可視スペクトルをカバーする色素ドープポリマー導波路エミッタ用の色素とマトリックスの同定

Scientific Reports volume 12、記事番号: 6142 (2022) この記事を引用

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ポリマーベースのフォトニックデバイスは、コスト効率の高いロールツーロールのフォトニックデバイス製造の可能性を提供します。 固体ポリマー導波路内に発光ドーパントを組み込むことにより、面倒な機械的光結合を回避してデバイス内での光の生成が可能になります。 ただし、ドーパントが固体マトリックスに埋め込まれている場合、その濃度と関係する材料の性質によっては、凝集効果により発光が消光される可能性があります。 この研究では、ローダミン-B、クマリン-540A、ピロメテンなどの標準色素をドープした標準的な光重合性有機モノマー、SU8、EpoCore、OrmoStamp の選択から、UV フォトリソグラフィーによって処理された薄膜とリッジ導波路を取得することに成功しました。 580。 すべての構造はガラス基板上に製造されました。 さまざまな濃度でドープされたフォトレジストの溶解度、バンドギャップエネルギー、吸収係数 (\(\alpha \))、蛍光などの光学特性の分析が行われました。 ローダミン B をドープしたフォトレジストは、以前に報告されている純粋なローダミン B 薄膜 (1.95 ～ 1.98 eV) と比較して、より高い間接許容バンドギャップ遷移エネルギー (2.04 ～ 2.09 eV) を示します。 可視スペクトル全体をカバーする色素ドープフォトレジストの製造プロトコルが確立されています。

近年、ポリマー材料をベースとしたフォトニック集積回路 (PIC) は、オプトエレクトロニクス 1、センサー 2、3、照明 4、光コンピューティング 5 など、ますます幅広い用途で科学界からの注目を集めています。

従来のコンパクトなシリコン プラットフォームではなくポリマー プラットフォームで PIC を製造することには、2 つの大きな利点があります。 1 つはポリマーが可視波長スペクトルで透明であるため、従来の顕微鏡で使用されている色素を使用できること、もう 1 つはポリマー プラットフォームにより将来の変換が可能であることです。最終的な光回路のコスト効率の高いロールツーロール製造6．

量子ドット 7、色素 8、またはフォトルミネセンスコポリマー 9 などの発光材料をポリマーホストマトリックスに組み込むことにより、太陽電池 10、光増幅器 11、ガスおよび pH センサー 12、13 などの分野で応用される有機発光体の生成が可能になります。

スペクトルの可視範囲を完全にカバーする染料は、染料とマトリックスの性質に応じて、凝集原因消光 (ACQ)14、凝集誘起発光 (AIE)15、および凝集促進などのプロセスを示すものの、溶解性と安定性を示すポリマーマトリックスに使用されています。放出 (AEE)16 が発生し、放出特性に影響を与える可能性があります。 マトリックスと色素の相互作用は複雑であるため、特定の波長で発光する導波路を実現するためにどのマトリックスとどの色素を組み合わせるかを予測することが困難になります。

この研究では、エポキシベースのポリマー EpoCore および SU8 と無機 - 有機ハイブリッド材料 OrmoStamp が、ローダミン B (RhB)、クマリン 540A (C540A)、シバクロン イエロー (CBY)、フルオレセイン (FL)、ピロメテン 580 (Py580)、および赤色発光スピロ共重合体 (RLSC)。 はるかに幅広い種類の染料がテストされましたが、補足資料に示されているように、溶解度が限られていたり、凝集の目に見える兆候が見られたりするため、廃棄されました。

これらの樹脂の感光性により、UV リソグラフィ 17、直接レーザー書き込み 18、電子ビーム 19、インクジェット 20、UV ナノインプリント 21 などのマイクロ/ナノ製造技術が可能になります。 この研究で使用されている色素は可視スペクトル範囲をカバーしており、統合レーザー、バイオセンサー、光通信などの将来のアプリケーションをターゲットにしています。

UVフォトリソグラフィーによって処理された色素ドープフォトレジスト導波路の光学特性を、達成された濃度範囲内で研究した。 各ドーピング濃度とレジストの製造プロトコルを示し、説明します。

私たちの知る限り、UV リソグラフィーによって処理されたドープされた OrmoStamp の導波路はこれまで報告されていませんでしたが、クラッド材料として使用されていました 22。

この研究の動機は、導波管構造への成形に適合し、従来の導波管ベースのセンサーと簡単に組み合わせることができるポリマー発光マトリックスの生成です。 この研究は、フォトニック導波路ベースのセンサーに向けた最初のステップを形成します。このセンサーは、外部光 (通常はレーザー) 光源の退屈で機械的に困難な結合を必要としません。 発光マトリックスは、マイクロメートルサイズの導波路構造の導波モードに光を注意深く結合する必要がなく、外部レーザー光または発光ダイオードのいずれかを照射することによって励起することができる。

視覚スペクトル全体をカバーするマトリックスと色素の組み合わせを特定することで、直接色検出および/または励起用にさまざまな二次色素に最適化できる完全なスペクトルの自由度を備えたセンシング プラットフォームが可能になり、最終的な導波路ベースのセンサーに採用できるようになります。 。 導波管センサーは通常、完全に発光構造から作られるわけではありません。この構造は光の流入によって励起されない部分で吸収する傾向があり、従来の導波管としてのエミッターの品質は二の次になるためです。

分子量 479.01、376.27 のローダミン B (RhB)、フルオレセイン ナトリウム塩 (FL)、シバクロン ブリリアン イエロー 3G-P (CBY)、クマリン 540A (C540A) およびピロメテン 580 (Py580) の 5 つの色素が研究されています。 、８３１．０２、３０９．２９、および３７４．３２ｇ／モルのそれぞれ、ならびに１８０，０００ｇ／モルの平均分子量を有する光輝性赤色発光スパイロ共重合体（ＲＬＳＣ）である。 Luxottica Exciton によって提供された C540A および Py580 を除き、すべての色素は Sigma Aldrich によって供給されました。 UV フォトリソグラフィーと薄膜作製に使用したフォトレジストは、エポキシベースのネガ型フォトレジストである EpoCore-2 および SU8-2001 シリーズと、有機・無機ハイブリッド ネガ型フォトレジストである OrmoStamp でした。 すべてのフォトレジストは MicroChem によって供給されました。 ガラス基板をサンプルの製造支持体として使用しました。

フォトレジストおよび染料は購入したまま使用した。 SU8 と EpoCore のプレポリマーは室温で固体であり、ポリマー固有の溶媒に溶解します。 OrmoStamp の場合、プレポリマーは周囲温度で液体であり、溶媒を含みません。

UV フォトリソグラフィーによる薄膜と微細構造の製造プロトコルを以下に説明します。 染料は、溶媒を添加せずに、フォトレジストの溶液に直接溶解されます。 OrmoStamp の場合、プレポリマーは染料の溶媒としても機能します。 Py580 をドープした EpoCore のサンプルは、溶解度が非常に低いため入手できませんでした。

均質な溶液を得るために、膜堆積前に各プレポリマー色素ドープ溶液に対して 1 時間激しく磁気撹拌し、続いて 2 時間超音波浴を適用し、基板をディープ UV クリーナーで 20 分間処理しました。 UVO-Cleaner (Jelight Company、モデル 18) で付着を促進します。 薄膜の堆積はスピンコーティング（ローレル、WS-650-23NPP）によって実行されました。 導波路構造は、出力 4 mW/cm2 の UV フォトリソグラフィー (OAI、Hybralign シリーズ 400) を使用して得られました。

異なる濃度の 1 mL の RhB および Py580 のプレポリマー溶液を調製しました。 RhBをドープしたSU8の場合、使用濃度は1、4、および7 mMであり、Py580ドーピングの場合は1、4、7、および20 mMでした。 洗浄され表面活性化されたガラス基板がスピナー上に置かれたら、均質な溶液をパスツールピペットで分配し、気泡を避けてガラス表面全体を覆うように試みます。 回転パラメータは、各サンプルについて 30 秒間 2000 rpm でした。 薄膜堆積後、サンプルをホット プレート上に置き、65 °C で 3 分間、95 °C で 6 分間の 2 つのステップのプリベークを完了します。 続いて、幅 15 μm、ピッチ 160 μm の導波路を備えたフォトマスクを使用して、サンプルを UV 光に露光します。 露光時間は色素ドーピングによって異なります。 1、4、および 7 mM の RhB の場合、曝露時間は 250、1400、および 1700 秒であり、1、4、7、および 20 mM の Py580 の場合、必要な時間は 100、150、250、および 650 秒でした。 次に、65 °C で 3 分間、95 °C で 10 分間の 2 段階のポストベークが実行されます。 UV 光にさらされていないプレポリマーを除去するには、1 分間の現像ステップが必要です。 このステップで使用される溶媒は、1-メトキシ-2-プロピルアセテートです。 最後に、サンプルを 150 °C のオーブンに 30 分間入れるハードベークによってプロセスは完了します。

異なる濃度の RhB ドーピングと Py580 ドーピングの間の製造プロトコルは、露光時間が異なります。 露光時間は重合構造を得るためにすべてのサンプルで最適化されており、色素濃度が増加するにつれて増加します。 マトリックス内にドーピングされた色素は、重合時の化学反応を妨げ、光開始時に UV 光を吸収します。

１、３、および５ｍＭの濃度でＲｈＢをドープした１ｍＬのＥｐｏＣｏｒｅのプレポリマー溶液を調製した。 同じ一般的な SU8 製造プロトコルにも従っており、同じフォトマスクが使用されていますが、若干の違いがあります。 スピン コーティング堆積は 3000 rpm で 30 秒間実行されました。 プリベークは 2 つのステップで行われますが、50 °C で 3 分間、90 °C で 6 分間行われます。 1、3、および 5 mM のドーピングに必要な曝露時間は、70、150、および 250 秒でした。 ポストベーク ステップは 65 °C で 3 分間、その後 95 °C で 10 分間です。 未露光のプレポリマーを除去するために、市販の現像液（mr-Dev 600、MicroChem 社製）を使用して現像を行います。 最後に、140 °C で 30 分間ハードベークします。

SU8 の場合と同様に、染料濃度が増加すると露光時間も長くなります。 SU8 と EpoCore の間の露出時間の変化は比較できませんが、これは化合物と光開始剤の化学構造の違いによるものと考えられます。

RhBおよびC540Aを2、5、および7 mM、および10、30、および50 mMでドープしたOrmoStamp 3 mLの溶液をそれぞれ調製しました。 以前の材料と同様の製造プロトコルに従います。 展示で使用されたフォトマスクは、幅 1000 μm の単一導波路でした。 完全に均質なプレポリマー溶液を得るには、撹拌時間を 5 時間まで延長し、続いて超音波浴を 3 時間続けます。 スピン コーティング堆積は 3000 rpm で 30 秒間行われます。 すべてのサンプルのプリベークは 80 °C で 2 分間行われます。 OrmoStamp には溶剤が含まれていないため、この手順は密着性を高めるためにのみ必要です。 UV 露光時間は染料の含有量によって異なります。 ２、５および７ｍＭのＲｈＢの場合、曝露時間はそれぞれ１５００、２０００および２５００秒であり、１０、３０、５０ｍＭのＣ５４０Ａドーピングの場合、必要な時間は２０００、２４００および２６００秒であった。 ポストベークは、130 °C で 10 分間の 1 ステップです。 使用した現像液は OrmoDev (MicroChem 社製) で、1 分間使用しました。 最後に、130 °C で 30 分間ハード ベークを実行します。

前のケースと同様に、OrmoStamp の露光時間も同じ理由で染料濃度とともに増加します。

EpoCore 構造と SU8 構造の厚さは、それぞれ 2 μm と 1.2 μm です。 OrmoStamp の場合、得られた厚さは 4.4 μm でした。 プレポリマーの液体の性質により、OrmoStamp 導波路リソグラフィーには非接触フォト リソグラフィーが使用され、その結果、より幅の広い導波路構造を採用する必要がありました。

厚さ（高さ）は、リッジ導波路構造（Veeco、Dektak 150）上にプラスチックのスパチュラを用いた機械的マーキングを使用して、フィルムの形状測定によって測定した。 表面トポグラフィーの 3D マップも同様に表面形状計で作成されました。 導波路の幅は標準的な偏光顕微鏡で光学的に推定され、表面形状計で確認されました。

光吸収と発光の特性評価は、ポリマーマトリックス内部の色素のより均一な励起を確実にするために、開発された導波路ではなく、ガラス基板上に堆積されたフィルム上で実行されました。 吸収スペクトルは UV-VIS 分光光度計 (Perkin-Elmer、Lambda 2) を使用して測定しましたが、蛍光発光はフィルム表面に対して垂直にサンプルを励起して測定しました。 サンプルからのエッジ発光はマルチモードファイバーによって収集され、カスタムメイドのスペクトルアナライザーに取り付けられたCCDセンサー（浜松市、S11155-3048-02）で分析されました。 発光特性評価の概略セットアップを図 1 に示します。色素ドープフォトレジストの蛍光特性評価に使用したセットアップの写真。 532 nm レーザーがサンプルに垂直に入射し、ファイバー束と分光光度計を使用して蛍光がエッジオンで測定されます。 ポンピング源は、RhB および Py580 がドープされたフォト樹脂の場合は 532 nm、C540A がドープされたフォトポリマーの場合は 405 nm のレーザーでした。

染料をドープしたフォトレジストの蛍光特性評価に使用したセットアップの写真。 532 nm レーザーがサンプルに垂直に入射し、ファイバー束と分光光度計を使用して蛍光がエッジオンで測定されます。

さまざまなプレポリマー溶液中の最大染料濃度が決定されています。 表 1 は、調査した 3 つのフォトレジストと 6 つの染料の溶解性と重合特性をまとめたものです。

ドープフォトレジストの薄膜およびリッジ導波路の製造は、プレポリマー溶液自体の染料の溶解度だけでなく、ポストベークステップ中の光開始およびその後の架橋の染料の阻害によっても制限されます。 最後に、重要な側面は、重合フォトレジスト内の染料の発光特性です。

染料の存在は UV 光の吸収を引き起こすだけでなく、染料分子が成長するプレポリマー鎖間の化学的相互作用を妨げる可能性があります。 重合阻害により、UV 線量が 10 倍に増加した場合でも、RhB ドープ SU8 微細構造の濃度が 7 mM 未満に制限され、フォトリソグラフィー プロセスの終了時に微細構造が不十分/不明確になりました。 同じ効果により、Ｐｙ５８０によるＳＵ８ドーピングが制限され、明確に定義された微細構造を得ることができる最高ドーピング濃度は２０ｍＭであった。 反対に、RhB をドープした OrmoStamp と EpoCore に課せられた制限は、それぞれ 7 mM と 5 mM より高い濃度で均一な溶液を得ることが不可能であったため、色素の溶解度でした。

SU8 では、前述したように、ハードコンタクト UV フォトリソグラフィーを使用して、ピッチ 160 μm の幅 15 μm の導波路が製造されました。 図 2 は、RhB と Py580 をドープした SU8 導波路色素を示しており、色素の存在が導波路の製造に影響を与えないことが確認されています。 OrmoStamp と Epocore でも同様の結果が得られ、上記のようにドーピング時に UV 露光時間を大幅に延長する必要がありましたが、使用した色素濃度は最終的な導波路の品質に目立った影響を与えませんでした。

(a) 7 mM の RhB をドープした SU8、(b) 5 mM の RhB をドープした EpoCore、(c) 5 mM の Py580 をドープした SU8、(d) 7 mM の RhB をドープした OrmoStamp、(e) のリッジ導波路C540Aを50 mMでドープしたOrmoStampと（f）リッジ導波路の構造は、wとhがそれぞれ幅と高さに対応します。 AC 導波管の幅は 15 µm ですが、OrmoStamp の幅は 1100 µm です。

表 2 は、製造された導波路の構造特性をまとめたものです。 異なる染料をドープしたフォトレジストでは、厚さの変化は見られませんでした。 OrmoStamp の導波路は、接触リソグラフィーを避けるために幅広に作られています。 スピンコートされたフィルムの高さは、フィルムと開発された導波路の両方で同一でした。

膜形態のトポグラフィーは補足資料にあります。

材料の吸光度 (A) は、吸収係数と測定された光路長によって決まります。

ここで、α は吸収係数、d は膜厚、\(I\) と \({I}_{0}\) はそれぞれ出力光強度と入力光強度に対応します。

異なるドーピング濃度について、RhBおよびPy580を含むSU8からそれぞれ作製された厚さ1.2μmの薄膜の吸収係数（α）対波長を図3a、dに示します。 前者は、565 nm に主吸収ピークがあり、525 nm に肩があります。 後者では、主な吸収ピークは 523 nm に中心があり、より高いエネルギーの 494 nm に肩が現れます。

SU8、EpoCore、および OrmoStamp 薄膜の吸収係数 (α) 曲線のスペクトル分布 (a) 1 mM、4 mM、および 7 mM の濃度で RhB をドープした厚さ 1.2 μm の SU8、(b) 厚さ 1.2 μm で RhB をドープした EpoCore濃度 1 mM、3 mM、および 5 mM、厚さ 2 μm、(c) 濃度 2、5、および 7 mM で RhB をドープした厚さ 4.4 μm の OrmoStamp、(d) Py580 を 1 mM でドープした SU8 、4 mM、7 mM、および20 mM、厚さ1.2 μm、および（e）C540Aを10 mM、30 mM、および50 mMでドープした厚さ4.4 μmのOrmoStamp。 すべての濃度は、プレポリマー内の染料の濃度を反映しています。

図 3b は、1、3、5 mM の 3 つの濃度で RhB をドープした、厚さ 2 μm の EpoCore フォトレジストの薄膜セットのスペクトル吸収係数を示しています。 SU8 と同様に、吸収ピークは 565 nm 付近にあります。

ファブリペローエタロンの干渉パターンは、薄膜内での前後の反射によって引き起こされる吸収測定で観察できます。 プレポリマー溶液中の染料の同じモル溶液の吸収の変化は、主に材料の体積変化を反映します。 Ormostamp (溶媒を含まない) は重合時にその体積を実質的に維持しますが、SU と EpoCore はどちらもプリベーク中に溶媒が蒸発するため体積が減少し、最終的なポリマーの染料濃度がはるかに高くなります。 ファブリーペロー干渉振動は、さまざまなサンプルの厚さの均一性を示しています。 図3eではっきりとわかるように、吸収が高いサンプルでは振動振幅が減衰します。

干渉縞が存在すると、いくつかの吸収スペクトルに肩が現れます。

C540AをドープしたSU8およびEpoCoreの薄膜の吸収スペクトルは、その溶解度によって制限されるどの濃度範囲でも特異的な吸収を示しません（補足図S1）。 染料を含むプレポリマー溶液は、ポストベーク前の薄膜と同様に目に見えて吸収性がありますが（補足図S2）、ポストベーク後はフィルムの色が失われます。 これは、高濃度の溶媒またはマトリックスで見られるように、色素分子間の分子軌道 (π-π) 相互作用を引き起こす部分的な相分離 23 か、または色素がマトリックスの重合中に崩壊するか、または次のような方法で重合したマトリックスと結合するためであると考えられます。吸収スペクトルが大幅に変化します。

表 1 からわかるように、RhB は 3 つのマトリックスすべてに可溶でした。 図 3 は、c) 2、5、および 7 mM の濃度で RhB をドープした OrmoStamp の薄膜、および e) 4.4 μm の濃度で 10、30、および 50 mM の濃度で C540A をドープした OrmoStamp の薄膜の吸収係数 (α) のスペクトル分布を示しています。厚さ。 RhB ドーピングを考慮すると、主な吸収ピークは 561 nm に現れ、ショルダーは 520 nm に現れます。つまり、同じ染料をドープしたエポキシベースのフォトレジストに対して両方とも約 5 nm 青色にシフトします。

エポキシベースの樹脂とは異なり、C540A は OrmoStamp に容易に溶解し、最大 50 mM の濃度で 412 nm を中心に吸収ピークが現れます。 比較的厚い 4.4 μm の薄膜が生成されました。

ドープされたエポキシベースのフォトレジストと比較して、RhB がドープされた OrmoStamp の薄膜では非常に低い吸収係数が得られました。

滑らかな吸収シグナルは、C540A 含有量 10 Mm で得られます。この場合、ファブリペロー干渉が明らかに支配的です。

吸収係数の最大値は、各マトリックスの色素濃度とはほぼ線形に独立しています。 所定の公称濃度に対する吸収の違いは、プレポリマー混合物で濃度が定義されており、含まれる溶媒の量が異なるため、重合構造の最終濃度が異なることを反映しています。

RhB、Py580、C540AをドープしたSU8、EpoCore、OrmoStampのポリマー薄膜の発光スペクトルを図4に示します。3つの色素と適切なマトリックスの組み合わせにより、この研究の目的である可視スペクトル全体がカバーされます。

色素をドープした薄膜の発光スペクトル。

それぞれ厚さ 1.8 μm、2 μm、および 4.4 μm の上記と同じフィルムの特性を評価しました。 RhB および Py580 をドープしたポリマーは緑色 532 nm レーザーで励起し、C540A ドーピングは 405 nm の青色レーザーで励起しました。 C540A をドープした OrmoStamp は、FWHM 112 nm の最も広帯域の発光を示します。

Tauc ら 24 は、アモルファス半導体のバンドギャップ エネルギーを計算する方法を開発し、これが色素ドープ ポリマーに適用できることが証明されています 25、26。 吸収係数 α と光子エネルギーの関係は次のように表すことができます。

ここで、B は遷移の確率に関連する定数、h \(\nu \) は光子のエネルギー、Egap はバンドギャップ エネルギーです。 m の値は、考慮される遷移によって異なります。直接ギャップの許可および禁止遷移の場合は、それぞれ m = 1/2 および m = 3/2、間接ギャップの許可および禁止遷移の場合は、m = 2 および m = 3 、 それぞれ。

直接許容されるバンドギャップ遷移を、ドープされたすべての薄膜について研究した。 エネルギーバンドギャップは、図 5 に例示されているように、曲線の直線部分を横軸に外挿することによって得られます。 (h\nu \) Py580 を 20 mM ドープした SU8 の m = 1/2 および m = 2 曲線。

(a) m = 1/2 および (b) m = における、厚さ 1.8 μm、20 mM の Py580 をドープした SU8 薄膜の (αhν)1/m (eV/cm)1/m とエネルギー (eV) の関係2、Tauc のプロットに従ったバンド ギャップ エネルギーの計算。

Tauc のモデルはまた、吸収プロセス中に遷移が起こるかどうかを知るためのグラフィカルな方法を確立します。つまり、特定の値 m に対して、(αhν)1/m (eV/cm) の関係が成立する場合にグラフ内の直線部分を示すことによって行われます。 )1/m 対エネルギーがプロットされています。 図 5 に示すように、検査したすべてのフィルムで同様のグラフが得られました。 色素をドープした PMMA フィルムについても、同様の結果が以前に得られています 25、26。

表 3 は、調査したすべての薄膜 (ドープおよび非ドープ) の直接および間接の許容遷移に対して得られたバンド ギャップ エネルギーをまとめたものです。 間接バンドギャップの計算値は、ドープされた薄膜とドープされていない薄膜の対応する直接遷移の値よりも低くなります。

結果は、ドープされたポリマーの各セットの仕事濃度の範囲において、バンドギャップ エネルギーが濃度とともに減少することを示しています。 同じ現象が他の著者によって報告されており 27、染料分子同士の分子間相互作用、およびポリマー分子との分子間相互作用の変化に起因すると考えられます。

RhB サンプルで見られるバンドギャップの一般的な増加は、純粋な色素薄膜と比較した場合の色素とポリマーマトリックスの間の分子相互作用の同じ変化に起因すると考えられます。

有機およびハイブリッド有機および無機ポリマー構造は、自発光膜とリッジ導波路を得るために色素をドープされ、これにより、最終的なフォトニックチップへの面倒な光結合の必要性を回避した。

染料濃度の研究範囲では、ドープされた EpoCore、SU8、および OrmoStamp 構造を重合するのに必要な UV 光線量は、予想どおり、ドープされていない樹脂よりも高かった。 光開始重合は、マトリックス内の染料分子の存在によって妨げられます。 これは、通常、染料は UV 範囲内に短い吸収尾部を持っているため、つまりすべての入射 UV 光が光開始剤に吸収されるわけではないこと、および材料内の染料分子の存在が分子の架橋を妨げる可能性があるため、説明できます。

実際、SU8 中の RhB および Py580 の場合の濃度制限は、マトリックス中の色素の溶解度ではなく、むしろ重合の阻害でした。 これが重合プロセスの障害によって引き起こされたのか、それとも光開始のみによって引き起こされたのかは研究されていません。 後者が原因の場合は、プレポリマーに光開始剤を追加することで染料濃度を高めることができる可能性があります。

RhB をドープしたフィルムは、525 および 565 nm を中心とする 2 つの吸収バンドを示し、最初の π → π* 遷移に対応します 28,29。 これらのバンドの相対強度とそのスペクトル変位は、フィルム内の色素の消光とモノマー-ダイマー平衡の結果です30。 同じ消光は、SU8 ドープ薄膜の発光スペクトルにも反映されており、650 nm の肩がはっきりと見えます。

予想どおり、吸収係数 (α) の値は、すべてのドープされたフォトレジストの濃度とともに増加します。 以前に報告されたエポキシベースの樹脂と比較して、吸収の最大値でより高いα値を達成しました31、32。

RhBをドープした厚さ4.4μmのOrmoStamp薄膜は、層の厚さがほぼ2倍であるにもかかわらず、エポキシベースの樹脂と比較してかなり低い吸収係数値を示しました。 また、同じ色素をドープした SU8 と EpoCore のフィルムに関しても浅色シフトを示します。これは、SU8 と EpoCore が両方ともエポキシベースのフォト樹脂であるのに対し、OrmoStamp は有機 - 無機複合材料のハイブリッドであることを反映しています。したがって、分子マトリックスと色素の相互作用は異なります。

RhB をドープした膜の間接ギャップ許容遷移範囲は 2.04 ～ 2.09 eV です。 これらの値は、以前に報告された RhB 薄膜のバンドギャップよりもわずかに大きくなります 33。 この小さな不一致は、RhB 分子が相互作用するだけでなく、ポリマー分子とも相互作用し、電子が経験する電位の増加につながるという事実に起因すると考えられます。 これは、有機ポリマーフィルムのバンドギャップの温度依存性に類似しています34。

アンドープポリマーの直接遷移のバンドギャップ値は 3.69 ～ 3.72 eV の範囲にあります。

結果として得られる導波管エミッターは、製造時により複雑な導波管センサーに統合できる光源を提供します。 エミッタは、関連する光波の適切な結合を得るために位置合わせする必要のない外部光源で励起される場合があります。 したがって、このような装置の実装は簡単になる。 他のポリマーアプローチと互換性のあるポリマーでエミッターを開発したことにより、他の同様の技術と比較して複雑さが大幅に軽減された光学センサーの将来のプラスチックベースのロールツーロール開発の可能性があります。

EpoCore、OrmoStamp、SU8 など、可視範囲をカバーする異なる色素含有量のフォトレジストの薄膜と微細構造導波​​路が製造され研究されています。 良好な結果をもたらした色素/マトリックスの組み合わせは、RhB/SU8、RhB/Epocore、Py580/SU8、および C540A/Ormostamp でした。 吸収係数 α は、すべてのドープされた薄膜の吸収スペクトルから得られました。 サンプルの発光スペクトルも記録されました。 異なる含有量の固体マトリックスおよび非ドープレジスト内の色素の直接的および間接的な許容遷移のバンドギャップエネルギーは、Tauc のモデルを使用して得られました。 アンドープレジストの高いバンドギャップエネルギー（直接遷移では 3.69 ～ 3.72 eV、間接遷移では 3.43 ～ 3.56 eV）は、可視光での優れた光透過性を示します。 この研究における色素ドープフォトレジストの薄膜は、フォトニック集積回路、フォトニックラボオンチップアプリケーション、さらにはレーザー発振および増幅デバイスの作成のためのベース材料としても使用される可能性がある。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文 (およびその補足情報ファイル) に含まれています。

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この研究は、「Programa de Actividades de I + D」(「SINFOTON2-CM」—S2018/NMT-4326) および「Doctorado Industrial」IND2020/TIC-17424 を通じてマドリード州コミュニダードから資金提供を受け、「青少年」からの資金提供を受けました。雇用イニシアチブ (YEI)—欧州委員会」と地方政府コミュニダード・デ・マドリッド。 EU H2020 ARIADNE 871464 プロジェクトおよび科学革新省 (PID2020-114172RB-C22) からの資金援助。 MCG はスペイン政府の助成金 (BG20/00136) に感謝しています。 この研究は、V PRICIT (Regional Program of Research and and技術革新）。 著者らは、HIPRESICA スペーサーを無償で提供していただいた UBE Europe GmbH に感謝します。

CEMDATIC、ETSIT Telecommunication、マドリッド工科大学、Av. Complutense 30、28040、マドリッド、スペイン

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LFP と MAG が主な原稿テキストを執筆しました。 LFP は、実行された実験を安定化し、数値を作成し、サンプルの製造と測定を実行しました。 LFP は最初の草稿を書きました。 MAG、MCG、JMO、XQが全体監修を行いました。

LF Paz または X. Quintana に相当します。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

パス、LF、カニョガルシア、M.、ゲデイ、マサチューセッツ州 他可視スペクトルをカバーする色素ドープポリマー導波管エミッター用の色素とマトリックスの同定。 Sci Rep 12、6142 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-10145-8

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受信日: 2022 年 1 月 27 日

受理日: 2022 年 3 月 30 日

公開日: 2022 年 4 月 12 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-10145-8

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