
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 diode koje emituju svjetlost (OLED) zasnovane na grafenu nedavno su se pojavile kao ključni element neophodan u ekranima i osvjetljenju sljedeće generacije, uglavnom zbog njihovog potencijala za vrlo fleksibilne izvore svjetlosti. Međutim, njihova efikasnost je, u najboljem slučaju, bila slična efikasnosti konvencionalnih pandana na bazi indijum kalaj oksida. Mi ovdje predlažemo idealnu strukturu elektroda zasnovanu na sinergističkom međudjelovanju TiO2 slojeva visokog indeksa i slojeva za ubrizgavanje rupa niskog indeksa koji obavijaju grafenske elektrode, što rezultira idealnom situacijom gdje je pojačanje rezonancijom šupljine maksimizirano, a gubitak na površinskim plazmon polaritonima ublažen. Predloženi pristup dovodi do OLED-ova koji pokazuju ultra-visoku vanjsku kvantnu efikasnost od 40,8 i 62,1% (64,7 i 103% sa sočivom u obliku polulopte) za jedno- i višestruke uređaje, respektivno. OLED-ovi napravljeni na plastici sa tim elektrodama mogu se više puta savijati sa radijusom od 2,3 mm, dijelom zbog TiO2 slojeva koji podnose savijanje do 4% putem kaljenja otklanjanjem pukotina. Uvod Prednosti oblika kao što su fleksibilnost i rastegljivost donijele su organskim diodama koje emituju svjetlost (OLED) veliku pažnju za upotrebu u novim uređajima poput nosivih, rolajućih ili sklopivih ekrana koji zahtijevaju mobilnost, deformabilnost i/ili proširivost , . Puno ostvarenje takvog potencijala, međutim, nije trivijalno i zahtijeva značajan napor u različitim aspektima kao što je razvoj tehnologija tankoslojnih tranzistora sa niskom temperaturom i/ili fleksibilnog zapovijanja . Drugi važan aspekt koji treba uzeti u obzir za visoko fleksibilne ekrane je pronalaženje providnih elektroda (TE) koje mogu zamijeniti elektrode od indijum kalaj oksida (ITO), koje se obično bore sa ograničenom fleksibilnošću i potencijalnim problemima troškova povezanim sa velikom potražnjom i/ili nestabilnom ponudom . U tom pogledu, predloženo je nekoliko vrsta fleksibilnih providnih elektroda kao što su metalne nanožice, materijali na bazi ugljenika (na primjer, ugljenične nanocevi ili grafen) i metalne mreže u kombinaciji sa drugim vrstama TE za OLED uređaje , , , , , . Među njima, grafen—atomski tanki sloj sp2-hibridizovanih atoma ugljenika—smatran je obećavajućim jer se očekuje da će jedinstvena kombinacija njegove inherentne tankosti i superiornih električnih karakteristika omogućiti idealne providne elektrode koje imaju nisku ili nikakvu optičku zamućenost, glatku površinsku topologiju koja sprečava električne kratke spojeve i degradaciju uzrokovane hrapavošću, visoku propusnost, nisku otpornost lima i visok stepen fleksibilnosti u isto vrijeme , . Laka priprema visokokvalitetnog grafena na velikim plastičnim podlogama nedavno je demonstrirana za providne elektrode sa metodama kompatibilnim sa masovnom proizvodnjom od strane industrijskih sektora, pokazujući njihovu praktičnu održivost , . Pokazalo se da i jednostruki i višeslojni grafen 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 njihove relativno niske funkcije rada, za koju se zna da iznosi oko 4,5 eV. Takvi slojevi za ubrizgavanje uključuju provodne polimere sa gradijentnim elektronskim svojstvima nazvane samorganizovani gradijentni HIL (GraHIL) , i tanke MoO3 bafer slojeve u kombinaciji sa provodnim polimerima poli(3,4-etilendioksitiofena): polistiren sulfonata (PEDOT:PSS) . Ipak, efikasnost napajanja i vanjska kvantna efikasnost (EQE) ovih najmodernijih OLED-ova zasnovanih na grafenu bili su još uvijek na nivou ITO-baziranih OLED-ova, osim ako nije korišteno glomazno hemisferično sočivo za pojačanje izlazne svjetlosti . Osiguravanje najviše moguće efikasnosti je posebno važno za fleksibilne displeje primijenjene u visoko prenosivim ili nosivim aplikacijama, jer se često moraju oslanjati na baterije sa prilično ograničenim kapacitetom energije zbog ograničenja u veličini, težini ili obliku. 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 obliku što je više moguće. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 U tu svrhu, mi ovdje istražujemo jednostavnu arhitekturu elektroda zasnovanu na TiO2 slojevima visokog indeksa i HIL-ovima niskog indeksa koji obavijaju grafenske elektrode. Sa optičkim dizajnom koji u potpunosti koristi sinergijsku saradnju između slojeva visokog i niskog indeksa koji kontrolišu i pojačanje rezonancije šupljine i gubitak na površinski plazmon polariton (SPP), predloženi OLED-ovi zasnovani na grafenu pokazuju ultra-visoku EQE koja je bez presedana kod onih koji koriste grafen kao providnu elektrodu. Nadalje, otkrivena je neobično visoka otpornost TiO2 na savijanje koja omogućava plastične OLED-ove koji nisu samo efikasni, već i vrlo fleksibilni. Rezultati Optički dizajn efikasnih OLED-ova zasnovanih na grafenu Efikasnost OLED-ova je konačno ograničena konačnom efikasnošću izlazne svjetlosti koja je obično oko 20% u najboljem slučaju za uređaje sa izotropnim emiterima. Među raznim šemama za poboljšanje izlazne svjetlosti predloženim do sada , metoda zasnovana na rezonanciji mikrošupljine ima prednosti u tome što održava planarnu geometriju bez upotrebe bilo kakvih mikro/nano struktura ili sočivnih struktura, tako da OLED-ovi napravljeni na taj način nisu podložni električnim kratkim spojevima i optičkim artefaktima nepovoljnim za primjenu displeja (na primjer, zamućenje, difrakcija i tako dalje), ali mogu pokazati vrlo čiste, zasićene crvene (R), zelene (G), plave (B) primarne boje sa pojačanom efikasnošću , . Uz slab, ali još uvijek značajan efekat mikrošupljine, ITO-bazirani OLED-ovi se takođe mogu optimizovati za maksimalnu efikasnost, bez izazivanja bilo kakvog optičkog zamućenja ili zamućenja, jednostavnim prilagođavanjem debljine ITO slojeva; u ovoj šemi, prvoredni dizajn šupljine od 3 /4, gde   označava talasnu dužinu, postiže se sa otvorenim krajem moda šupljine postavljenog na spoju ITO/podloga , . U slučaju OLED-ova bez ITO, zasnovanih na grafenu, međutim, grafenske elektrode ne mogu biti dovoljno debele da kontrolišu dužinu šupljine, što otežava poboljšanje efikasnosti rezonancijskim efektom . 15 16 17 λ λ 18 19 20 Kao alternativna mjera, može se postaviti tanki sloj sa visokim indeksom prelamanja ( H) ispod grafenskih slojeva kao što je prikazano na   na način sličan dielektričnim pokrivenim tankim metalnim elektrodama , , , . Budući da svjetlost može proći kroz grafen sa malom faznom razlikom zbog inherentne tankosti grafenske elektrode, dizajn šupljine 3 /4 može se postići povoljno, na primjer, sa optičkom debljinom organskih plus slojeva za ubrizgavanje i sloja visokog indeksa prelamanja postavljenom na približno 2 /4 i  /4, respektivno ( ). Konkretno, ' /4-debeo' sloj visokog indeksa takođe funkcioniše kao dielektrično ogledalo bez metala koje omogućava značajnu refleksiju od sklopa donje elektrode ( bot) za svjetlost koja pada sa organskih slojeva, kao što se može potvrditi na grafikonima prikazanim na dnu  . Ovo pruža OLED-ovima zasnovanim na grafenu mogućnosti da poboljšaju svoju efikasnost putem rezonancijskog efekta, što inače ne bi bilo moguće. Pokazano je da se  bot i prateće rezonancijsko pojačanje povećavaju sa  H ( ). Visoki indeks prelamanja je takođe koristan u smislu fleksibilnosti jer se ciljna optička debljina ( H H) može postići malom fizičkom debljinom  H, i jer pucanje filma izazvano savijanjem uopšteno formira pri nižoj početnoj deformaciji sa većom fizičkom debljinom . Uspješan sloj visokog indeksa u ovoj šemi bi stoga trebao imati što veći  H. Nadalje, trebao bi biti providan, i iznad svega, ne smije biti oštećen datim procesom prenosa grafena. Među raznim kandidatima, TiO2 slojev zaštićen procesom raspršivanja je providan u vidljivom spektru i ima relativno visok indeks prelamanja ( =2.5). Za razliku od drugih slojeva visokog indeksa koje smo probali, TiO2 sloja se pokazao hemijski otpornim na procese prenosa grafena koji koriste rastvarač, kao što su aceton ili izopropil alkohol (IPA), omogućavajući formiranje visokokvalitetnog grafenskog elektroda na njegovom vrhu ( ). n slici 1a 17 20 21 22 λ λ λ slika 1b λ R slika 1c,d R n Dodatna slika 1 n d d 23 n n Dodatna slika 2   ( ) Šematski prikaz strukture predloženih OLED-ova. ( ) Raspodjela intenziteta elektromagnetnog polja (isprekidane linije) OLED-ova pod ispitivanjem za njihov odgovarajući dizajn šupljine prvog reda. Prikazana je i raspodjela intenziteta polja grafenskog OLED-a bez TiO2 za poređenje, u slučaju kada su vrijednosti debljine organskih slojeva iste kao kod OLED-ova sa TiO2 ali bez HIL-ova niskog indeksa. ( , ) Izračunata maksimalna vanjska kvantna efikasnost ( EQE) grafenskih OLED-ova sa TiO2 pod-slojem kao funkcija debljine TiO2 i organskog sloja ( TiO2 i  org, respektivno). Isprekidanim linijama predstavljene su 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 sklopa donje elektrode (TiO2/grafen/(HIL)) kao cjeline kao funkcija  TiO2 za svjetlost koja pada sa organskih slojeva. a b c d η d d η c d R d Vrijedi napomenuti da je moguća i struktura mikrošupljine višeg reda (na primjer, drugog reda, 5 /4 šupljine) zasnovana na debelom organskom sloju. Međutim, u ovom radu, dizajn šupljine prvog reda je prvi izabran jer rezultira jačim Purcellovim efektom i manje talasovodnih modova nego dizajn višeg reda, što na kraju dovodi do veće efikasnosti izlazne svjetlosti i EQE , . Izazovi i dalje postoje za dizajn šupljine prvog reda jer je idealna lokacija zone emisije ograničena na prvi antinod od interfejsa organskog/metalnog materijala, što otežava smanjenje SPP modova na većoj udaljenosti od emitera do metala , . Alternativna metoda koja se obično koristi za smanjenje SPP-a je uključivanje unutrašnjih valovitih struktura ili nabora , ali tolerancija na električne kratke spojeve često može biti ugrožena takvim pristupima. Metoda koju ovdje usvajamo je uključivanje sloja sa niskim indeksom prelamanja, za koji se pokazalo da efikasno smanjuje SPP modove , . Srećom, GraHIL ili samorganizovani 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 pokazalo se da je vrlo efikasan u poboljšanju ubrizgavanja rupa u OLED-ovima zasnovanim na grafenu , ima indeks prelamanja oko 1,42 na   od 550 nm ( ), što je mnogo niže od indeksa prelamanja tipičnih organskih slojeva ( =1,8). Sa sinergijskim međudjelovanjem slojeva visokog i niskog indeksa koji obavijaju grafenske slojeve, pojačanje efekta rezonancije šupljine i smanjenje SPP modova se stoga može izvršiti istovremeno tako da se EQE može značajno povećati čak i bez struktura za izlaznu svjetlost. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ Dodatna slika 3 n  predstavlja rezultate optičke simulacije zasnovane na naprednoj klasičnoj elektromagnetnoj teoriji sažetoj od strane Furno  .  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 pokazuje se kritičnim za preciznu analizu i kvantitativni dizajn, jer se može dogoditi podcjenjivanje ili precjenjivanje kada se koristi pojednostavljeni pristup koji ne uzima u obzir jedan ili više tih efekata (vidi  ;   i   za primjere). Rezultati ukazuju da upotreba GraHIL-a preraspoređuje relativne sadržaje snage među raznim modovima ka manjim ravnim talasnim vektorima, tako da se snaga povezana sa SPP modovima smanjuje, a izlazni dijelovi dodatno povećavaju ( ). Takođe se može vidjeti u   da upotreba TiO2 sloja ispod grafena efikasno suzbija količinu snage povezane sa talasovodnim i podložnim modovima putem rezonancijskog pojačanja. Ovo dovodi do značajnog povećanja efikasnosti izlazne svjetlosti, iako se gubitak na evanescentne modove takođe povećava zbog pomaka poprečno-električnih talasovodnih modova ka višim normalizovanim ravnim talasnim vektorima ( ). Kombinovana upotreba visokog indeksa (H) TiO2 i niskog indeksa (L) GraHIL slojeva, rezultira idealnom situacijom gdje je pojačanje rezonancije veliko, a gubitak na SPP/evanescentne modove ublažen. Nadalje, kombinovana upotreba stvara situaciju sličnu HL-slojevima, koji se obično koriste za višeslojne tankoslojne premaze , i čak dalje povećava  bot ( ), omogućavajući dodatno pojačanje u Fabry–Perot rezonancijskom efektu. Ono što čini predloženu tehnologiju jedinstvenom i naprednom u odnosu na konvencionalne tehnologije je upravo sinergijska saradnja ovih slojeva visokog i niskog indeksa koji omogućavaju optičko upravljanje kako rezonancijskim efektom, tako i SPP gubitkom u korist maksimalne izlazne svjetlosti; i dodatno rezonancijsko pojačanje putem HL slaganja. Zajedno sa njihovom inherentnom kompatibilnošću sa željenim električnim svojstvima (na primjer, efikasno ubrizgavanje rupa), svi ovi optički benefiti omogućavaju potpuno otključavanje čak i skrivenog potencijala onoga što planarni OLED-ovi mogu istinski ponuditi. Konturne mape dobijene za optički dostupnu maksimalnu EQE ( EQE (max)) kao funkciju organske ( org) i TiO2 debljine ( TiO2) predstavljene na   pokazuju da  EQE (max) može biti čak 44% kod uređaja sa oba GraHIL i TiO2 sloja, dok bi bio ograničen na 38% bez GraHIL ili na 31% bez TiO2. Optimalni uslovi odgovaraju situaciji gdje  H (sa H koji je TiO2) prilazi  /(4 H) (55 nm za  =550 nm). Takođe se može primijetiti da je  EQE (max) od 44% viši od očekivanih za optimizirane, konvencionalne OLED-ove sa šupljinama zasnovane na tankom metalu sa istim emiterom. Ovo se može pripisati činjenici da je predložena arhitektura manje podložna gubitku uslijed apsorpcije fotona i/ili SPP moda ekscitacije unutar poluprovidnih elektroda (vidi   i   za poređenje sa onima kod konvencionalnih OLED-ova sa šupljinama zasnovanim na tankom metalu). Slika 2a,b et al 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 slikama 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 barovima u boji) u odnosu na talasni vektor u ravni: ( ) sa TiO2 ali bez GraHIL; ( ) sa oba TiO2 i GraHIL. Crne isprekidane linije označavaju granične linije koje dijele reprezentativne optičke modove uključujući izlazne, podložno-konfinirane (subs), talasovodne (wg) i evanecentne modove. ( ) Izračunata disipacija snage u odnosu na normalizovani talasni vektor u ravni 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 kod odgovarajućih uređaja sa TiO2. a b a b c λ d d d Performanse izrađenih OLED-ova zasnovanih na grafenu Inspirisani gornjim rezultatima simulacije, 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   pokazuju da su maksimalna EQE, efikasnost napajanja i efikasnost struje dobijene za uređaj zasnovan na TiO2/grafen/GraHIL iznosile čak 40,8%, 160,3 lm W−1 i 168,4 cd A−1, respektivno, dok su te vrijednosti bile 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 TiO2/grafen/GraHIL potvrđuje sinergijsku ulogu i TiO2 i GraHIL slojeva, i u skladu je sa rezultatima simulacije. Sa sočivom u obliku polulopte optički spojenim sa stražnjom stranom podloge, uređaj TiO2/grafen/GraHIL pokazuje EQE, efikasnost napajanja i efikasnost struje od čak 64,7%, 250,4 lm W−1 i 257,0 cd A−1, respektivno, dodatno ilustrujući obećavajući potencijal predloženih OLED-ova zasnovanih na grafenu. Zatim smo dalje proširili predloženu šemu na tandem, višestruki OLED, u kojem se neto EQE poboljšava (na uštrb napona) jer se na kraju daje kao zbir EQE pojedinačnih OLED-ova ; ovaj pristup je popularan jer poboljšani EQE generalno dovodi do dužeg 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 napajanja od čak 62,1% i 120,8 lm W−1 (103,2% i 183,5 lm W−1 sa sočivom u obliku polulopte), demonstrirajući performanse na najvišem nivou i svestranu primjenjivost predložene arhitekture elektroda. Simulacija ukazuje da posmatrana vrijednost odgovara zbiru EQE vrijednosti ekvivalentnih šupljina drugog reda (jedna sa zonom emisije blizu drugog antinoda od katode; i druga sa zonom emisije blizu prvog antinoda od katode) sa faktorom električne ravnoteže od 0,89 N slici 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 otključavaju ultra-efikasne fleksibilne displeje koristeći grafen i titanijum dioksid

About Author

KOMENTARI

HANG TAGS

OVAJ ČLANAK JE PREDSTAVLJEN U

Related Stories

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps