Organinės molekulės gyvojoje gamtoje atlieka daug įvairių funkcijų: leidžia efektyviai kaupti saulės energiją augaluose, veikia kaip cheminiai ar fiziniai jutikliai gyvūnų kūnuose, padeda perduoti ir apdoroti informaciją žmogaus smegenyse. Šiandien dėl organinių medžiagų stebime revoliucinius pokyčius elektronikoje, kai įprastus neorganinių puslaidininkių elektronikos prietaisus keičia organinės elektronikos prietaisai. Dėl tokių išskirtinių savybių kaip ekologiškumas, lankstumas ar ekonomiškumas organinės medžiagos jau naudojamos naujos kartos šviestukuose, saulės elementuose ar plonasluoksniuose tranzistoriuose.

Nepaisant sparčios pastarųjų dešimtmečių optoelektronikos technologijų plėtros, organinių medžiagų pritaikymas lazerinių technologijų srityje vis dar atrodo sunkiai pasiekiamas. Tačiau Vilniaus universiteto Fotonikos ir nanotechnologijų instituto fizikai pradėjo tyrinėti šiuolaikinio pažangaus optoelektronikos mokslo galimybes ir aiškinasi, ar įmanoma iš pigiai atsieinančių organinių medžiagų sukurti elektra kaupinamą naujos kartos mažų matmenų lazerį.

Organinius šviestukus naudoja ir „Apple“

Proveržis organinės elektronikos moksle įvyko, kai Alanas Jay Heegeris kartu su kolegomis 1977 m. pademonstravo elektrinį laidumą organiniuose polimeruose, nors iki tol tai atrodė neįmanoma. Prireikė dar daugiau nei dešimtmečio, kad būtų sukurti pirmieji praktiškai taikomi organinės elektronikos prietaisai – organiniai šviestukai (OLED – organic light emitting diode), kurių tobulinimas užtikrino spartų tolimesnį šios naujos mokslo srities augimą, o 2000 m. už laidžių polimerų atradimą ir plėtojimą A. Heegeris su kolegomis gavo chemijos Nobelio premiją.

Šiandien OLED ekranus išmaniesiems telefonams renkasi tokie rinkos gigantai kaip „Apple“ ir „Samsung“. Rinkoje jau atsiranda ir pirmosios saulės celės, medicininiai jutikliai ar tranzistoriai, pagaminti organinių medžiagų pagrindu.

Nepaisant spartaus organinės elektronikos technologijų proveržio per pastaruosius kelis dešimtmečius, šiandien vis dar nėra aišku, kaip sukurti veikiantį organinio lazerio prototipą, kuris būtų kaupinamas elektros energija. Ši, atrodytų, neįveikiama problema sulaukia vis didesnio mokslininkų bendruomenės susidomėjimo, kurį lemia tokios išskirtinės organinių lazerių savybės kaip suderinamumas su biologinėmis sistemomis, galimybė gaminti molekulės matmenų lazerius ir nedidelė prietaisų gamybos kaina.

Organinių lazerių era

Idėja naudoti organines medžiagas lazerinėse technologijose nėra nauja, dėl išskirtinių savybių jos tapo patrauklia dažų lazerių stiprinimo terpe. Pirmieji dažų lazerių tyrimai buvo publikuoti septintojo dešimtmečio pradžioje, praėjus vos keleriems metams po pirmųjų sėkmingų lazerio demonstracijų 1960 m. Dažų lazeriuose organinės molekulės, ištirpintos tirpiklyje, yra kaupinamos optiškai, pavyzdžiui, ksenono lempos žybsniais. Dažų molekulių gausa lėmė platų lengvai derinamos spinduliuotės spalvos (nuo mėlynos iki infraraudonos) pasirinkimą, kuris buvo sunkiai pasiekiamas kitomis tuomet naudojamomis technologijomis. Tai lėmė dažų lazerių populiarumą ir paplitimą pramonėje, medicinoje ir moksle. Ilgą laiką dažų lazeriai buvo laikomi lyderiais ypač trumpų impulsų ir didelės galios lazerių srityse.

Prieš kelis dešimtmečius neorganiniuose kristaluose Vilniaus universiteto Lazerinių tyrimų centro mokslininkų pademonstruotas parametrinio stiprinimo metodas leido sukurti rinkai tinkamus, derinamos spinduliuotės spalvos, trumpo impulso ir ypač stabilius didelės galios lazerius. Augantis šios naujos technologijos populiarumas gerokai sumažino dažų lazerių poreikį. Tačiau žinios apie organines molekulines sistemas lazerinėse technologijose buvo pritaikytos ir kitose srityse. Dažų pigmentas rodaminas, kuris buvo naudojamas pirmuosiuose dažų lazerių tyrimuose, iki šios dienos yra plačiai taikomas biotechnologijoje kaip žymeklis vykdant fluorescencinės mikroskopijos tyrimus. Teorinės žinios apie organinių medžiagų sąveiką su šviesa buvo pritaikytos aiškinant fotosintezės reakcijas ir kuriant medžiagas OLED šviestukams.

Yra ištyrinėta daugybė lazerių kaupinimo būdų: cheminiai, elektros srovės, optiniai, įvairių dalelių pluoštais. Labiausiai paplito prieš kelis dešimtmečius sukurtos elektra kaupinamos neorganinių puslaidininkių lazerių technologijos. Dabar jos yra taikomos kone visur ir sudaro beveik pusę lazerių rinkos pardavimų.

Paskatinti puslaidininkių lazerių sėkmės optinės komunikacijos, medicinos ir mokslo srityse, mokslininkai ėmė tirti galimybę elektros srovės kaupinimo technologiją pritaikyti ir organiniams lazeriams. Deja, ši užduotis pasirodė gerokai sudėtingesnė, negu buvo manyta, ir sprendimų jai įgyvendinti yra ieškoma dar ir šiandien.

Elektrinio kaupinimo iššūkis

Vienas pagrindinių organinės elektronikos mokslo tikslų – elektra kaupinami lazeriai. Jų sukūrimas leistų atsisakyti išorinio optinio kaupinimo elemento, kuriam dabartinių mokslinių tyrimų metu naudojami didelės galios puslaidininkiniai neorganiniai šviestukai arba kiti lazeriai. Galimybė organinius lazerius kaupinti elektros energija leistų smarkiai sumažinti jų matmenis, gaminti lanksčius prietaisus, kurių gamybos kaina, tikėtina, būtų daug žemesnė, palyginti su kitomis lazerinėmis technologijomis.

Skirtingai negu įprasti apšvietimo prietaisai – šviestukai, lazeriai reikalauja daug didesnio kaupinimo energijos tankio, kuriam organinės medžiagos nėra atsparios. Net esant stipriam saulės apšvietimui (apie 0.1 W/cm²) augalai naudoja specialų fotoapsaugos mechanizmą, ką jau kalbėti apie tūkstančius kartų stipresnį sužadinimą, įprastą lazerio veikimui. Siekdami išvengti neigiamų stipraus elektrinio sužadinimo efektų mokslininkai pasiūlė kelias inovatyvias strategijas.

Stipraus sužadinimo sąlygomis organiniuose lazeriuose yra stebimi neigiami šalutiniai efektai, pavyzdžiui, dviejų sužadintų molekulių dūžiai – kai erdvėje susidūrus dviem sužadinimams lieka vienas ir taip staigiai prarandami naudingi spinduliavimo centrai. Viena iš pagrindinių strategijų siekiant to išvengti – spinduliuojančias molekules perkelti į kitų molekulių matricą ir taip jas atskirti erdvėje. Neseniai buvo pastebėta, kad apsisaugodamas nuo didelio sužadinimo tankio žaliasis fluorescencinis proteinas (GFP – green fluorescent protein), natūraliai egzistuojantis kai kurių rūšių medūzose, geba reguliuoti atstumus tarp spinduliuojančių centrų ir taip sumažinti sužadinimo praradimą.

Vis dėlto viena didžiausių problemų, su kuria susiduriama kuriant organinės elektronikos prietaisus, yra palyginti prastas organinių sluoksnių laidumas, kuris neleidžia pasiekti didelių elektros srovių organiniuose prietaisuose. Nors tai netrukdo organiniams šviestukams, saulės elementams ar jutikliams sėkmingai funkcionuoti, tačiau tam, kad veiktų lazeris, reikėtų net kelis tūkstančius kartų didesnės elektros srovės negu įprastiems organinių puslaidininkių prietaisams.

Šiuo metu Japonijos mokslininkai jau kuria naujas prietaisų konstrukcijas, kurios leidžia pasiekti daugiau nei 1 kA/cm² elektros srovės tankį organiniuose šviestukuose – to turėtų užtekti lazerio veikimo režimui.

Norint sumažinti didelio sužadinimo efektus, reikia lygiagrečiai optimizuoti organinių medžiagų savybes, kurios leistų pasiekti lazerio priverstinę spinduliuotę prie žemiausių įmanomų elektros srovių. Problemas, susijusias su elektriniu kaupinimu, bandoma spręsti taikant inovatyvias prietaisų konstrukcijas, gerinant rezonatorių kokybę (tai padeda sumažinti stimuliuoto spinduliavimo slenkstį) ir kuriant inovatyvias organines medžiagas stiprinimo terpei.

Išeitis – organiniai kristalai

Daugumoje organinės elektronikos prietaisų yra naudojami amorfiniai medžiagos sluoksniai, kuriuose molekulės išsidėsčiusios atsitiktinai, tačiau dėl šios netvarkos nukenčia elektros laidumo savybės. Viena naujausių ir inovatyviausių organinių lazerių technologijų yra paremta organinių kristalų naudojimu.

Organiniuose kristaluose molekulės grupuojasi tvarkingai, todėl juose elektros laidumo savybės yra daug geresnės. Pakankamai aukštos kokybės organinius kristalus galima auginti tiesiog kambario temperatūroje iš tirpalo. Tuo tarpu įprastoms puslaidininkinėms technologijoms naudojamų neorganinių kristalų auginimas daug sudėtingesnis, jam reikia ypač aukštos temperatūros.

Organinių kristalų privalumas yra tas, kad juose įmanoma suderinti elektrinio laidumo ir liuminescencines savybes. Tačiau norint optimizuoti šias savybes reikia tiksliai parinkti molekulines struktūras, kurios lemia molekulių grupavimosi ypatybes ir tarpusavio sąveiką kristale. Žinoma, kad labai maži (nanometrų eilės) molekulių grupavimosi pokyčiai gali daryti didelę įtaką fizikinėms savybėms.

Dauguma šiuo metu lazerio taikymams tiriamų organinių kristalų pasižymi mažu liuminescencijos našumu, todėl stebimi stimuliuotos spinduliuotės slenksčiai yra palyginti aukšti ir reikalauja ypač didelių elektros srovių lazerio kaupinimui.

Bendradarbiauja su organinės elektronikos pasaulio lyderiais

Susidomėję organinių kristalų galimybėmis Vilniaus universiteto mokslininkai nusprendė pritaikyti turimas žinias organiniams lazeriams kurti. Fiziko prof. Sauliaus Juršėno suburta organinės optoelektronikos grupė jau beveik dešimtmetį plėtoja organinių fotonikos ir elektronikos medžiagų technologijų tyrimus ir jų taikymą prietaisuose. Tyrimų sritys specifiškai susijusios su šviesą spinduliuojančių molekulių panaudojimu organiniuose šviestukuose, lazeriuose ir biologiniuose jutikliuose.

Prieš kelerius metus prasidėjęs universiteto fizikų bendradarbiavimas su Japonijos Kiūšiū universiteto OPERA centro (ang. Center for Organic Photonics and Electronics Research) mokslininkais atvėrė galimybes dalyvauti naujausiuose organinių lazerių tyrimuose. Šiuo metu OPERA mokslininkai yra vieni pasaulio lyderių organinės elektronikos prietaisų srityje, o netolimoje ateityje planuoja keliasdešimt milijonų eurų siekiančias investicijas būtent elektros srove kaupinamiems organiniams lazeriams tobulinti.

Bendradarbiaujant su Japonijos organinių medžiagų tyrimų centru buvo sukurta nauja bifluoreno molekulinių junginių serija ir pritaikyta aukšto grynumo kristalų auginimo technologija. Nauji kristalai pasižymėjo išskirtinėmis liuminescencinėmis savybėmis. Jų liuminescencijos našumas siekė 80 proc., o simuliuotos emisijos slenksčio vertės buvo rekordiškai žemos, palyginti su iki šiol tirtais kristalais. Tokioms vertėms pasiekti Vilniaus universiteto mokslininkai pasitelkė išmanaus molekulinių kristalų dizaino principus. Visų pirma buvo naudojamos mažos molekulės, kurių pailga struktūra leistų joms tinkamai grupuotis kristale, taip padidinant elektrinį laidumą. Tuo tarpu molekulėms naudojami fluoreno fragmentai, kurie yra žinomi spinduoliai organinių lazerių moksle, leido užtikrinti geras liuminescencines savybes.

Atlikdami detalią organinių kristalų spektroskopinę analizę, Vilniaus universiteto mokslininkai pastebėjo, kad kristalai, pasižymėję žemiausiomis stimuliuotos emisijos slenkstinėmis vertėmis, turėjo ir nedidelį kiekį atsitiktinių defektų (kristale įterptų skirtingo tipo molekulių). Kristaluose įterptos defektinės būsenos leido erdviškai atskirti spindulinius centrus ir taip sumažinti sugerties nuostolius ir stipraus sužadinimo įtaką. Toks spinduliuotės centrų atskyrimas yra įprasta praktika tiek neorganiniuose lazeriuose, tiek amorfinių sluoksnių organiniuose lazeriuose, tačiau ji iki šiol buvo mažai taikyta organinių kristalų srityje.

Nanolazeriai Lietuvoje – artima ateitis?

Sparčiai plėtojamas organinių lazerių mokslas netolimoje ateityje leis atsakyti į daugelį klausimų: Kokią didžiausią elektros srovę gali perduoti organinės medžiagos? Kokios sąlygos yra būtinos užtikrinti lazerio veiklai? Kokios yra organinių medžiagų galimybių ribos? Ar įmanomi pavienių molekulių lazeriai?

Organinių lazerių tyrimus skatina didelis jų pritaikymo potencialas medicinos, optinės komunikacijos, spektroskopijos ir kitose pramonės srityse. Kadangi organinės medžiagos pasižymi palyginti dideliu stiprinimo koeficientu ir žemomis stimuliuotos spinduliuotės slenksčių vertėmis, jas būtų galima naudoti mikro- ar net nanolazerių gamybai, įterpiant mažus lazerius į mikroprocesorius arba pritaikant juos veikti gyvo organizmo viduje.

Kita svarbi organinių lazerių savybė – biosuderinamumas, kylantis iš to, kad lazeriams galima naudoti panašias į aptinkamas gamtoje molekules. Šiuo metu biologiniai tyrimai yra viena pagrindinių organinių lazerių pritaikymo sričių. Naudojant lazerinių dažų žymėjimo technologijas, galima tūkstančius kartų tiksliau negu įprastais fluoresceninės mikroskopijos metodais sekti biologinius procesus molekuliniu lygmeniu, pavyzdžiui, konformacinius DNR pokyčius ją veikiant išoriniais stimulais arba vaistais.

Įdomiausi pastarųjų metų organinių lazerių taikymai yra susiję su biologinėmis ląstelėmis. Pasitelkdami šiuolaikinę genų inžineriją mokslininkai įterpė GFP proteiną į žinduolio ląstelę, kad sukurtų lazerį tiesiog ląstelės viduje. Naudojant šį biolazerį buvo galima stebėti gyvosios ląstelės viduje vykstančius metabolizmo procesus.

Dėl šiuolaikinės cheminės sintezės jau galime kurti įvairiausias funkcijas atliekančias molekules daug greičiau, nei tai daro gamta. Pasitelkiant „sistemų mokymosi“ kompiuterinio modeliavimo technologijas ir mokslininkų fizikos, chemijos, biologijos žinias jau yra identifikuojami potencialūs, iki šiol mokslininkų nesukurti, organiniai junginiai vaistams, baterijoms, saulės elementams ar šviestukams. Tik laiko klausimas, kada įminsime ir organinio elektra kaupinamo lazerio mįslę.