Hybrid photonic crystals - Co-assembly of conjugated polymer particles in a Perovskite Matrix

• Applicant: Professor Dr. Alexander Kühne
• Subject Area: Preparatory and Physical Chemistry of Polymers ; Polymer Materials
• Term: from 2014 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 245209314

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Nach der erfolgreichen Realisierung eines selbst-assemblierten organischen Laser zu photonischen Kristallen aus konjugierten Polymerpartikeln, ging es in diesem Fortsetzungsprojekt darum eine halbleitende anorganische Perowskit-Matrix um den organischen Laserkristall zu bilden. Ferner sollte der Energietransfer zwischen dieser anorganischen Matrix und dem organischen Halbleiter untersucht werden. Außerdem sollte gezeigt werden, ob es möglich ist Laseremission aus den assemblierten Polymerpartikeln zu erreichen, wenn man die Perowskit-Matrix anregt und ein Energietransfer in den organischen Halbleiter erfolgt. Im Projekt wurden zunächst Polymerpartikel mit hohem optischen Gain erzeugt. Überraschenderweise zeigten die erhaltenen Partikel aus Fluoren/Divinylbenzol Copolymeren nicht nur Laseremission in Gegenwart eines Resonators sondern auch Stimulierte Resonanz Raman Streuung (SRRS) in Abwesenheit eines geeigneten Resonators. SRRS besitzt wie die Laseremission eine schmale Emissionsbande und ein Schwellverhalten – das heißt SRRS ist erst ab einer bestimmten Anregungsenergie erzeugbar. Aufgrund des unterschiedlichen Mechanismus in der Erzeugung der laserartigen Emission kann SRRS anhand ihrer Anregungswellenlängenabhängigkeit, und dem resultierenden Shift in der Emission, relativ einfach von echter Laseremission unterschieden werden. Parallel wurden Perowskite mit genau eingestelltem Chlorid zu Bromid-Verhältnis (Cl/Br) erzeugt und untersucht, um optimale Matrizen für den kolloidalen Kristall aus konjugierten Polymerpartikeln herstellen zu können. Die besten Voraussetzungen für einen effizienten Energietransfer zwischen Perowskit und PFVPV-Partikeln wurden mit 9/1 gefunden. Die Partikel konnten aus einem DMSO-basierten Dispersionssystem so zu kolloidalen Kristallen mit einer optischen Bandlücke assembliert werden, dass sich in ihren interstitiellen Zwischenräumen der Perowskit (mit ausreichend guter Kristallinität) bilden konnte. In Gegenwart des Perowskiten lag die optische Bandlücke des photonischen Kristall im Bereich der Emissionsbande der konjugierten Polymerpartikel, was für optimale Resonanzbedingungen für die Laseremission sorgte. Der Energietransfer zwischen Perowskit und Polymerpartikeln wurde kurzzeitspektroskopisch untersucht und aufgrund der erhaltenen Lebenszeit- und Transferraten wurde auf einen FRET-Transfer vom anorganischen auf den organischen Halbleiter geschlossen. Diese Erkenntnis ist neu, da zuvor kaum Systeme aus anorganischen und organischen Halbleiter mit einer so großen Grenzfläche untersucht wurden. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass Laseremission aus den co-assemblierten photonischen Halbleiterkristallen nach einem Energietransfer von Perowskit auf die konjugierten Polymere möglich ist. Dieser Ansatz liefert neue Herangehensweisen im Versuch einen elektrisch gepumpten organischen Laser zu realisieren. Ebenfalls konnten wir zeigen, dass in Partikeln aus einem Polymerblend (aus zwei konjugierten Polymeren) ebenfalls Laseremission nach einem FRET-Transfer von einem konjugierten Polymer mit großer Bandlücke auf eins mit kleinerer Bandlücke zeigen. In diesem Fall stellten die Polymerpartikel selbst (mit Durchmessern von einigen Mikrometern) die Resonatoren (WGM) dar.

Publications

• Reversible Laser Threshold Modulation in Dithienylethene Conjugated Polymer Blends: A Concept for q‑Switching in Organic DFB Lasers. ACS Photonics 2019, 6, 558-564
  A-K. Steppert, A. Mikosch, T. Haraszti, R. Göstl, A.J.C. Kuehne
  
• Conjugated Polymer Nanoparticles toward In Vivo Theranostics – Focus on Targeting, Imaging, Therapy, and the Importance of Clearance, Advanced Biosystems 2017, 1, 1700100
  A.J.C. Kuehne
  
• Controlling the Hierarchical Assembly of π-Conjugated Oligoelectrolytes, Macromolecular Rapid Communications 2018, 39, 1800284
  T. Zheng, H. Feng, J.M. van den Broek, K. Rahimi, A.J.C. Kuehne, R. de Vries, J. Sprakel
  
• FRET-mediated Near Infrared Whispering Gallery Modes: Studies on the Relevance of Intracavity Energy Transfer with Q-factors, Materials Chemistry Frontiers 2018, 2, 270
  O. Oki, S. Kushida, A. Mikosch, K. Hatanaka, Y. Takeda, S. Minakata, J. Kuwabara, T. Kanbara, T.D. Dao, S. Ishii, T. Nagao, A.J.C. Kuehne, F. Deschler, R.H. Friend, Y. Yamamoto
  
• Laser Emission from Self-Assembled Colloidal Crystals of Conjugated Polymer Particles in a Metal-Halide Perowskite Matrix, Chemistry of Materials 2019, 31, 2590-2596
  A. Mikosch, S. Ciftci, G. Tainter, R. Shivanna, B. Haehnle, F. Deschler, A.J.C. Kuehne
  
• Biodegradable Laser Arrays Self-Assembled from Plant Resources, Advanced Materials 2020, 32, 2002332
  J. Guo, B. Haehnle, D. Hoenders, G. Creusen, D. Jiao, A.J.C. Kuehne, A. Walther
  
• Narrow Stimulated Resonance Raman Scattering and WGM Lasing in Small Conjugated Polymer Particles for Live Cell Tagging and Tracking, Advanced Optical Materials 2020
  B. Haehnle, M. Lamla, K.M.J. Sparrer, M.C. Gather, A.J.C. Kuehne,