Fosforesans (floresanla ilişkili ışıldama) şeklinde ışıldayan emisyon; genellikle kuantum mekanik olarak küçük bir geçiş olasılığı nedeniyle günlük yaşamda ortaya çıkıyor. Lüminesans* emisyon ömrü mikrosaniyeden birkaç saate kadar sürebilir. Genel olarak karanlıkta parlayan ürünlerde ve kamu binalarında acil durum işareti aydınlatıcıları olarak kullanıldığı için, damga tespiti ve doğrulaması da dahil olmak üzere bilgi depolama için pratik bir yöntemdir. Halen, organik yayıcılar kullanan fosforlu sistemleri üretmek için, kolay ve uygun maliyetli üretim yöntemleri mevcut olsa da; endüstriyel çeviri için laboratuvarda ortam koşullarında görünür organik fosforu elde etmek zordur.
Science Advances’te yayınlanan yeni bir çalışmada, Max Gmelch ve Dresden Teknoloji Üniversitesi‘ndeki araştırmacılar; organik ışıldayan etiketlemede yeni bir dönüm noktası olduğunu bildirmiştir. Bunun için; ultra ince, esnek ve saydam ışıldayan kaplamalar üretmek için; yaygın olarak bulunan malzemelerden yapılmış, basit bir cihaz yapısı geliştirdiler. Elde edilen etiketleme cihazı; yüksek çözünürlükte, herhangi bir boyutta, herhangi bir alt tabakaya 40’tan fazla bilgi döngüsü basabilme kabiliyetine sahipti. Bilim insanları; malzemeye ışık saçan bir mesaj yazdırmak için, mürekkep olmadan, sadece ışığı kullandılar. Bu şekildeki bir temassız işlem de aynı görüntüyü silebilir. Konsept; bilgileri depolamak ve geleneksel etiketleme tekniklerini geçersiz kılmak ve ışık saçan, isteğe bağlı etiketler üretmek için umut verici bir yöntem.
Çalışmada, Gmelch ve ekibi ağırlıklı olarak akrilik cam olarak da bilinen, poli (metil metakrilat) (PMMA) içeren 900 nm kalınlığa sahip, ultra ince bir malzeme tabakası kullandı. Organik ışık yayan diyot (OLED- şarj işlemlerinde) teknolojisinde kullanılan NPB** olarak bilinen bir konuk molekülü içermiştir. Bilim insanları iki materyali birleştirerek (PMMA: NPB) ışıldayan etiketleme için ince yarı şeffaf kaplamayı tasarladılar. İlgilenilen substrata bağlı olarak, kaplama ayrıca; spin kaplama, sprey kaplama veya daldırma kaplama yoluyla çeşitli farklı yüzeylerde de kullanılabilir.
Bilim insanları; orta dereceli spin yörüngesinde birleşme ve PMMA polimerlerinin oksijen yokluğunda, yoğun bir şekilde paketlenmesi nedeniyle; uzun süre oda sıcaklığında fosforesansı gözlemledi. Benzer şekilde; fosforesan yayan katmanın oksijene maruz kalmasını önlemek için, Gmelch ve meslektaşları numunenin üstüne 600 nm kalınlığında bir oksijen bariyer tabakası bıraktı. Bununla birlikte, bilim insanları örnekleri ortam koşulları altında ürettikleri için ışık yayan tabaka, moleküler oksijen içeriyordu.
UV ışığıyla (365 nm dalga boyu) uyarma işleminden sonra, NPB molekülleri; floresan yaymak için zemin durumunda bozulduğu ya da sistemler arası geçişte (radyasyonsuz) uyarılmış üçlü durum (şekildeki) T1’i doldurdukları için; uyarılmış tekli hallerine (S1) ulaştı. Gözlenen deneysel enerji seviyeleri, literatürdeki değerlerle uyumludur. Işık bazlı etiketleme için umut vaat eden bu yaklaşım; UV ışıması kullanarak, moleküler oksijenin lokal olarak uzaklaştırılmasını içerir. Bununla birlikte, bu teknik şimdiye kadar sadece çözümde rapor edilmiştir. Bu çalışmada, Gmelch; tekniği imal edilen ince katı film üzerine uyguladı.
Bu durumda, bilim insanları; NPB vericisini deneysel olarak, moleküler oksijenin üçlü temel durumu ile etkileşime girerek, söndürüldüğü üçlü duruma (T1) uyardılar. Tasarım olarak; ortaya çıkan uyarılmış tekli oksijen yoğunluğu, yayıcının yerel ortamı ile etkileşime girerek, yani aydınlatma noktalarındaki PMMA malzeme oksidasyonu yoluyla fosforesansı artırarak, azaldı. UV aydınlatmasının kapatılmasından sonra emisyon uzun süre τ = 406 ms uzunluğunda görüldü. Böylece, ince bir filmin içinden oksijeni çıkararak, ilk kez ışıldama aktive edildi. Bir substrat/malzeme üzerinde bir görüntü oluşturmak için UV ışığına bağlı oksijen tüketimi teknolojisini, tüm bu işlemlerden sonra bir yazma aracı olarak kullandılar.
Fosforresan görüntüler; yaklaşık bir dakika boyunca 4 um dalga boyundaki kızılötesi (IR) ışığı uygulayarak, hızlı ve kolay bir şekilde silinebilir. Bu örnekte, radyasyon PMMA tarafından emildi ve sıcaklık, yaklaşık 90°C ila 100°C’ye yükseldi. Sıcaklık, çalışmada kullanılan tüm malzemelerin termal stabilitesini koruyacak kadar düşüktü. Malzeme katmanlarının sağlamlığı tüm silme işlemi boyunca iyi korunmuş, yazma ve silme döngülerine daha sonra izin verilmiştir.
Gmelch: “Foto-ağartma (yayıcı moleküllerin bozunması) ve oksijen tüketiminden (matris değişimi nedeniyle artan radyatör dışı kayıplardan dolayı) her döngü sırasında fosforesitenin azalan yoğunluğunu gözlemledik. Yine de, 40 döngüden sonra bile, emisyon oranı başlangıç değerinin yüzde 40’ına ulaştı. Göz veya kamera tarafından yeterince tespit edilebilir.”
Işık yoğunluğu ve çalışmada sunulan aydınlatma için gereken zaman değerleri; uygulanabilir endüstriyel uygulamalar için potansiyel ile önceki tekniklerin gerektirdiklerinin çok altındaydı. Çalışma ayrıca; kusurlu bir oksijen bariyerinin zaman içinde aktif alanlarda, oksijenin tekrar ortaya çıkmasına neden olabileceğini göstermiştir. Fosforesansın kaybolması için gereken süre, oksijen bariyer tabakasının kalınlığına bağlı olarak değişmektedir.
Örneğin, 600 nm kalınlığındaki bir spin kaplı tabaka beş saate kadar fosforesansa sahipken, daha kalın oksijen bariyerli film (35 ila 40 µm) olan fenomeni bir günden daha fazla uzatmıştır. Bilim insanları; koruma zaman aralıklarını iyileştirilmiş bir bariyer malzemesiyle veya malzeme kalınlığını daha da artırabilirler. Bir izi hızlıca silmek için, bilim insanları; IR veya basit bir ocak gözüyle hızlandırılmış numune ısıtması yoluyla oksijen dolumu kullandılar. Baskıda olduğu gibi fosforesans silinmesi için gereken süre; bariyer katmanı kalınlığına ve sıcaklığına bağlı olarak değişmektedir.
Bilim insanları; çeşitli substrat materyallerini fosforesans aydınlatması için yüzeyde test etti. Eser; geniş alan uygulamaları için New York şehir silueti ile geleneksel fotoğraflar içeriyordu. Emisyon kaplaması aktif olmadığında, (tamamen görünmez olduğundan) malzemeler programlanabilir ve isteğe bağlı altyazı projeksiyonu için bir substrat olarak görev yapabilir. Ayrıca Gmelch; saf cam (1 mm) ile karşılaştırıldığında kaplamanın daha yüksek şeffaflığını göstermiştir.
Bu şekilde, Gmelch; bilgi depolamak adına bir materyali yazmak, okumak ve silmek için tamamen erişilebilir bir optik yöntem gerçekleştirdi. Çalışma; yaygın olarak gözlenen yazıcı kalitesinin ötesinde bir çözünürlükte tekrarlanabilir, temassız etiketleme ve okuma imkanı gösterdi. Daha sonra malzeme üretimi için yüksek oranda ölçeklenebilir süreçlerin kullanılmasını da sağlayabilir. Çalışmadaki okuma çözünürlüğü; beş sayfa düz metne eşit olan 7 kB cm-2’lik bir bilgi derinliğini depolamak için yeterliydi.
Teknik, düşük maliyetli ve yüksek ölçeklendirmede kalıcı veri kodlamanın ötesinde bilgi depolama için yeni bir yol açacaktır. Yeni çalışma, endüstriyel lojistik (etiketleme, izleme ve taşıma) alanında pratik potansiyele sahip olacaktır.
* Lüminesan: Elektronik seviyelere uyarılmış fotonların emisyonu.
**NPB: (N, N’-di (1-naftil) N, N’-difenil- (1,1′-bifenil) -4,4′-diamin)
