```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Autori: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Sažetak Organske svjetleće diode (OLED) zasnovane na grafenu nedavno su se pojavile kao ključni element neophodan u displejima i rasvjeti sljedeće generacije, uglavnom zbog njihovog potencijala za visoko fleksibilne izvore svjetlosti. Međutim, njihova efikasnost je, u najboljem slučaju, bila slična efikasnosti konvencionalnih, parnjaka zasnovanih na indijum-kalaj oksidu. Ovdje predlažemo idealnu strukturu elektroda zasnovanu na sinergijskom međuodnosu TiO2 slojeva visokog indeksa i slojeva za ubrizgavanje rupa niskog indeksa koji sendviču grafenske elektrode, što rezultira idealnom situacijom gdje je poboljšanje rezonancijom šupljine maksimizirano, a gubitak na površinski polaritonima plazmona (SPP) ublažen. Predloženi pristup dovodi do OLED-ova koji pokazuju ultravisoku vanjsku kvantnu efikasnost od 40,8 i 62,1% (64,7 i 103% sa poluloptastom lećom) za jedno- i višestruke uređaje, odnosno. OLED-ovi napravljeni na plastici sa tim elektrodama se mogu više puta savijati na radijus od 2,3 mm, dijelom zbog toga što TiO2 slojevi podnose naprezanje pri savijanju do 4% putem otklanjanja pukotina za povećanje žilavosti. Uvod Prednosti oblika kao što su fleksibilnost i rastegljivost donijele su organskim svjetlećim diodama (OLED) veliku pažnju za upotrebu u novim uređajima kao što su nosivi, rolne ili sklopivi displeji koji zahtijevaju mobilnost, deformabilnost i/ili proširivost , . Puno ostvarivanje takvog potencijala, međutim, nije trivijalno i zahtijeva značajan napor u raznim aspektima kao što je razvoj tehnologija tankoslojnih tranzistora sa niskom temperaturom i/ili fleksibilnog zapreminskog materijala . Drugi važan aspekt koji treba uzeti u obzir za visoko fleksibilne displeje je pronalaženje transparentnih elektroda (TE) koje mogu zamijeniti elektrode od indijum-kalaj oksida (ITO), koje se obično suočavaju sa ograničenom fleksibilnošću i potencijalnim problemima troškova povezanim sa visokom potražnjom i/ili nestabilnom ponudom . U tom smislu, predložene su razne vrste fleksibilnih transparentnih elektroda kao što su metalne nanožice, materijali na bazi ugljenika (na primjer, ugljenične nanocijevi ili grafen) i metalne rešetke u kombinaciji sa drugim vrstama TE za OLED uređaje , , , , , . Među njima, grafen—atomski tanki list sp2-hibridizovanih atoma ugljenika—smatra se obećavajućim jer se očekuje da će jedinstvena kombinacija njegove inherentne tankosti i superiornih električnih karakteristika omogućiti idealne transparentne elektrode koje imaju nisku ili nikakvu optičku zamućenost, glatku površinsku topologiju koja sprječava električno kratko spajanje i degradaciju uzrokovanu hrapavošću, visoku propusnost, nizak otpor lima i visoku fleksibilnost u isto vrijeme , . Laka priprema visokokvalitetnog grafena na plastičnim podlogama velikih razmjera nedavno je demonstrirana za transparentne elektrode sa metodama koje su kompatibilne sa masovnom proizvodnjom od strane industrijskih sektora, demonstrirajući njihovu praktičnu održivost , . I jedno-slojni grafen (SLG) i višeslojni grafen (MLG) pokazali su da imaju performanse adekvatne za TE u OLED uređajima , . Konkretno, efikasni OLED-ovi zasnovani na grafenu postignuti su uz pomoć slojeva za ubrizgavanje rupa (HIL) koji se koriste za prevazilaženje njihovog relativno niske radne funkcije, za koju je poznato da iznosi oko 4,5 eV. Takvi slojevi za ubrizgavanje uključuju provodne polimere sa gradijentnim elektronskim svojstvima nazvane samorganizirajući gradijentni HIL (GraHIL) , i tanke MoO3 pufer slojeve u kombinaciji sa provodnim polimerima poli(3,4-etilenodioksitiofen): polistiren sulfonata (PEDOT:PSS) . Uprkos tome, efikasnost napajanja i vanjska kvantna efikasnost (EQE) ovih najsavremenijih OLED-ova zasnovanih na grafenu još uvijek su bili u rangu sa onima kod OLED-ova zasnovanih na ITO, osim ako se nije koristila glomazna hemisferična leća za poboljšanje izlaznog svjetla . Osiguranje najviše moguće efikasnosti je posebno važno za fleksibilne displeje primijenjene u visoko prenosivim ili nosivim aplikacijama, jer se oni često moraju oslanjati na baterije sa prilično ograničenim energetskim kapacitetom zbog ograničenja veličine, težine ili oblika. Ovo zahtijeva razvoj arhitekture uređaja koja može maksimizirati efikasnost OLED-ova zasnovanih na grafenu. Ključni izazov je razvoj strukture ili metodologije za otključavanje njihovog punog optičkog potencijala, a da se istovremeno zadrže prednosti grafena u pogledu oblika koliko god je to moguće. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 U tu svrhu, ovdje istražujemo jednostavnu arhitekturu elektroda zasnovanu na TiO2 slojevima visokog indeksa i HIL slojevima niskog indeksa koji sendviču grafenske elektrode. Uz optički dizajn koji u potpunosti koristi sinergijsku saradnju između slojeva visokog i niskog indeksa koji kontroliraju i pojačanje rezonancije šupljine i gubitak na površinski polariton plazmona (SPP), predloženi OLED-ovi zasnovani na grafenu pokazuju ultravisoku EQE koja je bez presedana kod onih koji koriste grafen kao transparentnu elektrodu. Nadalje, otkrivena je neobično visoka otpornost TiO2 na naprezanje pri savijanju, što omogućava plastične OLED uređaje koji nisu samo efikasni, već i visoko fleksibilni. Rezultati Optički dizajn OLED-ova visoke efikasnosti zasnovanih na grafenu Efikasnost OLED-ova je konačno ograničena konačnom efikasnošću izlaznog svjetla koja je obično najbolja oko 20% za uređaje sa izotropnim emiterima. Među raznim shemama poboljšanja izlaznog svjetla predloženim do danas , metoda zasnovana na rezonanciji mikrošupljine ima prednosti u tome što održava planarnu geometriju bez upotrebe bilo kakvih mikro/nano struktura ili struktura nalik sočivima, tako da OLED-ovi napravljeni na taj način nisu podložni električnim kratkim spojevima i optičkim artefaktima nepovoljnim za primjenu u displejima (na primjer, zamućenje, difrakcija i tako dalje), ali mogu pokazati visoko čiste, zasićene crvene (R), zelene (G), plave (B) primarne boje sa poboljšanom efikasnošću , . Sa slabim, ali još uvijek značajnim efektom mikrošupljine, OLED-ovi zasnovani na ITO također se mogu optimizirati za maksimalnu efikasnost, bez izazivanja optičkog zamućenja ili zamućenja, jednostavnim podešavanjem debljine ITO slojeva; u ovoj shemi, prvo-redna, 3 /4 dizajn šupljine, gdje   označava talasnu dužinu, postiže se sa otvorenim krajem moda šupljine postavljenim na spoju ITO/podloge , . U slučaju OLED-ova bez ITO, zasnovanih na grafenu, međutim, grafenske elektrode se ne mogu napraviti dovoljno debelim da bi kontrolirale dužinu šupljine, što otežava poboljšanje efikasnosti rezonantnim efektom . 15 16 17 λ λ 18 19 20 Kao alternativna mjera, može se postaviti tanki sloj visokog indeksa prelamanja ( H) ispod grafenskih slojeva kao što je prikazano na slici   na način sličan tankim metalnim elektrodama sa dielektričnim premazom , , , . Budući da svjetlost može proći kroz grafen s malom faznom razlikom zbog inherentne tankosti grafenske elektrode, 3 /4 dizajn šupljine može se lako postići, na primjer, sa optičkom debljinom organskih plus slojeva za ubrizgavanje i sloja visokog indeksa prelamanja postavljenom na približno 2 /4 i  /4, respektivno (slika  ). Konkretno, sloj visokog indeksa prelamanja debljine ' /4' također funkcionira kao dielektrično ogledalo bez metala koje omogućava značajnu refleksiju od donje montaže elektrode ( bot) za svjetlost koja pada iz organskih slojeva, kao što se može potvrditi na grafovima prikazanim na dnu slike  . Ovo pruža OLED-ovima zasnovanim na grafenu mogućnosti za poboljšanje njihove efikasnosti putem rezonantnog efekta, što inače ne bi bilo moguće. Pokazano je da  bot i prateće pojačanje rezonancije rastu sa  H ( ). Visoki indeks prelamanja je također koristan u smislu fleksibilnosti jer se ciljna optička debljina ( H H) može postići malom fizičkom debljinom  H, i jer se pukotine uzrokovane savijanjem kod datog filma generalno formiraju pri nižem početnom naprezanju sa većom fizičkom debljinom . Uspješan sloj visokog indeksa prelamanja u ovoj shemi trebao bi stoga imati što veći  H. Nadalje, trebao bi biti transparentan i, najvažnije, ne smije biti oštećen datim procesom prijenosa grafena. Među raznim kandidatima, TiO2 sloj nanesen raspršivanjem je transparentan u vidljivom spektru i ima relativno visok indeks prelamanja ( =2,5). Za razliku od drugih slojeva visokog indeksa prelamanja koje smo isprobali, TiO2 sloj pokazuje hemijsku otpornost koja je robusna na procese prijenosa grafena koji koriste rastvarače, kao što su aceton ili izopropil alkohol (IPA), što omogućava formiranje visokokvalitetnog grafenskog elektroda na njegovom vrhu ( ). n 1a 17 20 21 22 λ λ λ 1b λ R 1c,d R n Dodatna slika 1 n d d 23 n n Dodatna slika 2   ( ) Shematski prikaz strukture uređaja predloženih OLED-ova. ( ) Distribucija intenziteta elektromagnetnog polja (isprekidane linije) OLED-ova pod studijom za njihov odgovarajući dizajn šupljine prvog reda. Također je prikazana distribucija intenziteta polja grafenskog OLED-a bez TiO2 za poređenje za slučaj kada su vrijednosti debljine organskih slojeva iste kao kod OLED-ova sa TiO2, ali bez HIL slojeva niskog indeksa. ( , ) Izračunata maksimalna vanjska kvantna efikasnost ( EQE) grafenskih OLED-ova sa TiO2 pod-slojom kao funkcija debljine TiO2 i organskog sloja ( TiO2 i  org, respektivno). Isprekidane linije predstavljaju konturne linije za  EQE od 10, 20, 30 ili 40% kako je naznačeno na grafikonu. ( ) Bez HIL-a niskog indeksa; ( ) sa GraHIL-om kao HIL-om niskog indeksa. Na dnu svakog slučaja, prikazana je refleksija ( bot) od cijele montaže donje elektrode (TiO2/grafen/(HIL)) kao funkcija  TiO2 za svjetlost koja pada iz organskih slojeva. a b c d η d d η c d R d Vrijedno je napomenuti da je moguća i struktura mikrošupljine višeg reda (na primjer, drugi red, 5 /4 šupljina) zasnovana na debelom organskom sloju. Međutim, u ovom radu, prvo je izabran dizajn šupljine prvog reda jer rezultira jačim Purcellovim efektom i manjim brojem talasovodnih modova nego dizajn višeg reda, što na kraju dovodi do veće efikasnosti izlaznog svjetla i EQE , . Izazovi i dalje postoje za dizajn šupljine prvog reda jer je idealna lokacija zone emisije ograničena na prvi antinod od interfejsa organsko/metal, što otežava smanjenje SPP modova kroz dužu udaljenost emiter-metal , . Alternativna metoda koja se obično koristi za smanjenje SPP je uključivanje unutrašnjih valovitih struktura ili nabora , ali tolerancija na električna kratka spoja često može biti ugrožena takvim pristupima. Metoda koju usvajamo ovdje je uključivanje sloja sa niskim indeksom prelamanja, za koji je pokazano da efikasno smanjuje SPP modove , . Srećom, GraHIL ili samorganizirajući gradijentni sloj za ubrizgavanje rupa sastavljen od PEDOT:PSS i kopolimera tetrafluoroetilena-perfluoro-3,6-dioksa-4-metil-7-oktensulfonske kiseline (PFI), koji su prethodno predložili autori i pokazali su se vrlo efikasnim u poboljšanju ubrizgavanja rupa u OLED-ove zasnovane na grafenu , ima indeks prelamanja oko 1,42 na   od 550 nm ( ), što je znatno niže od indeksa prelamanja tipičnih organskih slojeva ( =1,8). Sa sinergijskim međuodnosom slojeva visokog i niskog indeksa prelamanja koji sendviču grafenske slojeve, pojačanje efekta rezonancije šupljine i smanjenje SPP modova se stoga mogu postići istovremeno tako da se EQE može značajno povećati čak i bez struktura za izlazno svjetlo. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ Dodatna slika 3 n  predstavlja rezultate optičke simulacije zasnovane na naprednoj klasičnoj teoriji elektromagnetizma sažetoj od strane Furnoa  .  preko cijelog vidljivog spektra i na   od 550 nm. Formalizam uzima u obzir Purcellov faktor, efekat orijentacije dipola i ekscitacije na SPP i talasovodne modove. Sveobuhvatno uključivanje svih ovih faktora ispostavlja se kritičnim za preciznu analizu i kvantitativni dizajn, jer se podcjenjivanje ili precjenjivanje može dogoditi kada se koristi pojednostavljeni pristup koji ne uzima u obzir jedan ili više tih efekata (vidjeti  ;   i   za primjere). Rezultati ukazuju da upotreba GraHIL-a preraspoređuje relativne udjele snage među raznim modovima prema manjim in-plane talasnim vektorima, tako da se snaga prenesena na SPP modove smanjuje, a izlazni dijelovi dodatno povećavaju ( ). Također se može vidjeti u   da upotreba TiO2 sloja ispod grafena efikasno potiskuje količinu snage prenesene na talasovodne i podloge modove putem pojačanja rezonancije. Ovo dovodi do značajnog povećanja efikasnosti izlaznog svjetla, iako je gubitak na evanescentne modove također pokazao povećanje zbog pomaka transverzalnih električnih talasovodnih modova prema višim normaliziranim in-plane talasnim vektorima ( ). Kombinirana upotreba slojeva visokog indeksa (H) TiO2 i niskog indeksa (L) GraHIL rezultira idealnom situacijom gdje je pojačanje rezonancije veliko, dok su gubici na SPP/evanescentne modove ublaženi. Nadalje, kombinirana upotreba stvara situaciju sličnu HL-sklopovima, koji se obično koriste za višeslojne tankoslojne premaze , i čak dodatno povećava  bot ( ), omogućavajući dodatno pojačanje u Fabry–Perotovom rezonantnom efektu. Ono što ovu predloženu tehnologiju čini jedinstvenom i naprednom u odnosu na konvencionalne tehnologije je upravo sinergijska saradnja ovih slojeva visokog i niskog indeksa prelamanja koji omogućavaju optičko upravljanje i rezonantnim efektom i SPP gubitkom u korist maksimalnog izlaznog svjetla; i dodatno pojačanje rezonancije putem HL slaganja. Zajedno sa njihovom urođenom kompatibilnošću sa željenim električnim svojstvima (na primjer, efikasno ubrizgavanje rupa), sva ova optička poboljšanja omogućavaju potpuno otključavanje čak i skrivenog potencijala onoga što planarni OLED-ovi zaista mogu ponuditi. Konturne mape dobijene za optički dostupni maksimalni EQE ( EQE (max)) kao funkciju debljine organskog ( org) i TiO2 ( TiO2) sloja predstavljene na slici   pokazuju da  EQE (max) može biti čak 44% u uređajima sa slojevima GraHIL i TiO2, dok bi bio ograničen na 38% bez GraHIL-a ili na 31% bez TiO2. Optimalni uslovi odgovaraju situaciji gdje  H (gdje je H TiO2) približava  /(4 H) (55 nm za  =550 nm). Također se može primijetiti da je  EQE (max) od 44% veći od onih očekivanih za optimizirane, konvencionalne šupljinske OLED-ove zasnovane na tankim metalima sa istim emiterom. Ovo se može pripisati činjenici da je predložena arhitektura manje podložna gubitku zbog apsorpcije fotona i/ili ekscitacije SPP modova unutar polutransparentnih elektroda (vidjeti   i   za poređenje sa onima kod konvencionalnih šupljinskih OLED-ova zasnovanih na tankim metalima). Slika 2a,b i saradnika 19 λ Dodatna slika 4 Dodatna tabela 1 Dodatna napomena 1 Dodatna slika 5a Dodatnoj tabeli 2 Dodatna slika 5b 30 R Slika 1d η d d 1c,d η d λ n λ η Dodatna slika 6 Dodatna tabela 3   ( , ) Izračunate spektre disipacije snage ponderisane spektrom emitera u proizvoljnim jedinicama (mapirano kao boja definisana u bojnim trakama) naspram in-plane talasnog vektora: ( ) sa TiO2, ali bez GraHIL-a; ( ) sa TiO2 i GraHIL-om. Crne isprekidane linije označavaju granične linije koje dijele reprezentativne optičke modove uključujući izlazne, podložne, talasovodne (wg) i evanescentne modove. ( ) Izračunata disipacija snage naspram normalizovanog in-plane talasnog vektora na  =550 nm za razne ispitivane strukture elektroda. Za uređaje sa TiO2,  TiO2 je fiksiran na 55 nm, a  org je izabran za optimalne uslove u svakom slučaju. Za uređaje bez TiO2,  org je postavljen na istu vrijednost kao i kod njihovih parnjaka u uređajima sa TiO2. a b a b c λ d d d Performanse izrađenih OLED-ova zasnovanih na grafenu Inspirisani rezultatima simulacije prikazanim iznad, izradili smo zelene OLED-ove zasnovane na fosforescentnim emiterima bis(2-(2-piridinil- )fenil-C)(acetilacetonato) iridijum (III) (Ir(ppy)2acac) u konfiguraciji staklo/anoda/(HIL)/OS1/LiF/Al sa različitim strukturama anode/(HIL) od TiO2/grafen/GraHIL; grafen/GraHIL; i ITO (185 nm)/GraHIL, gdje OS1 označava organski višeslojni sklop definisan u Metodama. Eksperimentalni rezultati predstavljeni na slici   pokazuju da su maksimalni EQE, efikasnost snage i efikasnost struje dobijeni za uređaj zasnovan na TiO2/grafen/GraHIL visoki kao 40,8%, 160,3 lm W−1 i 168,4 cd A−1, redom, dok su te vrijednosti ograničene na 31,7%, 112,6 lm W−1 i 119,0 cd A−1 za uređaj zasnovan na grafenu/GraHIL, i 27,4%, 104,3 lm W−1 i 106,2 cd A−1 za uređaj ITO/GraHIL. Uočena visoka EQE u uređaju zasnovanom na TiO2/grafen/GraHIL potvrđuje sinergijsku ulogu slojeva TiO2 i GraHIL, i u skladu je sa rezultatima simulacije. Sa poluloptastom lećom optički spojenom sa stražnje strane podloge, uređaj zasnovan na TiO2/grafen/GraHIL pokazuje EQE, efikasnost snage i efikasnost struje visoke kao 64,7%, 250,4 lm W−1 i 257,0 cd A−1, respektivno, dodatno ilustrirajući obećavajući potencijal predloženih OLED-ova zasnovanih na grafenu. Zatim smo dalje proširili predloženu shemu na tandem, višestruki OLED, gdje se neto EQE poboljšava (na uštrb napona) jer je konačno dat kao zbir EQE pojedinačnih OLED-ova ; ovaj pristup je popularan jer poboljšani EQE općenito dovodi do dužeg životnog vijeka rada . Višestruki OLED-ovi zasnovani na TiO2/grafen/GraHIL koji sadrže sloj za generisanje naboja (CGL) od 2, 9-dimetil-4,7-difenil-1,10-fenantrolina (BCP):Li/MoO3 pokazuju EQE i efikasnost snage visoke kao 62,1% i 120,8 lm W−1 (103,2% i 183,5 lm W−1 sa poluloptastom lećom), demonstrirajući najsavremenije performanse i svestranu primjenjivost predložene strukture elektroda. Simulacija ukazuje da primijećena vrijednost odgovara zbiru EQE vrijednosti ekvivalentnih struktura šupljine drugog reda (jedna sa zonom emisije blizu drugog antinoda od katode; i druga sa zonom emisije blizu prvog antinoda od katode) sa faktor N 3 31 32

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

Ovaj audio je proizveden na originalnom jeziku priče!

Naučnici otključali ultra-efikasne fleksibilne displeje pomoću grafena i titanijum dioksida

About Author

KOMENTARI

HANG TAGS

OVAJ ČLANAK JE PREDSTAVLJEN U

Related Stories

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps