
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Skrywers: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Jaeho Lee Tae-Hee Han Min-Ho Park Dae Yool Jung Jeongmin Seo Hong-Kyu Seo Hyunsu Cho Eunhye Kim Jin Chung Sung-Yool Choi Taek-Soo Kim Tae-Woo Lee Seunghyup Yoo Opsomming Graphene-gebaseerde organiese lig-emitterende diodes (OLEDs) het onlangs na vore gekom as 'n sleutelelement wat noodsaaklik is in volgende-generasie vertoonvensters en beligting, hoofsaaklik as gevolg van hulbelowelling vir hoogs buigsame ligbronne. Hul doeltreffendheid was egter, op sy beste, soortgelyk aan dié van konvensionele, indium-tinoksied-gebaseerde eweknieë. Ons stel hier 'n ideale elektrode struktuur voor wat gebaseer is op 'n sinergistiese wisselwerking van hoë-indeks TiO2-lagies en lae-indeks holte-inspuitingslagies wat grafiet-elektrodes inlaag, wat lei tot 'n ideale situasie waar verbetering deur holte-resonansie gemaksimeer word, dog verlies aan oppervlakte-plasmon-polariton verminder word. Die voorgestelde benadering lei tot OLEDs wat ultrahoë eksterne kwantummiddels van 40.8 en 62.1% (64.7 en 103% met 'n halwe bal-lens) vir enkel- en multi-junction toestelle onderskeidelik vertoon. Die OLEDs wat op plastiek gemaak is met hierdie elektrodes is herhaaldelik buigbaar teen 'n radius van 2.3 mm, deels te danke aan die TiO2-lagies wat buigspanning tot 4% weerstaan deur kraak-afbuig-verharding. Inleiding Vormfaktor voordele soos buigsaamheid en rekbaarheid het organiese lig-emitterende diodes (OLEDs) groot aandag gegee vir gebruik in opkomende toestelle soos draagbare, rol-tipe of voubare vertoonvensters wat mobiliteit, vervormbaarheid en/of uitbreibaarheid vereis , . Volledige verwesenliking van sulke potensiaal is egter nie triviaal nie en vereis aansienlike pogings in verskeie aspekte soos ontwikkeling van lae-temperatuur dunfilm-transistor-tegnologieë en/of buigsame inkapseling . Nog 'n belangrike aspek om te oorweeg vir hoogs buigsame vertoonvensters is om deursigtige elektrodes (TEs) te vind wat indium-tinoksied (ITO) elektrodes kan vervang, wat tipies ly aan beperkte buigsaamheid en moontlike koste-kwessies wat verband hou met hoë aanvraag en/of onstabiele aanbod . In hierdie opsig is verskeie soorte buigsame deursigtige elektrodes soos metaal-nanodrade, koolstof-gebaseerde materiale (byvoorbeeld, koolstof-nanobuise of grafeen) en metaalroosters gekoppel met ander tipes TEs voorgestel vir OLEDs , , , , , . Onder hulle is grafeen - 'n atoomdun laag van sp2-gehibridiseerde koolstofatome - beskou as belowend omdat die unieke kombinasie van sy inherente dunheid en superieure elektriese eienskappe verwag word om ideale deursigtige elektrodes moontlik te maak wat laag of geen optiese waas het nie, gladde oppervlaktopologie wat ruheid-geïnduseerde elektriese kortsluiting en agteruitgang voorkom, hoë transmissie, lae veldweerstand en 'n hoë mate van buigsaamheid almal tegelyk het , . Maklike voorbereiding van hoë-gehalte grafeen op grootskaalse plastiek substraat is onlangs gedemonstreer vir deursigtige elektrodes met massaproduksie-versoenbare metodes deur industriële sektore, wat hul praktiese lewensvatbaarheid demonstreer , . Beide enkellaag-grafeen (SLG) en meerlaag-grafeen (MLG) is getoon om voldoende prestasie vir TEs in OLEDs te hê , . In besonder, doeltreffende grafeen-gebaseerde OLEDs is bereik met die hulp van holte-inspuitingslagies (HILs) wat gebruik word om hul relatief lae werkfunksie, wat bekend is om ongeveer 4.5 eV te wees, te oorkom. Sulke inspuitingslagies sluit geleidende polimere met gradiënt elektroniese eienskappe in wat 'n self-organiseerende gradiënt HIL (GraHIL)  genoem word, en dun MoO3-bufferlagies gekoppel met geleidende polimere van poli(3,4-etielenedioksitiofeen):polistireensulfonaat (PEDOT:PSS) . Desondanks was die kragdoeltreffendheid en eksterne kwantummiddels (EQE) van hierdie top-graad grafeen-gebaseerde OLEDs nog op 'n vlak met dié van ITO-gebaseerde OLEDs, tensy 'n lywige hemisferiese lens gebruik is vir uitkoppelingsverbetering . Die sekuriteit van die hoogste moontlike doeltreffendheid is veral belangrik vir buigsame vertoonvensters wat toegepas word op hoogs draagbare of draagbare toepassings, aangesien hulle dikwels op batterye met 'n redelike beperkte energiekapasiteit moet staatmaak as gevolg van beperkings in grootte, gewig of vormfaktore. Dit vereis die ontwikkeling van 'n toestelargitektuur wat die doeltreffendheid van grafeen-gebaseerde OLEDs kan maksimeer. 'n Sleuteluitdaging is om 'n struktuur of metodologie te ontwikkel om hul volle optiese potensiaal te ontsluit, terwyl grafeen se voordele in vormfaktore soveel as moontlik behou word. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 Om dit te bereik, ondersoek ons hier 'n eenvoudige elektrode-argitektuur gebaseer op hoë-indeks TiO2-lagies en lae-indeks HILs wat grafiet-elektrodes inlaag. Met die optiese ontwerp wat 'n volle voordeel trek uit die sinergistiese samewerking tussen die hoë- en lae-indeks lagies wat beide holte-resonansieverbetering en verlies aan oppervlakte-plasmon-polariton (SPP) beheer, vertoon die voorgestelde grafiet-gebaseerde OLEDs ultrahoë EQE wat ongekend is in dié wat grafiet as 'n deursigtige elektrode gebruik. Verder word ongewoon hoë weerstand van TiO2 teen buigspanning geopenbaar wat plastiek OLEDs moontlik maak wat nie net doeltreffend is nie, maar ook hoogs buigsaam is. Resultate Optiese ontwerp van hoë-doeltreffendheid grafiet-gebaseerde OLEDs Die doeltreffendheid van OLEDs word uiteindelik beperk deur 'n eindige uitkoppelingsdoeltreffendheid wat tipies ongeveer 20% op sy beste is vir toestelle met isotropiese emitters. Onder verskeie uitkoppelingsverbeteringskemas wat tot dusver voorgestel is , het 'n metode gebaseer op mikroholte-resonansie voordele dat dit 'n planêre geometrie handhaaf sonder om enige mikro/nano-struktuur of lentikulêre struktuur te gebruik, sodat die OLEDs wat daaruit gemaak word nie onderworpe is aan elektriese kortsluitings en optiese artefakte wat ongunstig is vir vertoon-toepassings (byvoorbeeld, vervaging, diffraksie, ensovoorts) nie, maar tog hoogs suiwer, versadigde rooi (R), groen (G), blou (B) primêre kleure met die verbeterde doeltreffendheid kan vertoon , . Met 'n swak maar tog aansienlike mikroholte-effek, kan ITO-gebaseerde OLEDs ook geoptimaliseer word vir maksimum doeltreffendheid, sonder om enige optiese waas of vervaging op te doen, bloot deur die dikte van ITO-lagies aan te pas; in hierdie skema word die eerste-orde, 3λ/4 holte-ontwerp, waar λ golflengte verwys, met die oop einde van die holte-modus by die ITO/substraat-koppelvlak geplaas , . In die geval van ITO-vrye, grafeen-gebaseerde OLEDs, kan grafiet-elektrodes egter nie dik genoeg gemaak word om die holte-lengte te beheer nie, wat dit uitdagend maak om doeltreffendheid deur die resonansie-effek te verbeter . 15 16 17 18 19 20 As 'n alternatiewe maatreël, kan 'n dun laag met 'n hoë brekingsindeks (nH) onder grafietlagies geplaas word soos getoon in Fig. 1a op 'n manier soortgelyk aan diëlektries-bedekte dunmetaal-elektrodes , , , . Omdat lig deur die grafeen met 'n geringe faseverskil kan gaan as gevolg van die inherente dunheid van 'n grafiet-elektrode, kan 3λ/4 holte-ontwerp gerieflik bereik word, byvoorbeeld met die optiese dikte van die organiese plus inspuitingslagies en die hoë brekingsindeks-lagie wat ingestel is op ongeveer 2λ/4 en λ/4 onderskeidelik (Fig. 1b ). In die besonder funksioneer die 'λ/4-dik' hoë-indeks lagie ook as 'n metaalvrye, diëlektriese spieël wat aansienlike weerkaatsing van die onderste elektrode-samestelling (Rbot) moontlik maak vir lig wat van organiese lagies af inval, soos bevestig kan word in die grafieke wat aan die onderkant van Fig. 1c,d  getoon word. Dit bied grafiet-gebaseerde OLEDs geleenthede om hul doeltreffendheid te verbeter deur die resonansie-effek, wat andersins nie moontlik sou wees nie. Daar word getoon dat Rbot en gepaardgaande resonansieverbetering toeneem met nH ( ). Die hoë brekingsindeks is ook voordelig ten opsigte van buigsaamheid omdat die teiken optiese dikte (nHdH) met 'n lae fisiese dikte dH bereik kan word, en omdat buiging-geïnduseerde krake van 'n gegewe film oor die algemeen op 'n laer aanvangspanning vorm met 'n groter fisiese dikte . 'n Suksesvolle hoë-indeks lagie in hierdie skema behoort dus so groot nH as moontlik te hê. Verder moet dit deursigtig wees, en bowenal, moet dit nie beskadig word deur 'n gegewe grafiet-oordragproses nie. Onder verskeie kandidate is 'n gespuitte TiO2-lagie deursigtig in 'n sigbare spektrale bereik en het dit 'n relatief hoë brekingsindeks (n=2.5). Anders as ander hoë-indeks lagies wat ons probeer het, blyk die TiO2-lagie chemiese weerstand te hê wat robuus is teen grafiet-oordragprosesse wat oplosmiddel gebruik, soos asetoon of isopropielalkohol (IPA), wat die vorming van 'n hoë-gehalte grafiet-elektrode bo-op moontlik maak ( ). 1 17 20 21 22 1 1 Supplementêre Fig. 1 23 Supplementêre Fig. 2   ( ) Skematiese toestelstruktuur van die voorgestelde OLEDs. ( ) Elektromagnetiese veld-intensiteitsverspreiding (gestippelde lyne) van die OLEDs onder studie vir hul onderskeie eerste-orde holte-ontwerp. Die veld-intensiteitsverspreiding van die grafiet-gebaseerde OLED sonder TiO2 word ook vir vergelyking getoon vir die geval waar die diktewaardes van organiese lagies dieselfde is as die OLEDs met TiO2 maar sonder lae-indeks HILs. ( , ) Bereken maksimum eksterne kwantummiddels (ηEQE) van grafiet-gebaseerde OLEDs met TiO2 onder-lagie as 'n funksie van TiO2 en organiese lagie dikte (dTIO2 en dorg, onderskeidelik). Gestippelde lyne verteenwoordig kontoerlyne vir ηEQE van 10, 20, 30 of 40% soos aangedui in die grafiek. ( ) Sonder 'n lae-indeks HIL; ( ) met GraHIL as 'n lae-indeks HIL. Aan die onderkant van elke geval word die weerkaatsing (Rbot) van die onderste elektrode-samestelling (TiO2/grafiet/(HIL)) as 'n geheel aangebied as 'n funksie van dTIO2 vir lig wat van die organiese lagies af inval. a b c d c d Dit is noemenswaardig dat 'n hoër-orde mikroholte-struktuur (byvoorbeeld, tweede-orde, 5λ/4 holte) gebaseer op 'n dik organiese stapel ook moontlik mag wees. In hierdie werk is 'n eerste-orde holte-ontwerp egter eers gekies omdat dit 'n sterker Purcell-effek en minder golfleier-modusse as die hoër-orde ontwerp tot gevolg het, wat uiteindelik lei tot groter uitkoppelingsdoeltreffendheid en EQE , . Uitdagings bly steeds vir die eerste-orde holte-ontwerp omdat die ideale ligging van 'n emissiesone beperk is tot die eerste antinodes van die organiese/metaal-koppelvlak, wat dit moeilik maak om SPP-modusse deur 'n langer emitter-tot-metaal-afstand te verminder , . 'n Alternatiewe metode wat tipies vir SPP-vermindering gebruik word, is om interne golwende strukture of plooie in te sluit , maar toleransie vir elektriese kortsluitings kan dikwels in die gedrang kom deur sulke benaderings. Die metode wat ons hier aanneem, is om 'n lagie met 'n lae brekingsindeks in te sluit, wat getoon is om SPP-modusse effektief te verminder , . Gelukkig het GraHIL of 'n self-organiseerende gradiënt holte-inspuitingslagie bestaande uit PEDOT:PSS en tetra-fluoreetileen-perfluoro-3, 6-dioksia-4-metiel-7-okteen-sulfonaat-kopolimeer (PFI), wat voorheen deur die outeurs voorgestel is en baie effektief was om holte-inspuiting in grafeen-gebaseerde OLEDs te verbeter , 'n brekingsindeks van ongeveer 1.42 by λ van 550 nm ( ), wat baie laer is as dié van tipiese organiese lagies (n=1.8). Met die sinergistiese wisselwerking van hoë- en lae-indeks lagies wat grafietlagies inlaag, kan verbetering van die holte-resonansie-effek en vermindering van SPP-modusse dus gelyktydig gedoen word sodat die EQE aansienlik verhoog kan word selfs sonder uitkoppelingsstrukture. 24 25 25 26 27 28 29 13 Supplementêre Fig. 3  bied die optiese simulasieresultate gebaseer op 'n gevorderde klassieke elektromagnetiese teorie wat deur Furno et al.  opgesom is oor die hele sigbare spektrale bereik, en by λ van 550 nm. Die formalisme neem die Purcell-faktor, dipool-oriëntasie-effek, en eksitasies na SPP en golfleier-modusse in ag. 'n Omvattende insluiting van al hierdie faktore blyk krities te wees vir 'n presiese analise en kwantitatiewe ontwerp, aangesien onder- of oorskatting kan voorkom wanneer 'n vereenvoudigde benadering gebruik word wat nie een of meer van hierdie effekte in ag neem nie (sien  ;   en   vir voorbeelde). Die resultate dui daarop dat die gebruik van GraHIL die relatiewe kraginhoude onder verskeie modusse herverspreid na kleiner in-vlak golfgetalle sodat die krag wat na SPP-modusse gekoppel word verminder word en die uitgestraalde gedeeltes verder verbeter word ( ). Dit kan ook gesien word in   dat die gebruik van die TiO2-lagie onder grafiet effektief die hoeveelheid krag wat na golfgeleide en substraat-modusse gekoppel word deur resonansieverbetering onderdruk. Dit lei tot 'n aansienlike toename in uitkoppelingsdoeltreffendheid, hoewel verlies aan ewewigsmodusse ook toeneem as gevolg van die verskuiwing van dwars-elektriese golfgeleide modusse na hoër genormaliseerde in-vlak golfgetalle ( ). Die gekombineerde gebruik van hoë-indeks (H) TiO2- en lae-indeks (L) GraHIL-lagies, lei tot 'n ideale situasie waar resonansieverbetering groot is, maar verlies aan SPP/ewewigsmodusse verminder word. Verder skep die gekombineerde gebruik 'n situasie soortgelyk aan HL-stapels, wat tipies vir meerlaag dunfilm-bedekkings gebruik word , en selfs verder Rbot verhoog ( ), wat bykomende verbetering in die Fabry–Perot-resonansie-effek moontlik maak. Wat die voorgestelde tegnologie uniek en gevorderd maak met betrekking tot konvensionele tegnologieë, is inderdaad die sinergistiese samewerking van hierdie hoë- en lae-indeks lagies wat optiese bestuur van beide resonansie-effek en SPP-verlies tot voordeel van maksimale uitkoppeling moontlik maak; en bykomende resonansieverbetering via HL-stapeling. Tesame met hul inherente versoenbaarheid met gewenste elektriese eienskappe (byvoorbeeld, doeltreffende holte-inspuiting), laat al hierdie optiese voordele 'n mens toe om selfs die verborge potensiaal van wat planêre OLEDs werklik kan bied, ten volle te ontsluit. Kontourplotte verkry vir opties beskikbare maksimum EQE (ηEQE (max)) as 'n funksie van organiese (dorg) en TiO2-dikte (dTIO2) wat in Fig. 1c,d  aangebied word, toon dat ηEQE (max) so hoog as 44% kan wees in toestelle met beide GraHIL- en TiO2-lagies terwyl dit beperk sou wees tot 38% sonder GraHIL of tot 31% sonder TiO2. Optimale toestande stem ooreen met 'n situasie waar dH (met H wat TiO2 is) nader kom aan λ/(4nH) (55 nm vir λ=550 nm). Dit kan ook opgemerk word dat ηEQE (max) van 44% hoër is as dié wat vir geoptimaliseerde, konvensionele dunmetaal-gebaseerde holte-OLEDs met dieselfde emitter verwag word. Dit kan toegeskryf word aan die feit dat die voorgestelde argitektuur minder onderhewig is aan verlies as gevolg van fotonabsorpsie en/of SPP-modus opwekking binne halfdeursigtige elektrodes (sien   en   vir vergelyking met dié van konvensionele dunmetaal-gebaseerde holte-OLEDs). Figuur 2a,b 19 Supplementêre Fig. 4 Supplementêre Tabel 1 Supplementêre Nota 1 Supplementêre Fig. 5a Supplementêre Tabel 2 Supplementêre Fig. 5b 30 Fig. 1d 1 Supplementêre Fig. 6 Supplementêre Tabel 3   ( , ) Bereken kragdissipasiespektra geweeg met die emitter-spektrum in arbitrêre eenhede (gemaak as 'n kleur gedefinieer in die kleurstawe.) teenoor in-vlak golfgetal: ( ) met TiO2 maar sonder GraHIL; ( ) met beide TiO2 en GraHIL. Die swart gestippelde lyne dui grenslyne aan wat verteenwoordigende optiese modusse insluitend uitgestraalde, substraat-gebonde (subs), golfgeleide (wg) en ewewigsmodusse verdeel. ( ) Bereken kragdissipasie teenoor genormaliseerde in-vlak golfgetal by λ=550 nm vir verskeie elektrode strukture onder studie. Vir die toestelle met TiO2, is dTIO2 vasgestel op 55 nm en dorg is gekies vir optimale toestande in elke geval. Vir die toestelle sonder TiO2, is dorg op dieselfde waarde gestel as dié van sy eweknie in die toestelle met TiO2. a b a b c Toestelprestasie van vervaardigde grafiet-gebaseerde OLEDs Geïnspireer deur die bogenoemde simulasieresultate, het ons groen OLEDs vervaardig gebaseer op fosforesente emitters van bis(2-(2-piridiniel-N)feniel-C)(asetielasetonato) iridium (III) (Ir(ppy)2acac) in die konfigurasie van glas/anode/(HIL)/OS1/LiF/Al met verskillende anode/(HIL) strukture van TiO2/grafiet/GraHIL; grafiet/GraHIL; en ITO (185 nm)/GraHIL, waar OS1 verwys na 'n organiese meerlaag stapel gedefinieer in Metodes. Eksperimentele resultate aangebied in Fig. 3  toon dat die maksimum EQE, kragdoeltreffendheid en stroomdoeltreffendheid verkry vir die TiO2/grafiet/GraHIL-gebaseerde toestel so hoog as 40.8%, 160.3 lm W−1 en 168.4 cd A−1 onderskeidelik is, terwyl daardie waardes beperk is tot 31.7%, 112.6 lm W−1 en 119.0 cd A−1 vir die grafiet/GraHIL-gebaseerde toestel, en 27.4%, 104.3 lm W−1 en 106.2 cd A−1 vir die ITO/GraHIL-gebaseerde toestel. Die waargenome hoë EQE in die TiO2/grafiet/GraHIL-gebaseerde toestel bevestig die sinergistiese rol van beide TiO2- en GraHIL-lagies, en stem ooreen met die simulasieresultate. Met 'n halwe bal-lens opties gekoppel aan die agterkant van 'n substraat, vertoon die TiO2/grafiet/GraHIL-gebaseerde toestel EQE, kragdoeltreffendheid en stroomdoeltreffendheid so hoog as 64.7%, 250.4 lm W−1 en 257.0 cd A−1 onderskeidelik, wat verder die belowende potensiaal van die voorgestelde grafiet-gebaseerde OLEDs illustreer. Ons het toe die voorgestelde skema verder uitgebrei na 'n tandem, multi-junction OLED, waarin die netto EQE verbeter word (ten koste van spanning) omdat dit uiteindelik gegee word as die som van dié van sy individuele OLEDs ; hierdie benadering is gewild omdat die verbeterde EQE oor die algemeen lei tot 'n langer operasielifetyd . TiO2/grafiet/GraHIL-gebaseerde multi-junction OLEDs wat 'n ladings-generasie lagie (CGL) van 2, 9-dimetiel-4, 7-difeniel-1, 10-fenantrolien (BCP):Li/MoO3 bevat, vertoon EQE en kragdoeltreffendheid so hoog as 62.1% en 120.8 lm W−1 (103.2% en 183.5 lm W−1 met die halwe bal-lens), wat die top-graad prestasie en die veelsydige toepaslikheid van die voorgestelde elektrode-struktuur demonstreer. Die simulasie dui daarop dat die waargenome waarde ooreenstem met die som van EQE-waardes van ekwivalente tweede-orde holte-strukture (een met die emissiesone naby die tweede antinode van die katode; en 3 31 32

Part of HackerNoon's growing list of open-source research papers, promoting free access to academic material.

Hierdie oudio word in die oorspronklike taal van die storie vervaardig!

Wetenskaplikes ontsluit ultra-doeltreffende buigsame skermvertonings met behulp van grafeen en titaniumdioksied

About Author

KOMMENTAAR

HANG TAGS

HIERDIE ARTIKEL IS AANGEBIED IN

Related Stories

Thrilled to be Recognized as Startup of the Year in New York City

Thinking for the 21st century

$30M Raised in 30 Minutes and the Controversies to Follow: The Story Behind Dexter’s GM.ai Project

"Walk Down the Road of Life Without Fearing Anything" Max Azarov, CEO and Co-Founder, Novakid

Thrilled to be Recognized as Startup of the Year in New York City

Thinking for the 21st century

$30M Raised in 30 Minutes and the Controversies to Follow: The Story Behind Dexter’s GM.ai Project

"Walk Down the Road of Life Without Fearing Anything" Max Azarov, CEO and Co-Founder, Novakid

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps