
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 displejima i rasvjeti sljedeće generacije, uglavnom zbog svog potencijala za vrlo fleksibilne izvore svjetlosti. Međutim, njihova efikasnost je u najboljem slučaju bila slična efikasnosti konvencionalnih, ekvivalenata baziranih na indijum-kalaj oksidima. Mi ovdje predlažemo idealnu strukturu elektroda zasnovanu na sinergijskom među-djelovanju TiO2 slojeva visokog indeksa i slojeva za ubrizgavanje rupa niskog indeksa koji sendvičuju grafenske elektrode, što rezultira idealnom situacijom gdje je pojačanje rezonancijom šupljine maksimizirano, a gubitak na površinskom plazmonskom poliritonu ublažen. Predloženi pristup dovodi do OLED uređaja koji pokazuju ultravisoku vanjsku kvantnu efikasnost od 40,8 i 62,1% (64,7 i 103% sa poluloptastim sočivom) za uređaje sa jednim i više spojeva, respektivno. OLED uređaji napravljeni na plastici sa tim elektrodama mogu se više puta savijati sa radijusom od 2,3 mm, dijelom zbog TiO2 slojeva koji izdržavaju savojnu deformaciju do 4% putem otklanjanja pukotina radi žilavosti. 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 displeja koji zahtijevaju mobilnost, deformabilnost i/ili proširivost , . Puno ostvarenje takvog potencijala, međutim, nije jednostavno i zahtijeva značajan napor u različitim aspektima kao što je razvoj tehnologija tankoslojnih tranzistora niske temperature i/ili fleksibilne enkapsulacije . Drugi važan aspekt koji treba razmotriti za vrlo fleksibilne displeje je pronalaženje transparentnih elektroda (TE) koje mogu zamijeniti elektrode od indijum-kalaj oksida (ITO), koje se tipično bore sa ograničenom fleksibilnošću i potencijalnim problemima troškova povezanim sa velikom potražnjom i/ili nestabilnim snabdijevanjem . U tom pogledu, nekoliko vrsta fleksibilnih transparentnih elektroda kao što su metalne nanožice, materijali na bazi ugljenika (na primjer, karbonske nanocevčice ili grafen) i metalne mreže u kombinaciji s drugim vrstama TE predloženi su za OLED uređaje , , , , , . Među njima, grafen—atomski tanki sloj sp2-hibridizovanih ugljeničnih atoma—smatran je 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 električni kratki spoj i degradaciju uzrokovanu hrapavošću, visoku propusnost, nizak površinski otpor i visok stepen fleksibilnosti istovremeno , . Laka priprema visokokvalitetnog grafena na plastičnim podlogama velikih razmjera nedavno je demonstrirana za transparentne elektrode sa metodama kompatibilnim sa masovnom proizvodnjom od strane industrijskih sektora, demonstrirajući njihovu praktičnu održivost , . Pokazalo se da i jednoslojni grafen (SLG) i višeslojni grafen (MLG) imaju performanse adekvatne za TE u OLED uređajima , . Konkretno, efikasni OLED uređaji bazirani na grafenu postignuti su uz pomoć slojeva za ubrizgavanje rupa (HIL) koji se koriste za prevazilaženje njihove relativno niske radne funkcije, za koju je poznato da iznosi oko 4,5 eV. Takvi injekcioni slojevi uključuju provodne polimere sa gradijentnim elektronskim svojstvima pod nazivom samorganizujući gradijentni HIL (GraHIL) , i tanke MoO3 bafer slojeve u kombinaciji sa provodnim polimerima poli(3,4-etilenadioksitiofen): polistiren sulfonata (PEDOT:PSS) . Ipak, efikasnost snage i vanjska kvantna efikasnost (EQE) ovih najsavremenijih OLED uređaja baziranih na grafenu još uvijek su bili na nivou ITO-baziranih OLED uređaja, osim ako nije korišteno glomazno poluloptasto sočivo za poboljšanje izlaznog svjetla . Osiguranje 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 energetskim kapacitetom zbog ograničenja u veličini, težini ili obliku. Ovo zahtijeva razvoj arhitekture uređaja koja može maksimizirati efikasnost OLED uređaja baziranih na grafenu. Ključni izazov je razvoj strukture ili metodologije za otključavanje njihov punog optičkog potencijala, a da se istovremeno zadrže prednosti grafena u pogledu oblika 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 slojevima niskog indeksa koji sendvičuju grafenske elektrode. Sa optičkim dizajnom koji u potpunosti koristi sinergijsku saradnju između slojeva visokog i niskog indeksa koji kontrolišu i pojačanje rezonancijom šupljine i gubitak na površinskom plazmonskom poliritonu (SPP), predloženi OLED uređaji bazirani na grafenu pokazuju ultravisoku EQE koja je bez presedana kod onih koji koriste grafen kao transparentnu elektrodu. Nadalje, otkrivena je neuobičajeno visoka otpornost TiO2 na savojnu deformaciju, što omogućava plastične OLED uređaje koji nisu samo efikasni, već i vrlo fleksibilni. Rezultati Optički dizajn visoko efikasnih OLED uređaja baziranih na grafenu Efikasnost OLED uređaja je konačno ograničena konačnom efikasnošću izlaznog svjetla koja je tipično oko 20% u najboljem slučaju za uređaje sa izotropnim emiterima. Među raznim šemama za pojačanje izlaznog svjetla predloženim do sada , metoda zasnovana na rezonanciji mikrošupljine ima prednosti jer održava planarnu geometriju bez upotrebe mikro/nano struktura ili sočivnih struktura, tako da OLED uređaji napravljeni na taj način nisu podložni električnim kratkim spojevima i optičkim artefaktima nepovoljnim za primjenu u displejima (na primjer, zamućenje, difrakcija i tako dalje), a ipak mogu pokazati vrlo čiste, zasićene crvene (R), zelene (G), plave (B) primarne boje sa pojačanom efikasnošću , . Sa slabim, ali još uvijek značajnim efektom mikrošupljine, ITO-bazirani OLED uređaji također se mogu optimizovati za maksimalnu efikasnost, bez izazivanja optičke zamućenosti ili zamućenja, jednostavnim podešavanjem debljine ITO slojeva; u ovoj šemi, dizajn šupljine prvog reda, 3 /4, gdje   označava talasnu dužinu, postiže se sa otvorenim krajem moda šupljine postavljenim na spoju ITO/podloga , . U slučaju OLED uređaja bez ITO, baziranih na grafenu, međutim, grafenske elektrode se ne mogu napraviti dovoljno debele da kontrolišu dužinu šupljine, što otežava povećanje 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   na način sličan metalnim elektrodama prekrivenim dielektrikom , , , . Budući da svjetlost može proći kroz grafen sa malom faznom razlikom zbog inherentne tankosti grafenske elektrode, 3 /4 dizajn šupljine se može lako postići, na primjer, sa optičkom debljinom organskih plus injekcionih slojeva i sloja visokog indeksa prelamanja postavljenim na približno 2 /4 i  /4, respektivno (slika  ). Konkretno, ‘ /4-debljine’ sloj visokog indeksa prelamanja također funkcionira kao dielektrično ogledalo bez metala koje omogućava značajnu refleksiju od sklopa donje elektrode ( bot) za svjetlost koja pada iz organskih slojeva, kao što se može potvrditi na grafikonima prikazanim na dnu  . Ovo pruža OLED uređajima baziranim na grafenu mogućnosti da poboljšaju svoju efikasnost putem rezonantnog efekta, što inače ne bi bilo moguće. Prikazano je da  bot i prateće pojačanje rezonancije rastu sa  H (dopunska slika  ). Visok indeks prelamanja je također koristan u smislu fleksibilnosti jer se željena optička debljina ( H H) može postići malom fizičkom debljinom  H, i jer savijanje uzrokuje pukotinu datog filma generalno formira na nižoj početnoj deformaciji sa većom fizičkom debljinom . Uspješan sloj visokog indeksa prelamanja u ovoj šemi stoga bi trebao imati što veći  H. Nadalje, trebao bi biti transparentan, a prije svega, ne bi trebao 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 izdržljivost otpornu na procese prijenosa grafena koji koriste rastvarač, kao što su aceton ili izopropil alkohol (IPA), omogućavajući formiranje visokokvalitetne grafenske elektrode na njegovom vrhu (dopunska slika  ). n slici 1a 17 20 21 22 λ λ λ 1b λ R slika 1c,d R n 1 n d d 23 n n 2   ( ) Šematski prikaz strukture uređaja predloženih OLED uređaja. ( ) Raspodjela intenziteta elektromagnetnog polja (isprekidane linije) OLED uređaja pod studijom za njihov odgovarajući dizajn šupljine prvog reda. Također je prikazan raspored intenziteta polja za OLED uređaj baziran na grafenu bez TiO2 kao poređenje za slučaj kada su vrijednosti debljine organskih slojeva iste kao kod OLED uređaja sa TiO2 ali bez HIL sloja niskog indeksa. ( , ) Izračunata maksimalna vanjska kvantna efikasnost ( EQE) OLED uređaja baziranih na grafenu sa TiO2 pod-slojom kao funkcija debljine TiO2 i organskog sloja ( TiO2 i  org, redom). Isprekidane linije predstavljaju konturne linije za  EQE od 10, 20, 30 ili 40% kao što je naznačeno na grafikonu. ( ) Bez HIL sloja niskog indeksa; ( ) sa GraHIL kao HIL slojem niskog indeksa. Na dnu svakog slučaja, refleksija ( bot) od sklopa donje elektrode (TiO2/graphene/(HIL)) kao cjeline predstavljena je kao funkcija  TiO2 za svjetlost koja pada iz organskih slojeva. a b c d η d d η c d R d Zanimljivo je da je moguća i struktura mikrošupljine višeg reda (na primjer, drugog reda, 5 /4) zasnovana na debelom organskom paketu. 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 antinodus od spoja organsko/metal, što otežava smanjenje SPP modova zbog većeg rastojanja emiter-metal , . Alternativna metoda koja se obično koristi za redukciju SPP je uključivanje unutrašnjih valovitih struktura ili nabora , ali tolerancija na električne kratke spojeve se često može ugroziti takvim pristupima. Metoda koju mi usvajamo je uključivanje sloja sa niskim indeksom prelamanja, za koji je pokazano da efikasno smanjuje SPP modove , . Srećom, GraHIL ili samorganizujući gradijentni sloj za ubrizgavanje rupa sastavljen od PEDOT:PSS i kopolimera tetrafluoroetilena-perfluoro-3, 6-dioksa-4-metil-7-oktensulfonske kiseline (PFI), koji su autori prethodno predložili i pokazali da je vrlo efikasan u poboljšanju ubrizgavanja rupa u OLED uređajima baziranim na grafenu , ima indeks prelamanja oko 1,42 pri   od 550 nm (dopunska slika  ), što je mnogo niže od indeksa prelamanja tipičnih organskih slojeva ( =1,8). Sa sinergijskim među-djelovanjem slojeva visokog i niskog indeksa prelamanja koji sendvičuju grafenske slojeve, pojačanje efekta rezonancije šupljine i smanjenje SPP modova se stoga može učiniti 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 3 n  predstavlja rezultate optičkih simulacija zasnovane na naprednoj klasičnoj elektromagnetnoj teoriji sažetoj od strane Furno  .  preko cijelog vidljivog spektra i pri   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 kao ključno za preciznu analizu i kvantitativni dizajn, jer se pod- ili nad-procjena 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 redistribuira relativne sadržaje snage među različitim modovima prema manjim ravninskim talasnim vektorima, tako da se snaga povezana sa SPP modovima smanjuje i izlazni dijelovi dodatno povećavaju (dopunska slika  ). Također se može vidjeti u   da upotreba TiO2 sloja ispod grafena efikasno potiskuje količinu snage koja se prenosi na talasovodne i podložne modove putem pojačanja rezonancije. Ovo dovodi do značajnog povećanja efikasnosti izlaznog svjetla, iako se gubitak na evanescentne modove također povećava zbog pomjeranja poprečno-električnih talasovodnih modova prema višim normalizovanim ravninskim talasnim vektorima (dopunska slika  ). Kombinovana upotreba slojeva visokog (H) TiO2 i niskog (L) GraHIL indeksa prelamanja, rezultira idealnom situacijom gdje je pojačanje rezonancije veliko, ali je gubitak na SPP/evanescentne modove ublažen. Dodatno, kombinovana upotreba stvara situaciju sličnu HL-paketima, koji se obično koriste za višeslojne tankoslojne premaze , i čak dodatno poboljšava  bot (slika  ), omogućavajući dodatno pojačanje u Fabry–Perot rezonantnom efektu. Ono što čini predloženu tehnologiju 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 pakovanja. Zajedno sa svojom urođenom 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 uređaji mogu istinski ponuditi. Konturne mape dobijene za optički dostupni maksimalni EQE ( EQE (max)) kao funkciju debljine organskog ( org) i TiO2 ( TiO2) sloja predstavljene na   pokazuju da  EQE (max) može biti čak 44% kod uređaja sa oba GraHIL i TiO2 sloja, dok bi bez GraHIL bio ograničen na 38% ili bez TiO2 na 31%. Optimalni uslovi odgovaraju situaciji gdje  H (gdje je H TiO2) postaje blizu  /(4 H) (55 nm za  =550 nm). Također se može primijetiti da je  EQE (max) od 44% veći od onih očekivanih za optimizovane, konvencionalne tankometalne šupljinske OLED uređaje 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 tankometalnih šupljinskih OLED uređaja). Slika 2a,b et al 19 λ dopunsku sliku 4 dopunsku tabelu 1 dopunsku napomenu 1 5a dopunskoj tabeli 2 5b 30 R 1d η d d slikama 1c,d η d λ n λ η dopunsku sliku 6 dopunsku tabelu 3   ( , ) Izračunate spektra disipacije snage ponderisane spektrom emitera u proizvoljnim jedinicama (mapirano kao boja definisana u bojnim trakama) naspram ravninskog talasnog vektora: ( ) sa TiO2 ali bez GraHIL; ( ) sa oba TiO2 i GraHIL. Crne isprekidane linije označavaju granične linije koje dijele reprezentativne optičke modove uključujući izvučene, podložno-konfinirane (subs), talasovodne (wg) i evanescentne modove. ( ) Izračunata disipacija snage naspram normalizovanog ravninskog talasnog vektora pri  =550 nm za različite strukture elektroda pod studijom. Za uređaje sa TiO2,  TiO2 je bio fiksiran na 55 nm i  org je izabran za optimalne uslove u svakom slučaju. Za uređaje bez TiO2,  org je postavljen na istu vrijednost kao i kod odgovarajućeg uređaja u uređajima sa TiO2. a b a b c λ d d d Performanse izrađenih OLED uređaja baziranih na grafenu Inspirisani gore navedenim rezultatima simulacije, izradili smo zelene OLED uređaje bazirane 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 anodnim/(HIL) strukturama od TiO2/graphene/GraHIL; graphene/GraHIL; i ITO (185 nm)/GraHIL, gdje OS1 označava organski višeslojni paket definisan u Metodama. Eksperimentalni rezultati predstavljeni na   pokazuju da su maksimalni EQE, efikasnost snage i strujna efikasnost dobijeni za uređaj baziran na TiO2/graphene/GraHIL iznosili čak 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 baziran na graphene/GraHIL, i 27,4%, 104,3 lm W−1 i 106,2 cd A−1 za uređaj baziran na ITO/GraHIL. Uočeni visoki EQE kod uređaja baziranog na TiO2/graphene/GraHIL potvrđuje sinergijsku ulogu i TiO2 i GraHIL slojeva, i konzistentan je sa rezultatima simulacije. Sa poluloptastim sočivom optički spojenim sa stražnje strane podloge, uređaj baziran na TiO2/graphene/GraHIL pokazuje EQE, efikasnost snage i strujnu efikasnost od čak 64,7%, 250,4 lm W−1 i 257,0 cd A−1, redom, dodatno ilustrirajući obećavajući potencijal predloženih OLED uređaja baziranih na grafenu. Zatim smo proširili predloženu šemu na tandem, višeslojni OLED, u kojem se neto EQE poboljšava (na uštrb napona) jer se na kraju daje kao zbir pojedinačnih OLED uređaja ; ovaj pristup je popularan jer poboljšani EQE generalno dovodi do dužeg vijeka rada . Višeslojni OLED uređaji bazirani na TiO2/graphene/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 od čak 62,1% i 120,8 lm W−1 (103,2% i 183,5 lm W−1 sa 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 otkrili ultraefikasne 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