
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Outers: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 liguitstraal diodes (OLEDs) het onlangs na vore gekom as 'n sleutelelement wat noodsaaklik is in volgende-generasie vertoonvensters en beligting, hoofsaaklik vanweë hul belofte 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 samenspel van hoë-indeks TiO2-lae en lae-indeks holte-inspuitlae wat grafiet-elektrodes insluit, wat lei tot 'n ideale situasie waar verbetering deur holte-resonansie gemaksimeer word, maar verlies aan oppervlakte-plasmons polaaritons verminder word. Die voorgestelde benadering lei tot OLEDs wat ultra-hoë eksterne kwantumeffektiwiteit van 40.8 en 62.1% (64.7 en 103% met 'n halfbal lens) vir enkel- en multi-samestellings toestelle toon. 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-lae wat buigspanning tot 4% weerstaan via kraak-afbuig taaiheid. Inleiding Vormfaktor-voordele soos buigsaamheid en rekbaarheid het organiese liguitstraal diodes (OLEDs) groot aandag gebring vir gebruik in opkomende toestelle soos draagbare, rol- of voubare vertoonvensters wat mobiliteit, vervormbaarheid en/of uitbreibaarheid vereis , . Volledige verwesenliking van sodanige potensiaal is egter nie triviaal nie en vereis aansienlike pogings op verskeie gebiede soos die 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 potensiële koste-kwessies wat verband hou met hoë vraag en/of onstabiele aanbod . In hierdie opsig is verskeie soorte buigsame deursigtige elektrodes soos metaal nano-drade, koolstof-gebaseerde materiale (byvoorbeeld, koolstof nanotuie of grafiet) en metaalroosteries gekoppel aan ander tipes TEs voorgestel vir OLEDs , , , , , . Onder hulle is grafiet—'n atomies dun vel 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 lae of geen optiese waas het nie, gladde oppervlakte topologie wat ruheid-geïnduseerde elektriese kortsluiting en agteruitgang voorkom, hoë transmissie, lae veldweerstand en 'n hoë graad van buigsaamheid almal terselfdertyd , . Maklike voorbereiding van hoë-gehalte grafiet op groot-skaal plastiek substrate is onlangs gedemonstreer vir deursigtige elektrodes met massaproduksie-versoenbare metodes deur industrieë, wat hul praktiese lewensvatbaarheid toon , . Beide enkellaag grafiet (SLG) en meerlaag grafiet (MLG) is getoon om prestasie te hê wat geskik is vir TEs in OLEDs , . Veral doeltreffende grafiet-gebaseerde OLEDs is bereik met die hulp van holte-inspuitlae (HILs) wat gebruik word om hul relatief lae werkfunksie te oorkom, wat bekend is om ongeveer 4.5 eV te wees. Sulke inspuitlae sluit geleidende polimere met gradiënt elektroniese eienskappe in wat 'n self-georganiseerde gradiënt HIL (GraHIL)  genoem word, en dun MoO3-bufferlae gekoppel aan geleidende polimere van poli(3,4-etileendioxitiofeen): polistireensulfonaat (PEDOT:PSS) . Nietemin was die kragdoeltreffendheid en eksterne kwantumeffektiwiteit (EQE) van hierdie top-grafiet-gebaseerde OLEDs steeds op 'n pariteit met dié van ITO-gebaseerde OLEDs, tensy 'n lywige emisferiese lens gebruik is vir uitkoppelverbetering . Om die hoogste moontlike doeltreffendheid te verkry, is veral belangrik vir buigsame vertoonvensters wat op hoogs draagbare of draagbare toepassings toegepas word, aangesien hulle dikwels van batterye met 'n redelik beperkte energiekapasiteit moet afhang as gevolg van beperkings in grootte, gewig of vormfaktore. Dit vereis die ontwikkeling van 'n toestelargitektuur wat die doeltreffendheid van grafiet-gebaseerde OLEDs kan maksimeer. 'n Sleuteluitdaging is om 'n struktuur of metodologie te ontwikkel om hul volle optiese potensiaal te ontsluit, maar grafiet se meriete in vormfaktore soveel as moontlik te behou. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 Daartoe ondersoek ons ​​hier 'n eenvoudige elektrode argitektuur gebaseer op hoë-indeks TiO2-lae en lae-indeks HILs wat grafiet-elektrodes insluit. Met die optiese ontwerp wat 'n volledige voordeel trek uit die sinergistiese samewerking tussen die hoë- en lae-indeks lae wat beide holte-resonansie verbetering en verlies aan oppervlakte-plasmons polaariton (SPP) beheer, vertoon die voorgestelde grafiet-gebaseerde OLEDs ultra-hoë EQE wat ongekend is in dié wat grafiet as 'n deursigtige elektrode gebruik. Verder word ongewoon hoë weerstand van TiO2 teen buigspanning onthul 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 uitkoppel-doeltreffendheid wat tipies hoogstens ongeveer 20% is vir toestelle met isotropiese emitters. Onder verskeie uitkoppel-verbeterende skemas wat tot op hede voorgestel is , het 'n metode gebaseer op mikroholte-resonansie voordele dat dit 'n planêre geometrie behou sonder om enige mikro/nano-strukture of lentikulêre strukture te gebruik, sodat die OLEDs wat daaruit gemaak word nie onderworpe is aan elektriese kortsluitings en optiese artefakte wat ongunstig is vir vertoon-toepassing nie (byvoorbeeld, vervaging, diffraksie, ensovoorts) maar tog hoogs suiwer, versadigde rooi (R), groen (G), blou (B) primêre kleure met verbeterde doeltreffendheid kan vertoon , . Met 'n swak maar steeds beduidende 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-lae aan te pas; in hierdie skema word 'n eerste-orde, 3λ/4 holte-ontwerp, waar λ verwys na golflengte, bereik met die oop einde van die holte-modus by die ITO/substraat-koppelvlak geplaas , . In die geval van ITO-vrye, grafiet-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 die grafietlae geplaas word soos getoon in Figuur 1a op 'n manier soortgelyk aan diëlektries-bedekte dunmetaalelektrodes , , , . Omdat lig met min faseverskil deur die grafiet kan gaan as gevolg van die inherente dunheid van 'n grafiet-elektrode, kan 'n 3λ/4 holte-ontwerp gerieflik bereik word, byvoorbeeld met die optiese dikte van die organiese plus inspuitlae en die hoë brekingsindeks laag ingestel op ongeveer 2λ/4 en λ/4 onderskeidelik (Figuur 1b). Veral die 'λ/4-dik' hoë-indeks laag funksioneer ook as 'n metaalvrye, diëlektriese spieël wat aansienlike refleksie van die onderste elektrode samestelling (Rbot) vir lig wat van organiese lae inval, moontlik maak, soos gesien kan word in die grafieke onderaan Figuur 1c,d. Dit bied grafiet-gebaseerde OLEDs geleenthede om hul doeltreffendheid via die resonansie-effek te verbeter, wat andersins nie moontlik sou wees nie. Daar word getoon dat Rbot en gepaardgaande resonansieverbetering toeneem met nH (Supplementêre Figuur 1). Die hoë brekingsindeks is ook voordelig ten opsigte van buigsaamheid omdat die beoogde optiese dikte (nHdH) met 'n lae fisiese dikte dH bereik kan word, en omdat buig-geïnduseerde kraak van 'n gegewe film oor die algemeen op 'n laer aanvangspanning vorm met 'n groter fisiese dikte . 'n Suksesvolle hoë-indeks laag in hierdie skema behoort dus so groot moontlik nH 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 gesputterde TiO2-laag deursigtig in 'n sigbare spektrale reeks en het dit 'n relatief hoë brekingsindeks (n=2.5). Anders as ander hoë-indeks lae wat ons probeer het, blyk dit dat die TiO2-laag chemiese weerstand bied teen grafiet-oordragprosesse wat oplosmiddels gebruik, soos asetoon of isopropielalkohol (IPA), wat die vorming van 'n hoë-gehalte grafiet-elektrode daarop moontlik maak (Supplementêre Figuur 2). 17 20 21 22 23   ( ) Skematiese toestelstruktuur van die voorgestelde OLEDs. ( ) Elektromagnetiese veldintensiteitsverspreiding (gestreepte 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 lae dieselfde is as die OLEDs met TiO2 maar sonder lae-indeks HILs. ( , ) Berekende maksimum eksterne kwantumeffektiwiteit (ηEQE) van grafiet-gebaseerde OLEDs met TiO2 onder-laag as 'n funksie van TiO2 en organiese laag dikte (dTio2 en dorg, onderskeidelik). Gestreepte 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 refleksie (Rbot) van die onderste elektrode samestelling (TiO2/graphene/(HIL)) as 'n geheel aangebied as 'n funksie van dTio2 vir lig wat van die organiese lae inval. a b c d c d Dit is opmerklik dat 'n hoër-orde mikroholte-struktuur (byvoorbeeld, tweede orde, 5λ/4 holte) gebaseer op 'n dik organiese stapel ook moontlik is. In hierdie werk is 'n eerste-orde holte-ontwerp egter eers gekies omdat dit lei tot 'n sterker Purcell-effek en minder golfleier-modusse as die hoër-orde ontwerp, wat uiteindelik lei tot groter uitkoppel-doeltreffendheid en EQE , . Uitdagings bly steeds vir die eerste-orde holte-ontwerp omdat die ideale ligging van 'n emissiesone beperk is tot die eerste antinode vanaf die organiese/metaal-koppelvlak, wat dit moeilik maak om SPP-modusse te verminder deur 'n langer emitter-tot-metaal afstand , . 'n Alternatiewe metode wat tipies vir SPP-vermindering gebruik word, is om interne golwende strukture of plooie in te sluit , maar verdraagsaamheid teenoor elektriese kortsluitings kan dikwels gekompromitteer word deur sulke benaderings. Die metode wat ons hier aanneem, is om 'n laag met 'n lae brekingsindeks in te sluit, wat getoon is dat dit SPP-modusse effektief verminder , . Gelukkig het GraHIL of 'n self-georganiseerde gradiënt holte-inspuitlaag bestaande uit PEDOT:PSS en tetra-fluoreetileen-perfluoro-3, 6-dioksa-4-metiel-7-oktaensulfonaat-kopolimeer (PFI), wat voorheen deur die skrywers voorgestel is en getoon is dat dit baie effektief is in die verbetering van holte-inspuiting in grafiet-gebaseerde OLEDs , 'n brekingsindeks van ongeveer 1.42 by λ van 550 nm ( ), wat baie laer is as dié van tipiese organiese lae (n=1.8). Met die sinergistiese samenspel van hoë- en lae-indeks lae wat grafietlae insluit, 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 uitkoppelstrukture. 24 25 25 26 27 28 29 13 Supplementêre Figuur 3  bied die optiese simulasieresultate gebaseer op 'n gevorderde klassieke elektromagnetiese teorie opgesom deur Furno  .  oor die hele sigbare spektrale reeks, en by λ van 550 nm. Die formalisme neem die Purcell-faktor, dipooloriëntasie-effek, en eksitasies na SPP en golfleier-modusse in ag. 'n Omvattende insluiting van al hierdie faktore blyk krities te wees vir 'n presiese ontleding 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 aan dat die gebruik van GraHIL die relatiewe kraginhoude tussen verskillende modusse herverdeel na kleiner in-vlak golfvektore sodat die krag wat na SPP-modusse gekoppel word, verminder word en die uitgeskoppelde gedeeltes verder verbeter word ( ). Dit kan ook gesien word in   dat die gebruik van die TiO2-laag onder grafiet die hoeveelheid krag wat na golfgeleide en substraatmodusse gekoppel word, effektief onderdruk deur resonansieverbetering. Dit lei tot 'n aansienlike toename in uitkoppel-doeltreffendheid, hoewel verlies aan ewewydige modusse ook getoon word om toe te neem as gevolg van die verskuiwing van transversale-elektriese golfgeleide modusse na hoër genormaliseerde in-vlak golfvektore ( ). Die gekombineerde gebruik van hoë-indeks (H) TiO2 en lae-indeks (L) GraHIL lae, lei tot 'n ideale situasie waar resonansieverbetering groot is, tog word verlies aan SPP/ewewydige modusse verminder. Boonop skep die gekombineerde gebruik 'n situasie soortgelyk aan HL-stapels, wat tipies vir meerlaag dunfilm-bedekkings gebruik word , en verder Rbot verbeter ( ), wat verdere 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 lae wat optiese bestuur van beide resonansie-effek en SPP-verlies tot voordeel van maksimum uitkoppeling moontlik maak; en bykomende resonansieverbetering via HL-stapeling. Saam met hul inheemse versoenbaarheid met gewenste elektriese eienskappe (byvoorbeeld, doeltreffende holte-inspuiting), laat al hierdie optiese voordele 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 (maks)) as 'n funksie van organiese (dorg) en TiO2 dikte (dTio2) wat in   aangebied word, toon dat ηEQE (maks) so hoog as 44% kan wees in toestelle met beide GraHIL en TiO2 lae 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). Daar kan ook opgemerk word dat ηEQE (maks) van 44% hoër is as wat verwag word vir geoptimaliseerde, konvensionele dunmetaal-gebaseerde holte-OLEDs met dieselfde emitter. Dit kan toegeskryf word aan die feit dat die voorgestelde argitektuur minder onderworpe is aan verlies as gevolg van foton absorpsie en/of SPP-modus opwekking binne semi-deursigtige elektrodes (sien   en   vir vergelyking met dié van konvensionele dunmetaal-gebaseerde holte-OLEDs). Figuur 2a,b et al 19 Supplementêre Figuur 4 Supplementêre Tabel 1 Supplementêre Nota 1 Supplementêre Figuur 5a Supplementêre Tabel 2 Supplementêre Figuur 5b 30 Figuur 1d Figuur 1c,d Supplementêre Figuur 6 Supplementêre Tabel 3   ( , ) Berekende kragverspreidingspektrums geweeg met die emitter-spektrum in arbitrêre eenhede (gelykgestel as 'n kleur gedefinieer in die kleurbalke) teenoor in-vlak golfvektor: ( ) met TiO2 maar sonder GraHIL; ( ) met beide TiO2 en GraHIL. Die swart gestreepte lyne dui grenslyne aan wat verteenwoordigende optiese modusse verdeel, insluitend uitgeskoppelde, substraat-gekonfynteerde (subs), golfgeleide (wg) en ewewydige modusse. ( ) Berekende kragverspreiding teenoor genormaliseerde in-vlak golfvektor 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 elke teenparty in die toestelle met TiO2. a b a b c Toestelprestasie van vervaardigde grafiet-gebaseerde OLEDs Geïnspireer deur die simulasieresultate hierbo getoon, het ons groen OLEDs vervaardig gebaseer op fosforeserende 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/graphene/GraHIL; graphene/GraHIL; en ITO (185 nm)/GraHIL, waar OS1 verwys na 'n organiese meerlaag stapel gedefinieer in Metodes. Empiriese resultate wat in   aangebied word, toon dat die maksimum EQE, kragdoeltreffendheid en stroomdoeltreffendheid wat verkry is vir die TiO2/graphene/GraHIL-gebaseerde toestel so hoog as 40.8%, 160.3 lm W−1 en 168.4 cd A−1 is, onderskeidelik, 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/graphene/GraHIL-gebaseerde toestel bevestig die sinergistiese rol van beide TiO2 en GraHIL lae, en stem ooreen met die simulasieresultate. Met 'n halfbal lens wat opties aan die agterkant van 'n substraat gekoppel is, vertoon die TiO2/graphene/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-samestellings 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 bedryfsduur . TiO2/graphene/GraHIL-gebaseerde multi-samestellings OLEDs wat 'n ladingsgenerasie-laag (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 halfbal lens), wat die staat-van-die-kuns prestasie en die veelsydige toepasbaarheid van die voorgestelde elektrode struktuur demonstreer. Die simulasie dui aan 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 die ander met die emissiesone naby die eerste antinode van die katode) met 'n elektriese balans faktor van 0.89 (sien  ,   en  Figuur 3 31 32 Supplementêre Figuur 7 Supplementêre Tabel 4

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-effisiënte buigsame skermvertonings deur grafeen en titaandioksied te gebruik

About Author

KOMMENTAAR

HANG TAGS

HIERDIE ARTIKEL IS AANGEBIED IN

Related Stories

Uber Still Can't Turn a Profit

Startups of The Year: Meet the Business Industry

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

The #bitcoin Writing Contest by Rootstock and HackerNoon: Final Round Results🎉

Uber Still Can't Turn a Profit

Startups of The Year: Meet the Business Industry

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

The #bitcoin Writing Contest by Rootstock and HackerNoon: Final Round Results🎉

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps