Organic electroluminescent microstructures: tailoring light emission
Microstructures électroluminescentes organiques: application à la gestion de l'émission lumineuse.
Résumé
The present work deals with the control of the light emission properties in luminescent polymer films by means of periodic microstructuration of the films, in the optical wavelength scale.
Firstly we have investigated the effect of a transient perturbation of the film optical constants on its emission properties. The transient gratings are produced from the interferences of a doubled or tripled pulsed Nd:Yag laser. The first evidence of the action of periodical structures on the emission is the induction of a laser effect using a «distributed feedback» (DFB) configuration. The result of a modification of the grating and film parameters on the spectral and threshold characteristics of the emission shows the importance of the mode confinement and overlap with the modulated area of the film.
The next step has consisted in the realisation of permanent gratings. For this purpose we have implemented an original method of photo-induced patterning of film surface using laser controlled molecular motion in azo-dye aromatic polymers. Irradiation with an interference pattern of films made with such materials leads to surface relief grating formation where the parameters such as the period and the modulation amplitude can be controlled. The film surface structuration is produced by photo-induced mass transport processes that we have investigated in detail. Gratings with periodicities below 200nm using ultraviolet excitation have been produced.
In the last part, the patterning method is applied to two specific cases: realisation of a DFB laser and optimisation of electroluminescent diode emission properties. We demonstrate that diode surface patterning allows enhancing the external efficiency by recovering a part of the light initially guided in the diode structure. The improvement of diode efficiency is followed by modification of the emission spectra as well.
Firstly we have investigated the effect of a transient perturbation of the film optical constants on its emission properties. The transient gratings are produced from the interferences of a doubled or tripled pulsed Nd:Yag laser. The first evidence of the action of periodical structures on the emission is the induction of a laser effect using a «distributed feedback» (DFB) configuration. The result of a modification of the grating and film parameters on the spectral and threshold characteristics of the emission shows the importance of the mode confinement and overlap with the modulated area of the film.
The next step has consisted in the realisation of permanent gratings. For this purpose we have implemented an original method of photo-induced patterning of film surface using laser controlled molecular motion in azo-dye aromatic polymers. Irradiation with an interference pattern of films made with such materials leads to surface relief grating formation where the parameters such as the period and the modulation amplitude can be controlled. The film surface structuration is produced by photo-induced mass transport processes that we have investigated in detail. Gratings with periodicities below 200nm using ultraviolet excitation have been produced.
In the last part, the patterning method is applied to two specific cases: realisation of a DFB laser and optimisation of electroluminescent diode emission properties. We demonstrate that diode surface patterning allows enhancing the external efficiency by recovering a part of the light initially guided in the diode structure. The improvement of diode efficiency is followed by modification of the emission spectra as well.
Ce travail concerne la réalisation et l'étude de structures de périodes sub-microniques pour le contrôle et l'optimisation des propriétés d'émission de films minces organiques luminescents.
Dans une première partie nous avons étudié l'influence d'une modulation transitoire des propriétés optiques (indice et gain) des films sur leurs propriétés d'émission. Les modulations transitoires sont induites par excitation du matériau luminescent à l'aide d'un système d'interférences. La source est un laser pulsé Nd :YAG doublé (532nm) ou triplé (355nm). Une première manifestation de l'action des réseaux sur l'émission a été l'obtention d'un effet laser dans les films suivant une configuration «distributed feedback» (DFB). L'étude des seuils et de la structure spectrale de l'émission en fonction des paramètres du film et des réseaux induits a montré l'importance du confinement et du recouvrement des modes guidés avec les modulations.
Une deuxième étape concerne la réalisation de réseaux permanents. Pour cela nous avons mis en oeuvre une méthode originale de structuration basée sur des mouvements moléculaires induits optiquement dans des films de polymères azoïques. L'illumination des films par un système d'interférence conduit à la formation de réseaux de surface qui résultent d'un mouvement de matière photoinduit dont on peut contrôler la période et l'amplitude de modulation. Les principales caractéristiques de ces processus de migration ont été étudiées et des réseaux de périodes inférieures à 200nm ont pu être réalisés par excitation dans l'ultraviolet.
Dans la dernière partie, on décrit l'application de cette technique de modulation à la mise en oeuvre de lasers DFB et à l'optimisation de l'émission de diodes électroluminescentes. On montre en effet qu'une modulation de la surface des diodes permet d'extraire par des processus de diffraction une partie de l'énergie guidée dans les couches. Il en résulte une augmentation du rendement externe des diodes qui s'accompagne d'une modification de leur spectre d'émission.
Dans une première partie nous avons étudié l'influence d'une modulation transitoire des propriétés optiques (indice et gain) des films sur leurs propriétés d'émission. Les modulations transitoires sont induites par excitation du matériau luminescent à l'aide d'un système d'interférences. La source est un laser pulsé Nd :YAG doublé (532nm) ou triplé (355nm). Une première manifestation de l'action des réseaux sur l'émission a été l'obtention d'un effet laser dans les films suivant une configuration «distributed feedback» (DFB). L'étude des seuils et de la structure spectrale de l'émission en fonction des paramètres du film et des réseaux induits a montré l'importance du confinement et du recouvrement des modes guidés avec les modulations.
Une deuxième étape concerne la réalisation de réseaux permanents. Pour cela nous avons mis en oeuvre une méthode originale de structuration basée sur des mouvements moléculaires induits optiquement dans des films de polymères azoïques. L'illumination des films par un système d'interférence conduit à la formation de réseaux de surface qui résultent d'un mouvement de matière photoinduit dont on peut contrôler la période et l'amplitude de modulation. Les principales caractéristiques de ces processus de migration ont été étudiées et des réseaux de périodes inférieures à 200nm ont pu être réalisés par excitation dans l'ultraviolet.
Dans la dernière partie, on décrit l'application de cette technique de modulation à la mise en oeuvre de lasers DFB et à l'optimisation de l'émission de diodes électroluminescentes. On montre en effet qu'une modulation de la surface des diodes permet d'extraire par des processus de diffraction une partie de l'énergie guidée dans les couches. Il en résulte une augmentation du rendement externe des diodes qui s'accompagne d'une modification de leur spectre d'émission.
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