
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Autoři: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Abstrakt Organické světlo emitující diody (OLED) založené na grafenu se v poslední době objevily jako klíčový prvek nezbytný pro displeje a osvětlení příští generace, hlavně díky svému příslibu vysoce flexibilních světelných zdrojů. Jejich účinnost však byla v nejlepším případě podobná účinnosti konvenčních protějšků na bázi oxidu india a cínu. Zde navrhujeme ideální strukturu elektrody založenou na synergickém souhře vrstev TiO₂ s vysokým indexem lomu a vrstev pro injekci děr s nízkým indexem lomu, které obklopují grafenové elektrody, což vede k ideální situaci, kdy je zesílení rezonancí dutiny maximalizováno a ztráty na povrchovém plazmonovém polaritonu jsou zmírněny. Navržený přístup vede k OLED s ultra vysokou vnější kvantovou účinností 40,8 a 62,1 % (64,7 a 103 % s čočkou s polokulí) pro jedno- a více-přechodové zařízení, resp. OLED vyrobené na plastech s těmito elektrodami jsou opakovaně ohýbatelné s poloměrem 2,3 mm, částečně díky vrstvám TiO₂, které odolávají ohybovému namáhání až 4 % prostřednictvím zpevnění deflektorem trhlin. Úvod Výhody formátu, jako je flexibilita a roztažnost, přinesly organickým světlo emitujícím diodám (OLED) velkou pozornost pro použití v nově vznikajících zařízeních, jako jsou nositelné, rolovací nebo skládací displeje, které vyžadují mobilitu, deformovatelnost a/nebo roztažnost , . Plné uskutečnění takového potenciálu však není triviální a vyžaduje značné úsilí v různých aspektech, jako je vývoj nízko-teplotních technologií tenkovrstvých tranzistorů a/nebo flexibilního zapouzdření . Dalším důležitým aspektem pro vysoce flexibilní displeje je nalezení transparentních elektrod (TE), které mohou nahradit elektrody z oxidu india a cínu (ITO), které se obvykle vyznačují omezenou flexibilitou a potenciálními problémy s náklady spojenými s vysokou poptávkou a/nebo nestabilní dodávkou . V tomto ohledu bylo pro OLED navrženo několik druhů flexibilních transparentních elektrod, jako jsou kovové nanodrátky, materiály na bázi uhlíku (například uhlíkové nanotrubičky nebo grafen) a kovové mřížky spojené s jinými typy TE , , , , , . Mezi nimi je grafen – atomárně tenká vrstva uhlíkových atomů hybridizovaných sp² – považován za slibný, protože se očekává, že jedinečná kombinace jeho inherentní tenkosti a vynikajících elektrických vlastností umožní ideální transparentní elektrody, které mají nízkou nebo žádnou optickou mlhavost, hladký povrchový topologii zabraňující elektrickým zkratům a degradaci způsobené drsností, vysokou propustnost, nízký plošný odpor a vysoký stupeň flexibility současně , . Snadná příprava vysoce kvalitního grafenu na velkých plastových substrátech byla nedávno demonstrována pro transparentní elektrody s metodami kompatibilními s hromadnou výrobou ze strany průmyslových odvětví, což dokazuje jejich praktickou životaschopnost , . Bylo ukázáno, že jednovrstvý grafen (SLG) i vícevrstvý grafen (MLG) mají výkon dostatečný pro TE v OLED , . Zejména efektivní OLED na bázi grafenu bylo dosaženo s pomocí vrstev pro injekci děr (HIL), které se používají k překonání jejich relativně nízké práce funkce, která je známa jako kolem 4,5 eV. Tyto injekční vrstvy zahrnují vodivé polymery s gradientními elektronickými vlastnostmi nazývané samouspořádaná gradientní HIL (GraHIL) , a tenké MoO₃ vyrovnávací vrstvy spojené s vodivými polymery poly(3,4-ethylendioxythiofen):polystyrensulfonát (PEDOT:PSS) . Nicméně energetická účinnost a vnější kvantová účinnost (EQE) těchto nejmodernějších grafenových OLED byly stále na úrovni ITO OLED, pokud nebyla použita objemná polokulová čočka pro zesílení odvodu světla . Zajištění co nejvyšší účinnosti je zvláště důležité pro flexibilní displeje používané v vysoce přenosných nebo nositelných aplikacích, protože se často musí spoléhat na baterie s poměrně omezenou kapacitou energie kvůli omezením velikosti, hmotnosti nebo formátu. To vyžaduje vývoj architektoniky zařízení, která maximalizuje účinnost grafenových OLED. Klíčovou výzvou je vyvinout strukturu nebo metodiku, která odemkne jejich plný optický potenciál a zároveň co nejvíce zachová výhody grafenu z hlediska formátu. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 K tomuto cíli zkoumáme jednoduchou architektoniku elektrod založenou na vrstvách TiO₂ s vysokým indexem lomu a HIL s nízkým indexem lomu, které obklopují grafenové elektrody. Díky optickému designu, který plně využívá synergické spolupráce mezi vrstvami s vysokým a nízkým indexem lomu, které řídí zesílení rezonance dutiny i ztráty na povrchovém plazmonovém polaritonu (SPP), navrhované OLED na bázi grafenu vykazují ultra vysokou EQE, která je v těch, které používají grafen jako transparentní elektrodu, bezprecedentní. Kromě toho je odhalena neobvykle vysoká odolnost TiO₂ vůči ohybovému namáhání, která umožňuje plastové OLED, které jsou nejen efektivní, ale také vysoce flexibilní. Výsledky Optický návrh vysoce účinných OLED na bázi grafenu Účinnost OLED je nakonec omezena konečnou účinností odvodu světla, která je typicky nejvýše kolem 20 % u zařízení s izotropními emitery. Mezi různými schématy zesílení odvodu světla navrženými dosud , metoda založená na rezonanci mikrodutin má výhody v tom, že zachovává planární geometrii bez použití jakékoli mikro/nano struktury nebo čočkové struktury, takže OLED z ní vyrobené nepodléhají elektrickým zkratům a optickým artefaktům nevhodným pro aplikace displejů (např. rozmazání, difrakce a podobně), ale mohou vykazovat vysoce čisté, nasycené červené (R), zelené (G), modré (B) primární barvy se zesílenou účinností , . S mírným, ale stále významným mikro-dutinovým efektem mohou být i ITO OLED optimalizovány pro maximální účinnost, aniž by docházelo k optické mlze nebo rozmazání, pouhým úpravou tloušťky ITO vrstev; v tomto schématu je první řád, 3 /4 návrh dutiny, kde   odkazuje na vlnovou délku, dosažen s otevřeným koncem režimu dutiny umístěným na rozhraní ITO/substrát , . V případě ITO-free, grafenových OLED nemohou být grafenové elektrody vyrobeny dostatečně silné pro řízení délky dutiny, což ztěžuje zesílení účinnosti rezonančním efektem . 15 16 17 λ λ 18 19 20 Jako alternativní opatření lze pod grafenové vrstvy umístit tenkou vrstvu s vysokým indexem lomu ( H) jak je znázorněno na , podobně jako u tenkých kovových elektrod pokrytých dielektrikem , , , . Protože světlo může procházet grafenem s malým fázovým rozdílem kvůli inherentní tenkosti grafenové elektrody, lze 3 /4 návrh dutiny snadno dosáhnout, například s optickou tloušťkou organických plus injekčních vrstev a vrstvy s vysokým indexem lomu nastavenou na přibližně 2 /4 a  /4, resp. ( ). Zejména „ /4-tlustá“ vrstva s vysokým indexem lomu funguje také jako bezkovové, dielektrické zrcadlo, které umožňuje významnou odrazivost ze spodní sestavy elektrod ( bot) pro světlo dopadající z organických vrstev, jak lze potvrdit v grafech zobrazených ve spodní části . To poskytuje OLED na bázi grafenu příležitosti ke zvýšení jejich účinnosti prostřednictvím rezonančního efektu, což by jinak nebylo možné. Ukazuje se, že  bot a související zesílení rezonance se zvyšují s  H ( ). Vysoký index lomu je také prospěšný z hlediska flexibility, protože cílové optické tloušťky ( H H) lze dosáhnout s nízkou fyzickou tloušťkou  H, a protože ohybem indukované praskliny daného filmu obecně vznikají při nižším počátečním namáhání s větší fyzickou tloušťkou . Úspěšná vrstva s vysokým indexem lomu v tomto schématu by tedy měla mít co největší  H. Kromě toho by měla být transparentní a především by neměla být poškozena daným procesem přenosu grafenu. Mezi různými kandidáty je vrstva TiO₂ napařená naprašováním v viditelném spektrálním rozsahu transparentní a má relativně vysoký index lomu ( =2,5). Na rozdíl od jiných vrstev s vysokým indexem lomu, které jsme vyzkoušeli, se vrstva TiO₂ ukázala jako chemicky odolná proti procesům přenosu grafenu používajícím rozpouštědlo, jako je aceton nebo isopropanol (IPA), což umožňuje vytvoření vysoce kvalitní grafenové elektrody na jejím vrcholu ( ). n obr. 1a 17 20 21 22 λ λ λ obr. 1b λ R obr. 1c,d R n doplňkový obrázek 1 n d d 23 n n doplňkový obrázek 2   ( ) Schematická struktura navrhovaných OLED. ( ) Rozložení intenzity elektromagnetického pole (přerušované čáry) OLED pod studiem pro jejich odpovídající návrh dutiny prvního řádu. Pro srovnání je také zobrazeno rozložení intenzity pole grafenové OLED bez TiO₂ pro případ, kdy jsou hodnoty tloušťky organických vrstev stejné jako u OLED s TiO₂ ale bez HIL s nízkým indexem lomu. ( , ) Vypočítaná maximální vnější kvantová účinnost ( EQE) OLED na bázi grafenu s podložkou TiO₂ jako funkce tloušťky TiO₂ a organické vrstvy (resp.  TiO₂ a  org). Přerušované čáry představují konturové čáry pro  EQE 10, 20, 30 nebo 40 %, jak je uvedeno v grafu. ( ) Bez HIL s nízkým indexem lomu; ( ) s GraHIL jako HIL s nízkým indexem lomu. Ve spodní části každého případu je zobrazen odraz ( bot) ze sestavy spodní elektrody (TiO₂/grafen/(HIL)) jako celku v závislosti na  TiO₂ pro světlo dopadající z organických vrstev. a b c d η d d η c d R d Je pozoruhodné, že struktura mikrodutiny vyššího řádu (například druhého řádu, 5 /4 dutina) založená na silném organickém zásobníku může být také možná. V této práci byl však nejprve zvolen návrh dutiny prvního řádu, protože poskytuje silnější Purcellův efekt a méně vlnovodných módů než návrh vyššího řádu, což v konečném důsledku vede k větší účinnosti odvodu světla a EQE , . Pro návrh dutiny prvního řádu stále přetrvávají výzvy, protože ideální umístění emisní zóny je omezeno na první antinodu od rozhraní organická hmota/kov, což ztěžuje snížení SPP módů delší vzdáleností emitera od kovu , . Alternativní metoda obvykle používaná pro snížení SPP zahrnuje začlenění vnitřních vlnitých struktur nebo zvlnění , ale tolerance k elektrickým zkratům může být takovými přístupy často kompromitována. Metoda, kterou zde používáme, spočívá v začlenění vrstvy s nízkým indexem lomu, u které bylo prokázáno, že efektivně snižuje SPP módy , . Naštěstí GraHIL nebo samouspořádaná gradientní vrstva pro injekci děr složená z PEDOT:PSS a kopolymeru tetrafluorethylen-perfluor-3,6-dioxa-4-methyl-7-oktensulfonové kyseliny (PFI), která byla dříve navržena autory a ukázala se jako velmi účinná při zlepšování injekce děr v OLED na bázi grafenu , má index lomu kolem 1,42 při   550 nm ( ), což je mnohem nižší než u typických organických vrstev ( =1,8). Se synergickou souhrou vrstev s vysokým a nízkým indexem lomu obklopujících grafenové vrstvy lze tak současně dosáhnout zesílení rezonančního efektu dutiny a snížení SPP módů, takže EQE lze významně zvýšit i bez struktur pro odvod světla. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ doplňkový obrázek 3 n  představuje výsledky optických simulací založených na pokročilé klasické elektromagnetické teorii shrnuté Furno  .  napříč viditelným spektrem a při   550 nm. Formalismus zohledňuje Purcellův faktor, efekt orientace dipólu a excitace na SPP a vlnovodné módy. Komplexní zahrnutí všech těchto faktorů se ukazuje jako kritické pro přesnou analýzu a kvantitativní návrh, protože podcenění nebo nadcenění může nastat při použití zjednodušeného přístupu, který nebere v úvahu jeden nebo více z těchto efektů (viz  ;   a   pro příklady). Výsledky naznačují, že použití GraHIL přerozděluje relativní obsah výkonu mezi různé módy směrem k menším vlnovým vektorům v rovině, takže výkon přenesený do SPP módů je snížen a odvedené části jsou dále zesíleny ( ). Z   je také patrné, že použití vrstvy TiO₂ pod grafenem efektivně potlačuje množství výkonu přeneseného do vlnovodných a substrátových módů prostřednictvím zesílení rezonance. To vede k významnému zvýšení účinnosti odvodu světla, ačkoli ztráty na evanescentní módy se také zvyšují v důsledku posunu transverzálně-elektrických vlnovodných módů směrem k vyšším normalizovaným vlnovým vektorům v rovině ( ). Kombinované použití vrstev s vysokým indexem (H) TiO₂ a nízkým indexem (L) GraHIL vede k ideální situaci, kdy je zesílení rezonance velké, přičemž ztráty na SPP/evanescentní módy jsou zmírněny. Kromě toho kombinované použití vytváří situaci podobnou HL-zásobníkům, které se běžně používají pro vícevrstvé potahování tenkých filmů , a dále zesiluje  bot ( ), což umožňuje dodatečné zesílení efektu Fabryho–Perotovy rezonance. Co dělá navrhovanou technologii jedinečnou a pokročilou ve srovnání s konvenčními technologiemi, je právě synergická spolupráce těchto vrstev s vysokým a nízkým indexem lomu, které umožňují optické řízení jak rezonančního efektu, tak SPP ztrát ve prospěch maximálního odvodu světla; a dodatečné zesílení rezonance prostřednictvím HL skládání. Spolu s jejich přirozenou kompatibilitou s požadovanými elektrickými vlastnostmi (např. efektivní injekce děr) všechny tyto optické výhody umožňují plně odemknout i skrytý potenciál toho, co planární OLED skutečně mohou nabídnout. Konturové grafy získané pro opticky dostupnou maximální EQE ( EQE (max)) jako funkci organické ( org) a tloušťky TiO₂ ( TiO₂) prezentované na  ukazují, že  EQE (max) může být až 44 % u zařízení s vrstvami GraHIL a TiO₂ zatímco by byla omezena na 38 % bez GraHIL nebo na 31 % bez TiO₂. Optimální podmínky odpovídají situaci, kdy  H (kde H je TiO₂) se blíží  /(4 H) (55 nm pro  =550 nm). Lze také poznamenat, že  EQE (max) 44 % je vyšší než u optimalizovaných konvenčních OLED na bázi tenkého kovu se stejným emiterem. To lze připsat skutečnosti, že navrhovaná architektura je méně náchylná ke ztrátám způsobeným absorpcí fotonů a/nebo excitací SPP módů v polotransparentních elektrodách (viz   a   pro srovnání s těmi u konvenčních OLED na bázi tenkého kovu). Obrázek 2a,b et al 19 λ doplňkový obrázek 4 doplňková tabulka 1 doplňková poznámka 1 doplňkový obrázek 5a doplňkové tabulky 2 doplňkový obrázek 5b 30 R obr. 1d η d d obr. 1c,d η d λ n λ η doplňkový obrázek 6 doplňková tabulka 3   ( , ) Vypočtená spektra rozptylu výkonu vážená spektrem emiteru v libovolných jednotkách (mapovaná jako barva definovaná v barevných lištách.) oproti vlnovému vektoru v rovině: ( ) s TiO₂ ale bez GraHIL; ( ) s TiO₂ i GraHIL. Černé přerušované čáry označují hraniční čáry rozdělující reprezentativní optické módy včetně odvedených, substrátově vázaných (subs), vlnovodných (wg) a evanescentních módů. ( ) Vypočtený rozptyl výkonu oproti normalizovanému vlnovému vektoru v rovině při  =550 nm pro různé studované struktury elektrod. U zařízení s TiO₂ byla  TiO₂ nastavena na 55 nm a  org byla zvolena pro optimální podmínky v každém případě. U zařízení bez TiO₂ byla  org nastavena na stejnou hodnotu jako u odpovídajících zařízení s TiO₂. a b a b c λ d d d Výkonnost zařízení vyrobených OLED na bázi grafenu Inspirováni výše uvedenými výsledky simulací jsme vyrobili zelené OLED založené na fosforescenčních emiterech bis(2-(2-pyridinyl- )fenyl-C)(acetylacetonato) iridium (III) (Ir(ppy)₂acac) v konfiguraci sklo/anoda/(HIL)/OS1/LiF/Al s různými strukturami anody/(HIL) TiO₂/grafen/GraHIL; grafen/GraHIL; a ITO (185 nm)/GraHIL, kde OS1 odkazuje na organický vícevrstvý zásobník definovaný v metodách. Experimentální výsledky prezentované na  ukazují, že maximální EQE, energetická účinnost a proudová účinnost získané pro zařízení na bázi TiO₂/grafen/GraHIL jsou až 40,8 %, 160,3 lm W⁻¹ a 168,4 cd A⁻¹, resp., zatímco tyto hodnoty jsou omezeny na 31,7 %, 112,6 lm W⁻¹ a 119,0 cd A⁻¹ pro zařízení na bázi grafenu/GraHIL a 27,4 %, 104,3 lm W⁻¹ a 106,2 cd A⁻¹ pro zařízení ITO/GraHIL. Pozorovaná vysoká EQE u zařízení na bázi TiO₂/grafen/GraHIL potvrzuje synergickou roli vrstev TiO₂ i GraHIL a je v souladu s výsledky simulací. S polokulovou čočkou opticky spojenou se zadní stranou substrátu vykazuje zařízení na bázi TiO₂/grafen/GraHIL EQE, energetickou účinnost a proudovou účinnost až 64,7 %, 250,4 lm W⁻¹ a 257,0 cd A⁻¹, resp., což dále ilustruje slibný potenciál navrhovaných OLED na bázi grafenu. Poté jsme navrhované schéma dále rozšířili na tandemový, více-přechodový OLED, ve kterém je celková EQE zlepšena (na úkor napětí), protože je nakonec dána součtem EQE jednotlivých OLED ; tento přístup je populární, protože zlepšená EQE obecně vede k delší životnosti provozu . Více-přechodové OLED na bázi TiO₂/grafen/GraHIL obsahující vrstvu pro generování náboje (CGL) 2, 9-dimethyl-4, 7-diphenyl-1, 10-fenanthrolinu (BCP):Li/MoO₃ vykazují EQE a energetickou účinnost až 62,1 % a 120,8 lm W⁻¹ (103,2 % a 183,5 lm W⁻¹ s polokulovou čočkou), což dokazuje špičkový výkon a univerzální použitelnost navrhované struktury elektrody. Simulace naznačuje, že pozorovaná hodnota odpovídá součtu hodnot EQE ekvivalentních struktur s dutinou druhého řádu (jedna s emisní zónou blízko druhé antinody od katody; a druhá s emisní zónou blízko první antinody od katody) s faktorem elektrické rovnováhy 0,89 (viz  ,   a   pro podrobnou strukturu více-přechodových OLED N obr. 3 31 32 doplňkový obrázek 7 doplňková tabulka 4 doplňková poznámka 2

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

Tento zvuk je produkován v původním jazyce příběhu!

Vědci odemykají ultra-efektivní flexibilní obrazovky pomocí grafenu a oxidu titaničitého

About Author

KOMENTÁŘE

ZAVĚŠIT ZNAČKY

TENTO ČLÁNEK BYL PŘEDSTAVEN V

Related Stories

Coinshift Launches csUSDL, Announces Strategic Partnerships

Coinshift Launches csUSDL, Announces Strategic Partnerships

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps