
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Szerzők: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Összefoglalás A grafén alapú szerves fénykibocsátó diódák (OLED-ek) a közelmúltban a következő generációs kijelzők és világítási rendszerek kulcsfontosságú elemeivé váltak, főként a rendkívül rugalmas fényforrások ígérete miatt. Hatékonyságuk azonban legfeljebb a hagyományos, indium-oxid alapú társaikéval volt egyenértékű. Itt egy ideális elektróda-struktúrát javaslunk, amely a nagy fénytörésmutatójú TiO2 rétegek és az alacsony fénytörésmutatójú lyukbefecskendező rétegek szinergikus kölcsönhatásán alapul, amelyek a grafén elektródákat szendvicsszerűen fogják közre. Ezáltal az üregrezonancia által okozott erősítés maximalizálódik, miközben a felületi plazmon-polaritonok általi veszteség csökken. A javasolt megközelítés olyan OLED-eket eredményez, amelyek ultra-nagy külső kvantumhatékonyságot mutatnak: 40,8 és 62,1%-ot (40,8 és 62,1%-ot félgömb alakú lencsével) az egyszeres és több-csatlakozású eszközök esetében. A műanyagon készült OLED-ek ezekkel az elektródákkal megismételhetően hajlíthatók 2,3 mm-es sugáron, részben a TiO2 rétegeknek köszönhetően, amelyek a repedés-eltérítő edzés révén akár 4% rugalmassági igénybevételt is kibírnak. Bevezetés Az olyan formatényező előnyök, mint a rugalmasság és a nyújthatóság, nagy figyelmet kaptak a szerves fénykibocsátó diódák (OLED-ek) iránt a következő generációs eszközökben, mint például a hordható, tekercselhető vagy összecsukható kijelzők, amelyek mobilitást, deformálhatóságot és/vagy bővíthetőséget igényelnek , . Az ilyen potenciál teljes megvalósítása azonban nem triviális, és jelentős erőfeszítéseket igényel különféle szempontokból, mint például az alacsony hőmérsékletű vékonyrétegű tranzisztor technológiák és/vagy a rugalmas bevonatok fejlesztése . Egy másik fontos szempont, amelyet figyelembe kell venni a nagy rugalmasságú kijelzők esetében, az átlátszó elektródák (TE) keresése, amelyek helyettesíthetik az indium-oxid (ITO) elektródákat, amelyek általában korlátozott rugalmassággal és potenciális költségi problémákkal küzdenek a nagy kereslet és/vagy a bizonytalan kínálat miatt . Ebben a tekintetben többféle rugalmas átlátszó elektródát, mint például fém nanohuzalokat, szén alapú anyagokat (például szén nanocsöveket vagy grafént) és fémrácsokat, más típusú TE-ekkel kombinálva, javasoltak OLED-ekhez , , , , , . Ezek közül a grafén — egy atomi vastagságú, sp2-hibridizált szénatomokból álló lap — ígéretesnek tekinthető, mert egyedi vékony és kiváló elektromos tulajdonságainak kombinációja ideális átlátszó elektródákat tesz lehetővé, amelyek alacsony vagy nulla optikai ködösséggel, durvaság okozta elektromos rövidzárlatot és degradációt megelőző sima felületi topológiával, nagy áteresztőképességgel, alacsony felületi ellenállással és nagyfokú rugalmassággal rendelkeznek egyszerre , . A kiváló minőségű grafén egyszerű előállítása nagyméretű műanyag hordozókon ipari szektorok által tömeggyártáshoz alkalmas módszerekkel, átlátszó elektródák céljára nemrégiben bemutatásra került, ami bizonyítja gyakorlati megvalósíthatóságukat , . Mind az egyrétegű grafén (SLG), mind a többrétegű grafén (MLG) megfelelő teljesítményt mutatott TE-ként OLED-ekben , . Különösen hatékony grafén alapú OLED-eket értek el lyukbefecskendező rétegek (HIL) segítségével, amelyeket viszonylag alacsony, kb. 4,5 eV értékű munkafunkciójuk leküzdésére használnak. Ilyen befecskendező rétegek közé tartoznak a gradiens elektronikus tulajdonságokkal rendelkező vezető polimerek, amelyeket önállóan szerveződő gradiens HIL (GraHIL) néven ismernek , és a vékony MoO3 puffer rétegek, amelyeket a polietilén-dioxitiofén: polisztirol-szulfonát (PEDOT:PSS) vezető polimerekkel  kombináltak. Ennek ellenére a legmodernebb grafén alapú OLED-ek energiasűrűsége és külső kvantumhatékonysága (EQE) továbbra is az ITO alapú OLED-ekkel volt egyenértékű, hacsak nem használtak egy nagyméretű félgömb alakú lencsét a kimeneti kiáramlás fokozására . A lehető legmagasabb hatékonyság biztosítása különösen fontos a rugalmas kijelzők esetében, amelyeket erősen hordozható vagy viselhető alkalmazásokhoz használnak, mivel ezek gyakran korlátozott energiakapacitású akkumulátorokra kénytelenek támaszkodni a méret, a súly vagy a formátumok korlátai miatt. Ez szükségessé teszi egy olyan eszközarchitektúra fejlesztését, amely maximalizálja a grafén alapú OLED-ek hatékonyságát. Az egyik fő kihívás egy olyan szerkezet vagy módszertan kifejlesztése, amely kiaknázza azok teljes optikai potenciálját, miközben a lehető legjobban megőrzi a grafén előnyeit a formátumok terén. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 Ennek érdekében itt egy egyszerű elektródaarchitektúrát vizsgálunk, amely a nagy fénytörésmutatójú TiO2 rétegeken és az alacsony fénytörésmutatójú HIL rétegeken alapul, amelyek a grafén elektródákat fogják közre. Az optikai tervezés, amely teljes mértékben kihasználja a magas és alacsony fénytörésmutatójú rétegek szinergikus együttműködését, amelyek mind a rezonanciaerősítést, mind a felületi plazmon-polariton (SPP) általi veszteséget szabályozzák, a javasolt grafén alapú OLED-ek ultra-nagy EQE-t mutatnak, ami példátlan az olyan eszközökben, amelyek grafént használnak átlátszó elektródaként. Ezenkívül rendkívül nagy ellenállást mutatnak a TiO2 rétegek a rugalmas igénybevétellel szemben, ami olyan műanyag OLED-eket tesz lehetővé, amelyek nemcsak hatékonyak, hanem rendkívül rugalmasak is. Eredmények Nagy hatékonyságú grafén alapú OLED-ek optikai tervezése Az OLED-ek hatékonyságát végső soron a véges kimeneti hatékonyság korlátozza, amely általában legfeljebb 20% az izotróp kibocsátókkal rendelkező eszközök esetében. A jelenleg javasolt számos kimeneti kiáramlást fokozó séma közül , a mikroüreg-rezonancián alapuló módszer előnye, hogy sík geometriát tart fenn mikroszerkezetek vagy lencsés szerkezetek használata nélkül, így az így készült OLED-ek nem szenvednek elektromos rövidzárlatoktól és optikai hibáktól, amelyek nem kedvezőek a kijelző alkalmazások szempontjából (például elmosódás, diffrakció stb.), ugyanakkor rendkívül tiszta, telített vörös (R), zöld (G), kék (B) elsődleges színeket mutathatnak megnövelt hatékonysággal , . Gyenge, de még mindig jelentős mikroüreg-hatással az ITO alapú OLED-ek is optimalizálhatók a maximális hatékonyság érdekében, anélkül, hogy optikai ködösséget vagy elmosódást okoznának, egyszerűen az ITO rétegek vastagságának beállításával; ebben a séma szerint az elsőrendű, 3 /4 üregkialakítást az üregmód nyitott vége az ITO/hordozó felületén helyezzük el , . Az ITO-mentes, grafén alapú OLED-ek esetében azonban a grafén elektródák nem tehetők elég vastaggá az üreg hosszának szabályozásához, ami kihívást jelent a hatékonyság növelése terén a rezonanciahatás révén . 15 16 17 λ 18 19 20 Alternatív megoldásként egy nagy törésmutatójú ( H) vékony réteg helyezhető a grafén rétegek alá, ahogy az az 1. ábra a) pontjában látható, hasonló módon, mint a dielektrikus bevonatú vékonyfém elektródák esetében , , , . Mivel a fény a grafénen kevés fáziskülönbséggel képes áthaladni a grafén elektróda beépített vékony volta miatt, a 3 /4 üregkialakítás kényelmesen elérhető, például a szerves és befecskendező rétegek, valamint a nagy törésmutatójú réteg optikai vastagságával, amely hozzávetőlegesen 2 /4 és  /4, illetve (  b)). Különösen az „ /4 vastag” nagy törésmutatójú réteg fémmentes, dielektrikus tükörként is funkcionál, amely jelentős visszaverődést tesz lehetővé az alsó elektróda összeállításból ( bot) a szerves rétegekből érkező fény számára, amint az az 1. ábra c), d) pontjaiban látható grafikonokon meggyőződhetünk. Ez lehetőséget ad a grafén alapú OLED-eknek a rezonanciahatáson keresztüli hatékonyság növelésére, ami másképp nem lenne lehetséges. Kimutatták, hogy az  bot és az ezzel járó rezonanciaerősítés növekszik az  H-val ( ). A nagy törésmutató a rugalmasság szempontjából is előnyös, mivel a cél optikai vastagság ( H H) alacsony fizikai vastagsággal  H érhető el, és mivel egy adott film hajlítás által kiváltott repedése általában alacsonyabb kezdő igénybevételnél keletkezik, nagyobb fizikai vastagsággal . Egy sikeres nagy törésmutatójú rétegnek ebben a séma szerint tehát minél nagyobbnak kell lennie az  H-nak. Ezenkívül átlátszónak kell lennie, és mindenekelőtt nem szabad megsérülnie a grafén átvitel folyamata során. A különféle jelöltek közül a porlasztott TiO2 réteg átlátszó a látható spektrumban, és viszonylag nagy törésmutatóval rendelkezik ( =2,5). Más próbált nagy törésmutatójú rétegekkel ellentétben a TiO2 réteg kémiai ellenállóképessége robusztus a grafén átviteli folyamataival szemben, amelyek oldószert, például acetont vagy izopropil-alkoholt (IPA) használnak, lehetővé téve egy kiváló minőségű grafén elektróda kialakítását a tetején ( ). n 17 20 21 22 λ λ λ 1. ábra λ R R n 1. kiegészítő ábra n d d 23 n n 2. kiegészítő ábra   ( ) A javasolt OLED-ek vázlatos eszközszerkezete. ( ) Az említett OLED-ek elektromágneses tér intenzitás eloszlása (szaggatott vonalak) az elsőrendű üregkialakításukhoz. A grafén alapú OLED tér intenzitás eloszlása TiO2 nélkül is meg van mutatva összehasonlításképpen azokban az esetekben, amikor a szerves rétegek vastagsága megegyezik a TiO2-es OLED-ekével, de alacsony törésmutatójú HIL nélkül. ( , ) A TiO2 alatti rétegű grafén alapú OLED-ek számított maximális külső kvantumhatékonysága ( EQE) a TiO2 és a szerves réteg vastagságának (illetőleg  TiO2 és  org) függvényében. A szaggatott vonalak a  EQE 10, 20, 30 vagy 40%-os kontúr vonalait jelölik a grafikonon. ( ) Alacsony törésmutatójú HIL nélkül; ( ) GraHIL-lel, mint alacsony törésmutatójú HIL-lel. Az egyes esetek alján az alsó elektróda összeállítás (TiO2/graphene/(HIL)) visszaverődése ( bot) látható a szerves rétegekből érkező fény szempontjából a  TiO2 függvényében. a b c d η d d η c d R d Érdemes megjegyezni, hogy egy magasabb rendű mikroüreg-struktúra (például másodrendű, 5 /4 üreg) egy vastag szerves rétegen is lehetséges lehet. Ebben a munkában azonban először az elsőrendű üregkialakítást választottuk, mert az erősebb Purcell-hatást és kevesebb hullámvezető módot eredményez, mint a magasabb rendű kialakítás, végső soron nagyobb kimeneti kiáramlást és EQE-t eredményezve , . Az elsőrendű üregkialakítás esetében még mindig kihívások merülnek fel, mert a kibocsátási zóna ideális helye az első antiszinuszra korlátozódik a szerves/fém felülettől, ami megnehezíti az SPP módok csökkentését a hosszabb kibocsátó-fém távolság révén , . Az SPP csökkentésére általában használt alternatív módszer belső hullámos szerkezetek vagy hullámosságok beépítése , de az ilyen megközelítésekkel az elektromos rövidzárlatokkal szembeni tűrés gyakran veszélyeztetetté válik. Az általunk itt alkalmazott módszer egy alacsony törésmutatójú réteg beépítése, amelyről kimutatták, hogy hatékonyan csökkenti az SPP módokat , . Szerencsére a GraHIL vagy egy önállóan szerveződő gradiens lyukbefecskendező réteg, amely PEDOT:PSS-ből és tetra-fluor-etilén-perfluor-3, 6-dioxa-4-metil-7-okténszulfonsav kopolimerből (PFI) áll, amelyet korábban a szerzők javasoltak, és amely nagyon hatékonynak bizonyult a lyukbefecskendezés javításában a grafén alapú OLED-ekben , körülbelül 1,42-es törésmutatóval rendelkezik 550 nm-es  -nál ( ), ami sokkal alacsonyabb, mint a tipikus szerves rétegeké ( =1,8). A magas és alacsony törésmutatójú rétegek, amelyek a grafén rétegeket szendvicsszerűen fogják közre, szinergikus kölcsönhatása révén tehát a rezonanciaerősítés és az SPP módok csökkentése egyidejűleg történhet, így az EQE jelentősen növelhető még kimeneti kiáramlási struktúrák nélkül is. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ 3. kiegészítő ábra n  pontjai az optikai szimulációs eredményeket mutatják egy fejlett klasszikus elektromágneses elmélet alapján, amelyet Furno  .  összegzett a teljes látható spektrumban, és 550 nm-es  -nál. A formalizmus figyelembe veszi a Purcell-faktort, a dipólus orientációs hatást, valamint az SPP és a hullámvezető módok gerjesztését. Ezen tényezők átfogó figyelembevétele kritikus a pontos elemzéshez és a kvantitatív tervezéshez, mivel az alul- vagy túlbecslés előfordulhat, ha egy egyszerűsített megközelítést használnak, amely nem veszi figyelembe az egyik vagy több ilyen hatást (lásd  ;   és   példákkal). Az eredmények azt mutatják, hogy a GraHIL használata átcsoportosítja a relatív teljesítménytartalmakat a különböző módok között a kisebb síkbeli hullámvektorok felé, hogy csökkentse az SPP módokba csatolt teljesítményt és tovább növelje a kimeneti kiáramlást ( ). A  -ban az is látható, hogy a grafén alatti TiO2 réteg használata hatékonyan elnyomja a hullámvezetett és szubsztrátum módokba csatolt teljesítmény mennyiségét a rezonanciaerősítés révén. Ez jelentős növekedést eredményez a kimeneti kiáramlásban, bár az éterikus módokba való veszteség is növekszik a transzverzális elektromos hullámvezető módok eltolódása miatt a magasabb normalizált síkbeli hullámvektorok felé ( ). A magas (H) TiO2 és alacsony (L) GraHIL rétegek kombinált használata ideális helyzetet eredményez, ahol a rezonanciaerősítés nagy, mégis az SPP/éterikus módokba való veszteség csökken. Ezenkívül a kombinált használat egy olyan helyzetet teremt, amely hasonló az HL-halmokhoz, amelyeket általában többrétegű vékonyrétegű bevonatokhoz használnak , és tovább növeli az  bot-ot ( ), lehetővé téve a Fabry–Perot rezonanciahatás további erősítését. Ami a javasolt technológiát egyedivé és fejletté teszi a hagyományos technológiákhoz képest, az éppen a magas és alacsony törésmutatójú rétegek szinergikus együttműködése, amely lehetővé teszi az optikai menedzsmentet mind a rezonanciahatás, mind az SPP veszteség szempontjából a maximális kimeneti kiáramlás előnyére; és további rezonanciaerősítés HL-halmozással. Az optikai előnyök, valamint a kívánt elektromos tulajdonságokkal (például hatékony lyukbefecskendezés) való natív kompatibilitásuk lehetővé teszi a sík OLED-ek által kínált rejtett potenciál teljes kiaknázását. Az optikailag elérhető maximális EQE ( EQE (max)) kontúrjai a szerves ( org) és TiO2 ( TiO2) vastagság függvényében, az 1. ábra c), d) pontjaiban láthatók, azt mutatják, hogy a  EQE (max) akár 44% is lehet a GraHIL és TiO2 rétegekkel rendelkező eszközökben, míg ez 38% nélkülük, vagy 31% TiO2 nélkül lenne. Az optimális feltételek abban a helyzetben felelnek meg, ahol a  H (H=TiO2) megközelíti a  /(4 H) értéket (55 nm  =550 nm-nél). Azt is megjegyezhetjük, hogy a  EQE (max) 44% magasabb, mint amit az optimalizált, hagyományos, vékonyfém alapú üreges OLED-eknél vártak ugyanezzel a kibocsátóval. Ez annak tulajdonítható, hogy a javasolt architektúra kevésbé van kitéve a fém-abszorpció és/vagy SPP mód gerjesztés miatti veszteségnek a félig átlátszó elektródákban (lásd   és   összehasonlításképpen a hagyományos vékonyfém alapú üreges OLED-ekkel). 2. ábra a), b) et al 19 λ 4. kiegészítő ábra 1. kiegészítő táblázat 1. kiegészítő megjegyzés 5. kiegészítő ábra a) 2. kiegészítő táblázat 5. kiegészítő ábra b) 30 R 1. ábra d) η d d η d λ n λ η 6. kiegészítő ábra 3. kiegészítő táblázat   ( , ) Számított teljesítmény disszipációs spektrumok a kibocsátó spektrummal súlyozva, tetszőleges egységekben (színkód a színskála szerint) a síkbeli hullámvektor függvényében: ( ) TiO2-vel, de GraHIL nélkül; ( ) TiO2-vel és GraHIL-lel is. A fekete szaggatott vonalak határvonalakat jelölnek, amelyek az olyan reprezentatív optikai módokat választják el, mint a kimeneti kiáramlás, szubsztrátumhoz kötött (subs), hullámvezető (wg) és éterikus módok. ( ) Számított teljesítmény disszipáció a normalizált síkbeli hullámvektor függvényében 550 nm-es  -nál a vizsgált különböző elektróda-struktúrákhoz. A TiO2-vel rendelkező eszközök esetében a  TiO2 55 nm volt, és a  org optimalizálási feltételeket választották ki. A TiO2 nélküli eszközök esetében a  org ugyanakkora volt, mint a TiO2-vel rendelkező eszközök megfelelője. a b a b c λ d d d Gyártott grafén alapú OLED-ek eszköz teljesítménye A fenti szimulációs eredmények alapján zöld OLED-eket gyártottunk foszforeszkáló kibocsátókkal: bisz(2-(2-piridinil- )fenil-C)(acetilacetonát) iridium (III) (Ir(ppy)2acac) az üveg/anód/(HIL)/OS1/LiF/Al konfigurációban, különböző anód/(HIL) struktúrákkal: TiO2/grafén/GraHIL; grafén/GraHIL; és ITO (185 nm)/GraHIL, ahol az OS1 a Módszerekben meghatározott szerves több-rétegű rendszert jelenti. A 3. ábra-ban bemutatott kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a TiO2/grafén/GraHIL alapú eszköz esetében elért maximális EQE, energiasűrűség és áramsűrűség 40,8%, 160,3 lm W  és 168,4 cd A  volt, míg ezek az értékek 31,7%, 112,6 lm W  és 119,0 cd A -ra korlátozódtak a grafén/GraHIL alapú eszköz esetében, és 27,4%, 104,3 lm W  és 106,2 cd A -ra az ITO/GraHIL alapú eszköz esetében. A megfigyelt magas EQE a TiO2/grafén/GraHIL alapú eszközben megerősíti a TiO2 és a GraHIL rétegek szinergikus szerepét, és összhangban van a szimulációs eredményekkel. Egy félgömb alakú lencsével, amely optikailag csatlakozik a hordozó hátoldalához, a TiO2/grafén/GraHIL alapú eszköz EQE, energiasűrűség és áramsűrűség tekintetében 64,7%, 250,4 lm W  és 257,0 cd A  értéket mutat, tovább illusztrálva a javas N −1 −1 −1 −1 −1 −1 −1 −1

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

Ez a hanganyag a történet eredeti nyelvén készült!

Tudósok szuperhatékony, rugalmas kijelzőket hoztak létre grafén és titán-dioxid felhasználásával

About Author

HOZZÁSZÓLÁSOK

HANG TAGOK

EZT A CIKKET BEMUTATTA

Related Stories

THE HABITS OF INSECTS IN RELATION TO THE FERTILISATION OF FLOWERS

On OpenAI Failed Board Coup of Sam Altman & the Danger of Leaving AI Fate in the Hands of a Few

THE LAST DAY OF NEW YORK

And now the important day of the election had arrived

THE HABITS OF INSECTS IN RELATION TO THE FERTILISATION OF FLOWERS

On OpenAI Failed Board Coup of Sam Altman & the Danger of Leaving AI Fate in the Hands of a Few

THE LAST DAY OF NEW YORK

And now the important day of the election had arrived

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps