگانه-پلارن (TPA) و عبور بین سیستمی .(ISC) درادامه اثـر ایـن فرآیندها روی دو اکسیتون تکی و سهگانه را بررسی می کنـیم و بـااسـتفاده از شبیهسازی عددی بااسـتفاده از نـرمافـزار متلـب عوامـل مـؤثر بـر نـرخ آن را شناسایی خواهیمکرد.
-1-2 اکسیتونهای تکی
اکثر فرآیندهای نابودی دومولکولی، روی چگالی اکسیتونهای تکی اثر منفـی دارند. ازطرفی اکسیتونهای تکی عوامل تولید گین نـوری در دیـودلیـزرهـای ارگانیک هستند؛ بنابراین انتظار میرود ایـن فرآینـدهـا اثـر چشـمگیری روی آستانه دیودلیزرهای ارگانیک داشتهباشند. جهت تخمین اثر فرآیندهای نابودی دومولکولی روی آستانه لیزر یک قطعه واقعی، مقادیر مطلـق ثابـتهـای نـرخ نابودی مهم هستند، در جدول (1) نمونهای از ثابتهای نرخ برای چند مـاده و ثابتهای نرخ استاندارد آوردهشدهاست .]4,6-10[ اثر فرآیندهای نـابودی دو-مولکولی روی اکسیتونهای تکی بااستفاده از رابطه زیر بیان شدهاست ]11[
(1)
که در آن پارامترهای k در هر جمله نمایانگر ضرایب ثابـت نـرخ فرآینـد نابودی مربوط به آن جمله هستند، ξ احتمال شکلگیری اکسیتونهـای تکـی طی فرآیند نابودی است ( برای اکسـیتونهـای تکـی [5] ( ξ=0.25، nS1 و nT1 بهترتیب چگالی اکسیتونهـای تکـی و سـهگانـه هسـتند و ne نمایـانگر چگالی الکترونها و nh نیز نمایانگر چگالی حفرههاست. باتوجهبـه رابطـه (1)، مشخص است که نرخ اکسیتونهای تکی طی ایـن فرآینـد بـه حاصـلضـرب چگالی دو ذره بستگی دارد و همانطور که بیان شد این فرآینـد در چگـالی ذره بالا اثر چشمگیری دارد.
برای بررسی تأثیر نابودی دومولکولی روی چگالی اکسیتونهای تکی، اثر ضرایب نرخ مختلف را روی چگالی اکسیتون تکی بررسی میکنیم. لازمبهذکر است که تمام شـبیهسـازیهـا بـرای دیـودلیـزر بـا سیسـتم مهمـان-میزبـان Alq3/DCM بهعنوان ماده فعال، صورت گرفتهاند. همچنین مقـادیر مقـادیر ضرایب نرخ استاندارد در جدول (1) بهکار رفتهاند. نتایج حاصل از ایـن شـبیه-سازیها را میتوان در تصاویر (1) تا (6) مشاهده کرد.
