Nanophotonic Engineering of Light–Matter Interactions in Organic Optoelectronic Devices

Abstract

Optical properties of materials are influenced not only by their inherent characteristics but also by the electromagnetic environment. The nanocavity composed of metal-dielectric-metal is a widely used nanophotonic platform to control the electromagnetic environment due to the high photonic density of states in the dielectric region. For example, a light-emitting diode or photodiode based on the cavity structure enhances photon emission or absorption. In addition, the cavity structure can be used as a platform to realize perfect absorbers and ultrafast emitter that do not exist in nature. Another example that has recently emerged is chiral plasmonics. If the structure has chirality, the molecules coupled to the cavity modes can selectively emit or absorb circularly polarized light depending on the helicity.

The aim of this study is to control the electromagnetic environment of organic optoelectronic devices, e.g., organic light-emitting diodes (OLED), organic solar cells (OSC), and organic photodiodes (OPD), thereby improving their performances or inducing new functionality. Organic materials are chosen as the photoactive media since they have excellent emission and absorption properties even in a subwavelength scale device. In addition, it is easy to control the polarizability, desirable for tailoring the light-matter interaction. One dimensional nanophotonic engineering will be demonstrated to solve the problems, such as low light absorption in the near-infrared region and the severe thermalization loss. I will propose two types of solar cell structures and show how to design them considering nanophotonic phenomena. Next, I will demonstrate a numerical simulation of circularly polarized light emitting organic diodes for deep understanding of their optical and chiroptical characteristics. Finally, a promising chiral plasmonic platform consisting of a chirally patterned metal-dielectric-metal (chiral MDM) structure will be demonstrated to overcome the fundamental tradeoff between the quantum efficiency and the dissymmetry factor of chiral optoelectronics.

물질의 광 특성은 물질 자체의 특성 뿐만 아니라 그 주변의 전자기적 환경에 영향을 받는다. 예를 들어서, 금속-절연체-금속 구조의 발광 다이오드 또는 포토다이오드는 페브리-페롯 공명모드가 여기 되도록 절연체의 두께가 적절히 조절되었을 때 광추출 또는 광흡수 효율이 극대화 된다. 금속-절연체 계면에서 발생하며 높은 광자상태밀도를 특징으로 하는 플라즈모닉 모드는 자연에 존재하지 않는 완전 흡수체 또는 초고속 발광체를 구현하는데 이용될 수 있다. 키랄성 패턴을 포함하고 있는 나노캐비티 구조는 키랄성 분자의 키랄-광학적 특성을 증폭하거나 비키랄성 분자의 키랄-광학적 특성을 유도하는데 사용될 수 있다.

본 연구의 목표는 나노광학적 플랫폼으로 이용해서 유기 광전자소자의 전자기적 환경을 제어하고 이를 통해서 성능을 향상시키거나 이들에게 새로운 기능성을 부여하는 것이다. 유기 분자가 광흡수 및 발광 특성이 우수할 뿐만 아니라 분극률의 조절이 용이해서 소자 내부의 빛-물질 상호작용을 맞춤 제어하기에 적합하기 때문에 광활성층의 재료로써 주로 유기 분자가 이용되었다. 유기태양전지 분야에서 난제로 남아있는 두 이슈인 근적외선 영역의 낮은 광흡수율 문제와 광자에너지의 열손실 문제를 해결하기 위해서 나는 두 종류의 태양전지 구조를 새롭게 제안하였으며 1차원 나노캐비티 구조인 이 태양전지의 광 특성을 최적화 하기 위해서 전달행렬방식의 시뮬레이션을 이용하였다. 또한 원편광 발광 소자의 키랄-광학적 특성에 대한 포괄적인 연구를 최초로 수행 되었으며, 이를 통해서 거울 반사에 기인한 원편광 상태의 소멸 문제를 극복하고 이성적으로 고성능 소자를 제작 할 수 있는 방법을 제안 하였다. 다음으로, 키랄성 나노캐비티가 비키랄성 분자의 원편광 이색성을 유도하는 광플랫폼으로 이용될 수 있음을 3차원 광시뮬레이션을 이용해서 보였다. 키랄성 캐비티 내부에서는 원편광 상태에에 따라서 플라즈모닉 핫스폿이 선택적으로 여기되는 것이 관측되었으며 이는 전자기 모드 분석을 통해서 상부와 하부전극에서 발생하는 표면플라즈몬 모드 간의 혼성화에 기인한 현상임을 밝혀내었다. 키랄성 나노캐비티 기반의 유기포토다이오드는 본 연구에서 최초로 수치해석적으로 시연 되었으며 이들은 기존에 최고의 성능을 보여주던 분자 기반의 소자들과 비교했을 때 양자효율과 원형편광 비대칭성 측면에서 우수한 결과를 나타내었다. 나아가, 키랄성 나노태키비티는 현존하는 유기발광다이오드 기반 디스플레이의 에너지 효율을 크게 향상시키는데 이용되거나 삼차원 디스플레이 소자와 편광 반응성 광센서에 사용될 수 있으며 나아가 양자정보 시스템의 빌딩블록으로 응용될 것으로 기대된다.