Teknologi Laser Berbasis Semikonduktor Organik

          Pada tahun 1802, Sir Humpry Davy telah mendemonstrasikan lampu pijar pertama dengan mengalirkan arus melalui sebuah keping platina tipis, tetapi penelitian di bidang ini berjalan lambat sebelum dirumuskannya teori cahaya sebagai gelombang elektromagnet. Kemudian, lampu pijar yang ditemukan Edison menjadi sumber cahaya buatan yang telah berhasil mengubah arah peradaban manusia, walaupun sekarang sudah jarang digunakan karena faktor efisiensi. Sumber cahaya seperti ini bekerja dengan prinsip emisi termionika, yaitu sebuah filamen dipanaskan dengan mengalirkan arus listrik kemudian ia dapat memancarkan radiasi, baik itu radiasi tampak maupun inframerah, bergantung pada material filamennya.

Secara fisika, pada pertengahan abad ke-19, Michael Faraday menyatakan bahwa cahaya itu tidak lain hanyalah suatu bentuk dari garis-garis getaran listrik dan magnet. Akan tetapi, 15 tahun kemudian, tepatnya pada tahun 1861, James Clerk Maxwell merumuskan bahwa fenomena kelistrikan dan kemagnetan merupakan suatu kesatuan dalam teori elektromagnetisme yang tidak dapat dipisahkan satu sama lain. Penelitian ini kemudian dilanjutkan oleh Max Planck (1858 – 1947) yang berfokus pada permasalahan radiasi benda hitam dan hubungan antara frekuensi radiasi dan temperatur dari objek yang memancarkan cahaya. Dalam teorinya, Planck menyatakan bahwa gelombang elektromagnetik dapat dipancarkan dalam bentuk kuanta (kelompok) yang disebut kuanta foton. Hingga kemudian pada tahun 1905, Albert Einstein menjelaskan fenomena kuantisasi cahaya ini dalam publikasinya tentang efek fotolistrik yang menyatakan bahwa cahaya adalah suatu gelombang, tetapi juga suatu partikel, bergantung pada sudut pandang pengamat. Teori ini yang kemudian menjadi teori utama untuk menjelaskan interaksi cahaya dan materi. Atas penemuan inilah Albert Einstein dianugerahi hadiah nobel pada tahun 1921.

       Pada tahun 1954, Charles H. Townes mendemonstrasikan MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) dengan memanfaatkan inversi populasi antara dua level molekuler dari amonia untuk memperkuat radiasi pada rentang panjang gelombang mikro yaitu sekitar 1,25 cm. Beberapa tahun kemudian, seorang fisikawan bernama Theodore H. Maiman berhasil menyelesaikan pembuatan laser untuk pertama kalinya dengan cara memompa sebuah kristal rubi (Al₂O₃) secara optik yang menghasilkan radiasi pada panjang gelombang 694 nm. Penemuan ini diikuti oleh penemuan lainnya seperti laser berbasis gas HeNe oleh Javan-Bennet-Herriot (tahun 1960); diode laser semikonduktor oleh Robert Hall (tahun 1962) dengan material GaAs pada rentang inframerah; dan diode laser pada rentang cahaya tampak oleh Nick Holonyak (tahun 1962). Sebagai salah satu sumber cahaya, laser saat ini telah menjadi sesuatu yang umum ditemukan dalam kehidupan kita sehari-hari seperti CD/DVD, printer, scanner, perangkat komunikasi optik, peralatan medis, bahkan beberapa perlengkapan di supermarket.

Gambar atas: Molekul organik rubrene dan penampakan kristal tunggal rubrene, yaitu bahan semikonduktor organik, yang bersifat seperti plastik. Gambar bawah: Masa kini dan masa depan devais elektronika berbasiskan bahan organik, kulit tangan buatan, sumber cahaya baru, karpet pemancar listrik, dan mungkin juga laser. Sumber gambar: T. Sekitani, et al. Nature Mater. 6, 413 (2007).

          Salah satu material laser yang sedang dikembangkan saat ini ialah laser berbasis semikonduktor organik (Organic Semiconductor Laser, OSL). Karena material ini memiliki tingkat fleksibilitas yang tinggi (seperti plastik), kombinasi bentuk yang bervariasi, dan kemudahan proses manufaktur. Akan tetapi, hingga saat ini OSL yang dipompa secara elektrik masih belum terealisasi dengan kata lain belum ada hasil yang benar-benar bisa memenuhi kriteria suatu laser. Kriteria-kriteria laser yang dimaksud disini antara lain seperti besarnya arus dan kerapatan eksiton (pasangan electron-hole) yang cukup untuk menginduksi inversi populasi, penajaman spektrum yang bergantung pada rapat arus, serta batas ambang yang jelas yang menunjukkan peralihan dari proses emisi cahaya biasa menjadi cahaya laser. Beberapa alasan yang menyebabkan kriteria-kriteria tersebut belum terpenuhi antara lain: (1) rendahnya mobilitas pembawa muatan hole dan elektron (kurang dari 10^-3 cm V^-1 s^-1, misalnya untuk silikon ~500 cm V^-1 s^-1), sehingga sangat sulit untuk menginjeksikan arus listrik yang besar ke dalam bahan organik tersebut; (2) mudahnya eksiton dan foton untuk menghilang yang disebabkan karena kelemahan struktur devais Organic Light Emitting Diode (OLED), walaupun untuk aplikasi lampu maupun display sangatlah baik. Oleh sebab itu, diperlukan pendekatan-pendekatan baru yang dapat memberikan berbagai keuntungan, baik dari sisi optik maupun elektrik.

Baru-baru ini, telah dikembangkan suatu devais baru dalam bentuk transistor pemancar cahaya berbasis kristal tunggal (Organic Single-Crystal Light Emitting Transistor, SCLET) yang merupakan penggabungan dari fungsi logika (seperti pada transistor) dan fungsi pemancar cahaya (seperti pada LED) dalam satu devais. Nilai mobilitas pembawa muatan devais ini 100 kali lebih besar dari semikonduktor organik konvensional yang disebabkan karena tidak adanya retakan-retakan (grain boundaries) yang banyak terdapat pada semikonduktor film tipis organik. Selain itu, struktur devais seperti transistor ini mengurangi secara drastis pengaruh dari kehilangan foton dan eksiton karena tempat terbentuknya eksiton cukup jauh dari pengaruh logam yang digunakan untuk menginjeksikan muatan. Dengan mengoperasikan light-emitting transistor tersebut, didapatkan sifat-sifat yang mendekati gejala laser dari cahaya yang dipancarkan.