Spectroscopic and lasing characterization of electroluminescent organic materials [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Ashu Kumar Bansal
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Description

Spectroscopic and Lasing Characterization of Electroluminescent Organic Materials Dissertation Zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) der Naturwissenschaftlichen Fakultät II - Physik der Universität Regensburg vorgelegt von Ashu Kumar Bansal aus Gangoh, India Regensburg 2008 Promotionsgesuch eingereicht am: 15.01.2008 Tag der mündlichen Prüfung: 14.03.2008 Diese Arbeit wurde angeleitet von: Prof. Dr. Alfons Penzkofer Prüfungsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr. Matthias Brack 1. Gutachter: Prof. Dr. Alfons Penzkofer 2. Prof. Dr. Christian Schüller weiterer Prüfer: Prof. Dr. Josef Jweck 1 Contents 1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……4 1.1 Motivation and Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...6 2. Fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 2.1 Organic materials with conjugated π-electron system. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ….9 2.2 Electronic transitions in organic materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …10 2.3 Nonlinear spectroscopic properties . . . . . . . . .

Informations

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Publié le 01 janvier 2008
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Langue Deutsch
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Extrait





Spectroscopic and Lasing Characterization of
Electroluminescent Organic Materials








Dissertation
Zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)

der Naturwissenschaftlichen Fakultät II - Physik
der Universität Regensburg





vorgelegt von

Ashu Kumar Bansal

aus Gangoh, India




Regensburg 2008


























Promotionsgesuch eingereicht am: 15.01.2008
Tag der mündlichen Prüfung: 14.03.2008

Diese Arbeit wurde angeleitet von: Prof. Dr. Alfons Penzkofer


Prüfungsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr. Matthias Brack
1. Gutachter: Prof. Dr. Alfons Penzkofer
2. Prof. Dr. Christian Schüller
weiterer Prüfer: Prof. Dr. Josef Jweck 1


Contents

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……4
1.1 Motivation and Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...6
2. Fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
2.1 Organic materials with conjugated π-electron system. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ….9
2.2 Electronic transitions in organic materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …10
2.3 Nonlinear spectroscopic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.1 Saturable absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.2 Reverse saturable absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ….14
2.4 Laser action. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.1 Stimulated emission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...16
2.4.2 Laser amplifier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...17
2.4.3 Amplified spontaneous emission (travelling wave laser, mirror-less laser). . . . . . . . 18
2.4.4 Laser oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.5 Low-Q laser oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
2.4.6 Distributed feedback laser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
3. Experimental techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1 Investigated electroluminescent organic materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Film preparation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3 Optical constants and film thickness measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4 Absorption measurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ….28
3.5 Fluorescence quantum distribution measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …29
3.6 Fluorescence lifetime measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...33 2


3.7 Saturable absorption measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
3.8 Low-Q laser studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.9 Wave guided travelling-wave laser studies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
3.10 Distributed-feedback laser studies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
4. Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1 Dicarbazovinylene-MEH-Benzene dye (2CzV-MEH-B) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1.1 Optical and spectroscopic characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
4.1.2 Saturable absorption behaviour. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
4.1.3 Laser performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 53
4.1.3.1 Transverse pumped low-Q laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1.3.2 Neat thin film wave-guided travelling-wave laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.3.3 Distributed feedback laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
4.1.4 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2 Triphenylamine dimer (TPB) and napthalene substituted triphenylamine dimer ( β-NPB)..73
4.2.1 Optical and spectroscopic characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
4.2.2 Saturable absorption behaviour. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2.3 Laser performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.3.1 Transverse pumped low-Q laser . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
4.2.3.2 Neat thin film wave-guided travelling-wave laser . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.4 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3 Triphenylamine (TPA) and tris-3 methyl- triphenylamine (m-MTDAB) . . . . . . . . . . . . . .92
4.3.1 Optical and spectroscopic characterization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.2 Reverse saturable absorption behaviour. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3.3 Attenuation and amplification of spontaneous emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3


4.3.4 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 111
4.4 Poly-phenylene-bipyridine polymer (PPBpy) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.4.1 Absorption cross-section spectra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.4.2 Fluorescence behaviour. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.4.3 Saturable absorption behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4.4 Laser performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.4.4.1 Transverse pumped low-Q laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.4.4.2 Neat thin film wave-guided travelling-wave laser . .. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .124
4.4.4.3 Distributed feedback laser . .. . . .. . . .. . . . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . ...127
4.4.5 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . ..131
5. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...132
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...135
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..143




1. Introduction 4



1. Introduction
The electronic and optical properties of electroluminescent organic materials have attracted
tremendous academic and industrial research interests over the past decades due to the appealing
advantages that these materials offer for electronic devices such as organic light emitting diodes
(OLEDs) [Tan87], organic field effect transistors (OFETs) [Bur88], organic solar cells (OSCs)
[Hal95], photodiodes [Yu98] and organic lasers [Mal05]. The devices using organic materials are
attractive because they can take advantage of organic materials such as potentially low cost,
capability of thin-film, large-area and flexible device fabrication. These devices can be processed
by a multitude of different methods, the most important of which are vapor deposition and
solution-based processes, such as spin-coating and different printing techniques [Kaf05]. The
deposition of thin films can be carried out at room temperature, and the production cost

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