
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Tekijät: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Tiivistelmä Grafeenipohjaiset orgaaniset valodiodit (OLED) ovat viime aikoina nousseet keskeiseksi elementiksi seuraavan sukupolven näytöissä ja valaistuksessa, pääasiassa lupaustensa vuoksi erittäin joustavissa valonlähteissä. Niiden tehokkuus on kuitenkin ollut parhaimmillaankin vain samankaltainen kuin perinteisten, indiumtinoksidiin perustuvien vastineiden. Esitämme tässä ideaalisen elektrodin rakenteen, joka perustuu korkean taitekertoimen TiO2-kerrosten ja matalan taitekertoimen reiäninjektiokerrosten synergistiseen vuorovaikutukseen, jotka ympäröivät grafeenielektrodeja, mikä johtaa ideaalitilanteeseen, jossa kaviteettiresonanssin aiheuttama vahvistus maksimoituu, mutta plasmonipolaritonien pintahäviö lieventyy. Ehdotettu lähestymistapa johtaa OLED-laitteisiin, joilla on erittäin suuri ulkoinen kvanttitehokkuus (EQE) 40,8 ja 62,1 % (64,7 ja 103 % puolipallolinssillä) yksi- ja moniliitoslaitteille. Muoveille valmistetut OLED-laitteet näillä elektrodeilla ovat toistuvasti taivutettavissa 2,3 mm:n säteellä osittain TiO2-kerrosten ansiosta, jotka kestävät jopa 4 %:n taivutusjännityksen halkeilun torjumismekanismin avulla. Johdanto Muotokertoimen edut, kuten joustavuus ja venyvyys, ovat tuoneet orgaaniset valodiodit (OLED) suuren huomion kohteeksi uusissa laitteissa, kuten puettavissa, rullattavissa tai kokoontaitettavissa näytöissä, jotka vaativat liikkuvuutta, muokattavuutta ja/tai laajennettavuutta , . Täyden potentiaalin toteuttaminen on kuitenkin ei-triviaalia ja vaatii merkittäviä ponnisteluja monilla aloilla, kuten matalan lämpötilan ohutkalvotransistoriteknologioiden ja/tai joustavien kapselointien kehittäminen . Toinen tärkeä näkökohta erittäin joustaville näytöille on löytää läpinäkyviä elektrodeja (TE), jotka voivat korvata indiumtinoksidi (ITO) -elektrodit, jotka tyypillisesti kärsivät rajoitetusta joustavuudesta ja mahdollisista kustannusongelmista, jotka liittyvät suureen kysyntään ja/tai epävakaaseen tarjontaan . Tässä yhteydessä useita joustavia läpinäkyviä elektrodeja, kuten metallinanolankoja, hiilipohjaisia materiaaleja (esim. hiilinanoputkia tai grafeenia) ja metalliverkkoja yhdistettynä muihin TE-tyyppeihin, on ehdotettu OLED-laitteisiin , , , , , . Niistä grafeenia – atomiohuutta sp2-hybridisoituneita hiiliatomeja – on pidetty lupaavana, koska sen ainutlaatuinen yhdistelmä luontaista ohuutta ja ylivoimaisia sähköisiä ominaisuuksia odotetaan mahdollistavan ideaaliset läpinäkyvät elektrodit, joilla on vähän tai ei lainkaan optista sameutta, sileä pintatopolgia, joka estää karheuden aiheuttamat sähköiset oikosulut ja hajoamisen, korkea läpäisykyky, matala levymäinen vastus ja suuri joustavuus samanaikaisesti , . Laadukkaan grafeenin helppo valmistus suurilla muustisubstrateilla on äskettäin osoitettu läpinäkyviksi elektrodeiksi massatuotantoon soveltuvilla menetelmillä teollisuussektoreilla, osoittaen niiden käytännön elinkelpoisuuden , . Sekä yksikerrosgrafeenin (SLG) että monikerrosgrafeenin (MLG) on osoitettu omaavan riittävän suorituskyvyn TE-laitteille OLED-laitteissa , . Erityisesti tehokkaita grafeenipohjaisia OLED-laitteita on saavutettu reiäninjektiokerrosten (HIL) avulla, joita käytetään niiden suhteellisen matalan toimintofunktion voittamiseksi, jonka tiedetään olevan noin 4,5 eV. Tällaisia injektiokerroksia ovat johtavat polymeerit, joilla on gradienttisähköiset ominaisuudet, nimeltään itsejärjestäytyvä gradientti-HIL (GraHIL) , ja ohuet MoO3-puskurikerrokset yhdistettynä johtaviin polymeereihin poly(3,4-etylenedioxythiofeeni): poly(styreenisulfonaatti) (PEDOT:PSS) . Tästä huolimatta näiden huippuluokan grafeenipohjaisten OLED-laitteiden tehohyötysuhde ja ulkoinen kvanttitehokkuus (EQE) olivat edelleen verrattavissa ITO-pohjaisten OLED-laitteiden tasoon, ellei tilavuutta lisätty hemisfääristä linssiä ulostulon parantamiseksi . Korkeimman mahdollisen tehokkuuden varmistaminen on erityisen tärkeää joustaville näytöille, joita käytetään erittäin kannettavissa tai puettavissa sovelluksissa, koska ne joutuvat usein luottamaan akuihin, joilla on melko rajallinen energiakapasiteetti kokorajoitusten, painon tai muototekijöiden vuoksi. Tämä edellyttää laiterakenteen kehittämistä, joka voi maksimoida grafeenipohjaisten OLED-laitteiden tehokkuuden. Keskeinen haaste on kehittää rakenne tai menetelmä, jolla vapautetaan niiden täysi optinen potentiaali ja säilytetään samalla grafeenin edut muototekijöissä mahdollisimman paljon. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 Tätä varten tutkimme tässä yksinkertaista elektrodin arkkitehtuuria, joka perustuu korkean taitekertoimen TiO2-kerroksiin ja matalan taitekertoimen HIL-kerroksiin, jotka ympäröivät grafeenielektrodeja. Optisella suunnittelulla, joka hyödyntää täysin korkean ja matalan taitekertoimen kerrosten synergististä yhteistyötä, jotka hallitsevat sekä kaviteettiresonanssin vahvistusta että häviötä pintaplasmonipolaritonille (SPP), ehdotetut grafeenipohjaiset OLED-laitteet osoittavat ennennäkemätöntä EQE:tä grafeenia läpinäkyvänä elektrodina käyttävissä laitteissa. Lisäksi havaitaan poikkeuksellisen korkea TiO2:n kestävyys taivutusjännitystä vastaan, mikä mahdollistaa muoviset OLED-laitteet, jotka eivät ole vain tehokkaita, vaan myös erittäin joustavia. Tulokset Korkean hyötysuhteen grafeenipohjaisten OLED-laitteiden optinen suunnittelu OLED-laitteiden tehokkuutta rajoittaa lopulta rajallinen ulostulotehokkuus, joka on tyypillisesti parhaimmillaankin noin 20 % laitteille, joilla on isotrooppisia emitterejä. Eri ulostulotehokkuutta parantavista järjestelmistä, joita on tähän mennessä ehdotettu , mikrokaavioresonanssiin perustuvalla menetelmällä on etuja siinä, että se säilyttää tasaisen geometrian ilman mikro-/nanorakenteiden tai linssirakenteiden käyttöä, joten sen valmistamat OLED-laitteet eivät kärsi sähköisistä oikosuluista ja optisista artefakteista, jotka ovat haitallisia näyttösovelluksille (esim. sumennus, diffraktio ja niin edelleen), mutta voivat silti tuottaa erittäin puhtaita, kylläisiä punaisia (R), vihreitä (G), sinisiä (B) primäärivärejä parannetulla tehokkuudella , . Heikolla mutta silti merkittävällä mikrokaviteettiefektillä myös ITO-pohjaiset OLED-laitteet voidaan optimoida maksimitehokkuudelle ilman optista sameutta tai sumennusta yksinkertaisesti säätämällä ITO-kerrosten paksuutta; tässä järjestelmässä ensimmäisen kertaluvun, 3 /4-kaviteettisuunnittelu, jossa   viittaa aallonpituuteen, saavutetaan, kun kaviteettitilan avoin pää on ITO/substraatti-rajapinnassa , . ITO-vapaissa, grafeenipohjaisissa OLED-laitteissa grafeenielektrodeja ei kuitenkaan voida tehdä riittävän paksuiksi kaviteetin pituuden hallitsemiseksi, mikä tekee tehokkuuden parantamisesta resonanssiefektin avulla haastavaa . 15 16 17 λ λ 18 19 20 Vaihtoehtoisena toimenpiteenä grafeenikerrosten alle voidaan sijoittaa korkean taitekertoimen ( H) ohut kerros, kuten kuvassa   esitetään, samalla tavalla kuin metallivapaat, dielektrisesti päällystetyt elektrodit , , , . Koska valo voi kulkea grafeenin läpi pienellä vaihe-erolla grafeenielektrodin luontaisen ohuuden vuoksi, 3 /4-kaviteettisuunnittelu voidaan saavuttaa kätevästi, esimerkiksi orgaanisen plus injektiokerrosten ja korkean taitekertoimen kerroksen optisella paksuudella, joka on asetettu noin 2 /4 ja  /4, vastaavasti (kuva  ). Erityisesti ' /4-paksuinen' korkean taitekertoimen kerros toimii myös metallivapaana, dielektrisenä peilinä, joka mahdollistaa merkittävän heijastuksen ala-elektrodikokoonpanosta ( bot) orgaanisista kerroksista tulevalle valolle, kuten voidaan vahvistaa kuvioissa   näkyvissä olevista kuvaajista. Tämä tarjoaa grafeenipohjaisille OLED-laitteille mahdollisuuksia parantaa tehokkuuttaan resonanssiefektin avulla, mikä ei olisi muuten mahdollista. On osoitettu, että  bot ja vastaava resonanssivahvistus kasvavat  H:n myötä ( ). Korkea taitekerroin on myös hyödyllinen joustavuuden kannalta, koska tavoiteoptinen paksuus ( H H) voidaan saavuttaa pienellä fysikaalisella paksuudella  H, ja koska taipumisesta johtuva halkeilu tietyssä kalvossa muodostuu yleensä alemmassa alkujännityksessä suuremmalla fysikaalisella paksuudella . Onnistuneen korkean taitekertoimen kerroksen tässä järjestelmässä tulisi siis olla mahdollisimman suuri  H. Lisäksi sen tulisi olla läpinäkyvä, ja ennen kaikkea, sen ei tulisi vaurioitua tietyn grafeenin siirtoprosessin aikana. Monien ehdokkaiden joukossa sputteroitu TiO2-kerros on läpinäkyvä näkyvän spektrin alueella ja sillä on suhteellisen korkea taitekerroin ( =2,5). Toisin kuin muut kokeilemamme korkean taitekertoimen kerrokset, TiO2-kerroksella on kemiallinen kestävyys, joka kestää liuottimia, kuten asetonia tai isopropyylialkoholia (IPA), käyttäviä grafeenin siirtoprosesseja, mikä mahdollistaa korkealaatuisen grafeenielektrodin muodostumisen sen päälle ( ). n 1a 17 20 21 22 λ λ λ 1b λ R 1c,d R n Lisäkuva 1 n d d 23 n n Lisäkuva 2   ( ) Ehdotettujen OLED-laitteiden kaavamainen laiterakenne. ( ) Tutkittavien OLED-laitteiden sähkömagneettisen kentän intensiteettijakauma (katkoviivat) niiden vastaavalle ensimmäisen kertaluvun kaviteettisuunnittelulle. Kenttäintensiteettijakauma grafeenipohjaiselle OLED-laitteelle ilman TiO2:ta näytetään myös vertailua varten tapauksessa, jossa orgaanisten kerrosten paksuusarvot ovat samat kuin TiO2:lla varustetuilla OLED-laitteilla, mutta ilman matalan taitekertoimen HIL-kerroksia. ( , ) Laskettu grafeenipohjaisten OLED-laitteiden maksimi ulkoinen kvanttitehokkuus ( EQE) TiO2:lla alakerroksena TiO2- ja orgaanisten kerrosten paksuuden ( TiO2 ja  org vastaavasti) funktiona. Katkoviivat edustavat 10, 20, 30 tai 40 %:n  EQE:n tasolinjoja kuten kuvaajassa on ilmoitettu. ( ) Ilman matalan taitekertoimen HIL-kerrosta; ( ) GraHILillä matalan taitekertoimen HIL-kerroksena. Kummankin tapauksen pohjalla näytetään ala-elektrodikokoonpanon (TiO2/grafeeni/(HIL)) heijastus ( bot) orgaanisista kerroksista tulevalle valolle  TiO2:n funktiona. a b c d η d d η c d R d On huomattava, että korkeamman kertaluvun mikrokaviteettirakenne (esim. toisen kertaluvun, 5 /4-kaviteetti), joka perustuu paksuun orgaaniseen pinoon, voi myös olla mahdollinen. Tässä työssä valittiin kuitenkin ensin ensimmäisen kertaluvun kaviteettisuunnittelu, koska se johtaa voimakkaampaan Purcell-efektiin ja vähempiin aaltoputkimuotoihin kuin korkeamman kertaluvun suunnittelu, mikä lopulta johtaa suurempaan ulostulotehokkuuteen ja EQE:hen , . Ensimmäisen kertaluvun kaviteettisuunnittelussa on edelleen haasteita, koska emissioalueen ideaalinen sijainti rajoittuu ensimmäiseen antinodeeseen orgaanisen/metallisen rajapinnan jälkeen, mikä vaikeuttaa SPP-tilojen vähentämistä pidemmällä emitterin ja metallin välisellä etäisyydellä , . Vaihtoehtoinen menetelmä, jota yleensä käytetään SPP-vähennykseen, on sisäisten aaltomaisten rakenteiden tai poimuilujen sisällyttäminen , mutta sähköisten oikosulkujen toleranssi voi usein vaarantua tällaisilla lähestymistavoilla. Tässä käyttämämme menetelmä on matalan taitekertoimen kerroksen sisällyttäminen, jonka on osoitettu tehokkaasti vähentävän SPP-tiloja , . Onneksi GraHIL tai itsejärjestäytyvä gradientti-reiäninjektiokerros, joka koostuu PEDOT:PSS:stä ja tetra-fluoroetyleeni-perfluori-3,6-dioksa-4-metyyli-7-okteenisulfonaattikopolymeeristä (PFI), jonka kirjailijat ovat aiemmin ehdottaneet ja osoittaneet erittäin tehokkaaksi reiäninjektion parantamisessa grafeenipohjaisissa OLED-laitteissa , sen taitekerroin on noin 1,42 kohdassa   = 550 nm ( ), mikä on paljon pienempi kuin tyypillisten orgaanisten kerrosten ( =1,8). Korkean ja matalan taitekertoimen kerrosten (H ja L) synergistisen vuorovaikutuksen ansiosta grafeenikerroksia ympäröivien kerrosten kanssa, kaviteettiresonanssieffektiä voidaan parantaa ja SPP-tiloja vähentää samanaikaisesti, jotta EQE:tä voidaan merkittävästi parantaa jopa ilman ulostulorakenteita. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ Lisäkuva 3 n  esitetään optisen simuloinnin tulokset, jotka perustuvat Furnon *et al.*  esittämään kehittyneeseen klassiseen sähkömagneettiseen teoriaan koko näkyvän spektrin alueella ja kohdassa   = 550 nm. Muodollisuus ottaa huomioon Purcell-tekijän, dipolin suuntausefektin ja viritykset SPP- ja aaltoputkimuotoihin. Kaikkien näiden tekijöiden kattava sisällyttäminen on kriittistä tarkalle analyysille ja kvantitatiiviselle suunnittelulle, koska yli- tai aliarviointia voi tapahtua, jos käytetään yksinkertaistettua lähestymistapaa, joka ei ota huomioon yhtä tai useampaa näistä vaikutuksista (katso  ;   ja   esimerkkejä varten). Tulokset osoittavat, että GraHIL:n käyttö uudelleen jakaa suhteelliset tehosisällöt eri tilojen kesken pienempiin tasoaaltovektoreihin siten, että SPP-tiloihin kytkeytynyt teho vähenee ja ulostulostetut osat lisääntyvät ( ). Kuvassa   on myös nähtävissä, että TiO2-kerroksen käyttö grafeenin alla tukahduttaa tehokkaasti aaltoputki- ja substraattitiloihin kytkeytyneen tehon määrän resonanssivahvistuksen avulla. Tämä johtaa merkittävään ulostulotehokkuuden kasvuun, vaikkakin häviöt evanescent-tiloihin osoitetaan myös lisääntyvän poikittais-sähköisten aaltoputkitilojen siirtymisen vuoksi suurempiin normalisoituihin tasoaaltovektoreihin ( ). Korkean taitekertoimen (H) TiO2- ja matalan taitekertoimen (L) GraHIL-kerrosten yhdistetty käyttö johtaa tilanteeseen, jossa resonanssivahvistus on suuri, mutta häviö SPP/evanescent-tiloihin lievenee. Lisäksi yhdistetty käyttö luo tilanteen, joka on samanlainen kuin HL-pinot, joita käytetään tyypillisesti monikerroksisissa ohutkalvopinnoitteissa , ja jopa lisää  bot-arvoa ( ), mahdollistaen lisävahvistuksen Fabry–Perot-resonanssiefektissä. Mikä tekee ehdotetusta teknologiasta ainutlaatuisen ja edistyneen verrattuna perinteisiin teknologioihin, on nimenomaan näiden korkean ja matalan taitekertoimen kerrosten synergistinen yhteistyö, joka mahdollistaa sekä resonanssiefektin että SPP-häviön optisen hallinnan maksimaalisen ulostulon eduksi; ja lisäresonanssin vahvistus HL-pinon avulla. Yhdessä haluttujen sähköisten ominaisuuksien (esim. tehokas reiäninjektio) kanssa natiivin yhteensopivuuden kanssa, kaikki nämä optiset hyödyt mahdollistavat jopa piilotetun potentiaalin vapauttamisen, mitä tasaiset OLED-laitteet voivat todella tarjota. Optisesti saatavilla olevan maksimi EQE:n ( EQE (max)) tasokuvaukset orgaanisen ( org) ja TiO2:n paksuuden ( TiO2) funktiona kuvissa   osoittavat, että  EQE (max) voi olla jopa 44 % laitteissa, joissa on sekä GraHIL- että TiO2-kerrokset, kun taas se olisi rajoitettu 38 %:iin ilman GraHIL-kerrosta tai 31 %:iin ilman TiO2:ta. Optimaaliset olosuhteet vastaavat tilannetta, jossa  H (H on TiO2) on lähellä  /(4 H) (55 nm kohdassa  =550 nm). Voidaan myös huomata, että  EQE (max) = 44 % on korkeampi kuin optimoiduille, perinteisille ohutmetallipohjaisille kaviteetti-OLED-laitteille odotettavissa oleva arvo samalla emitterillä. Tämä voidaan selittää sillä, että ehdotettu rakenne altistuu vähemmän fotoniabsorption ja/tai SPP-tilojen virityksen aiheuttamalle häviölle puoliläpinäkyvissä elektrodeissa (katso   ja   vertailua varten perinteisiin ohutmetallipohjaisiin kaviteetti-OLED-laitteisiin). Kuvassa 2a,b 19 λ Lisäkuva 4 Lisätaulukko 1 Lisähuomautus 1 Lisäkuva 5a Lisätaulukosta 2 Lisäkuva 5b 30 R Kuva 1d η d d 1c,d η d λ n λ η Lisäkuva 6 Lisätaulukko 3   ( , ) Laskettu tehonsiemenspektri painotettuna emitterispektrillä mielivaltaisissa yksiköissä (kartoitettuna väripalkkeihin määriteltynä värinä) verrattuna tasoaaltovektoriin: ( ) TiO2:lla, mutta ilman GraHIL:iä; ( ) sekä TiO2:lla että GraHIL:llä. Mustat katkoviivat osoittavat rajaviivat, jotka jakavat edustavat optiset tilat, mukaan lukien ulostulostetut, substraattiin rajoittuneet (subs), aaltoputki- (wg) ja evanescent-tilat. ( ) Laskettu tehonhajoaminen verrattuna normalisoituun tasoaaltovektoriin kohdassa  =550 nm erilaisille tutkittaville elektrodin rakenteille. TiO2:lla varustetuille laitteille  TiO2 oli kiinteä 55 nm ja  org valittiin optimaalisiin olosuhteisiin kussakin tapauksessa. TiO2:tta vailla oleville laitteille  org asetettiin samaksi arvoksi kuin vastaaville TiO2:lla varustetuille laitteille. a b a b c λ d d d Valmistettujen grafeenipohjaisten OLED-laitteiden laitesuorituskyky Edellä esitettyjen simulaatiotulosten inspiroimana valmistimme vihreitä OLED-laitteita, jotka perustuvat fosforoivaan emitteriin, bis(2-(2-pyridinyyli- )fenyyli-C)(asetyyliasetonaatti) iridium (III) (Ir(ppy)2acac) konfiguraatiossa lasi/anodi/(HIL)/OS1/LiF/Al, joissa on erilaiset anodi/(HIL)-rakenteet: TiO2/grafeeni/GraHIL; grafeeni/GraHIL; ja ITO (185 nm)/GraHIL, missä OS1 viittaa menetelmissä määriteltyyn orgaaniseen monikerrosrakenteeseen. Kuvassa   esitetyt kokeelliset tulokset osoittavat, että TiO2/grafeeni/GraHIL-pohjaisen laitteen saavuttamat maksimi EQE, tehohyötysuhde ja virtaushyötysuhde ovat jopa 40,8 %, 160,3 lm W−1 ja 168,4 cd A−1, kun taas nämä arvot ovat rajoitettuja 31,7 %, 112,6 lm W−1 ja 119,0 cd A−1 grafeeni/GraHIL-pohjaiselle laitteelle ja 27,4 %, 104,3 lm W−1 ja 106,2 cd A−1 ITO/GraHIL-pohjaiselle laitteelle. Havaittu korkea EQE TiO2/grafeeni/GraHIL-pohjaisessa laitteessa vahvistaa sekä TiO2- N 3

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

Tämä ääni on tuotettu tarinan alkuperäisellä kielellä!

Tiedemiehet avaavat erittäin tehokkaat joustavat näyttöruudut käyttämällä grafeenia ja titaanidioksidia.

About Author

KOMMENTIT

RIPUTA TAGSIA

TÄMÄ ARTIKKELI ESITETTIIN

Related Stories

Meet dRPC: HackerNoon Company of the Week

7 Marketing Shifts Redefining Tech Companies in 2026

Win Up to $2000 in the #blockchain Writing Contest by Aleph Cloud and HackerNoon

HackerNoon Projects of the Week: InfoFusion Hubs, Firefox Managed Session Controller, NoteOCR

Meet dRPC: HackerNoon Company of the Week

7 Marketing Shifts Redefining Tech Companies in 2026

Win Up to $2000 in the #blockchain Writing Contest by Aleph Cloud and HackerNoon

HackerNoon Projects of the Week: InfoFusion Hubs, Firefox Managed Session Controller, NoteOCR

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps