
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Összefoglaló A grafén alapú szerves fénykibocsátó diódák (OLED-ek) a közelmúltban váltak kulcsfontosságú elemmé az új generációs kijelzőkben és világítási megoldásokban, főként a nagy rugalmasságú fényforrások ígérete miatt. Hatékonyságuk azonban legfeljebb a hagyományos, indium-oxid alapú társaikéhoz volt hasonló. Mi itt egy ideális elektróda-struktúrát javasolunk, amely a magas indexű TiO2 rétegek és az alacsony indexű lyukbefecskendező rétegek szinergikus kölcsönhatásán alapul, amelyek grafénelektródokat szendvicselnek. Ezáltal ideális helyzet jön létre, ahol az üregrezonancia általi erősítés maximalizálódik, miközben a felületi plazmon-polaritonok vesztesége csökken. A javasolt megközelítés olyan OLED-eket eredményez, amelyek ultra-magas külső kvantumhatékonyságot (EQE) mutatnak: 40,8% és 62,1% (40,8% és 62,1% félgömb lencsével) egy- és többcsatlakozású eszközök esetében. Az ezekkel az elektródokkal műanyagokon készült OLED-ek ismételten hajlíthatók 2,3 mm-es sugáron, részben a TiO2 rétegeknek köszönhetően, amelyek a repedés-eltérítő edzés révén akár 4%-os hajlító igénybevételt is kibírnak. Bevezetés Az olyan formatényező előnyök, mint a rugalmasság és a nyújthatóság, nagy figyelmet keltettek a szerves fénykibocsátó diódák (OLED-ek) iránt az újfajta eszközökben, mint a hordható, feltekerhető vagy összehajtható kijelzők, amelyek mobilitást, deformálhatóságot és/vagy bővíthetőséget igényelnek. ,  Az ilyen potenciál teljes megvalósítása azonban nem triviális, és jelentős erőfeszítéseket igényel különböző szempontokból, mint például az alacsony hőmérsékletű vékonyréteg-tranzisztor technológiák és/vagy a rugalmas enkapszuláció fejlesztése.  A nagy rugalmasságú kijelzők szempontjából egy másik fontos szempont a transzparens elektródok (TE-k) keresése, amelyek helyettesíthetik az indium-oxid (ITO) elektródokat, amelyek tipikusan korlátozott rugalmassággal és potenciális költségproblémákkal küzdenek a magas kereslet és/vagy a bizonytalan kínálat miatt.  Ebben a tekintetben többféle rugalmas transzparens elektróda, mint például fém nanohuzalok, szén alapú anyagok (például szén nanocsövek vagy grafén) és fémrácsok, más típusú TE-kel párosítva, javasoltak OLED-ekhez. , , , , ,  Ezek közül a grafén – egy sp2-hibridizált szénatomokból álló atomi vastagságú réteg – ígéretesnek számít, mert egyedi vékony, kiváló elektromos tulajdonságaival ideális transzparens elektródokat kínál, amelyek alacsony vagy nulla optikai pára, sima felületi topológia, amely megakadályozza a durvaság okozta elektromos rövidzárlatot és lebomlást, nagy áteresztőképesség, alacsony felületi ellenállás és nagy fokú rugalmasság minden egyidejűleg. ,  A kiváló minőségű grafén könnyű előállítása nagyméretű műanyag hordozókon, tömeggyártáshoz alkalmas módszerekkel, ipari szektorok által, nemrégiben bemutatásra került, bizonyítva gyakorlati megvalósíthatóságukat. ,  Mind az egyrétegű grafén (SLG), mind a többrétegű grafén (MLG) alkalmasnak bizonyult TE-ként OLED-ekben. ,  Különösen hatékony grafén alapú OLED-eket értek el lyukbefecskendező rétegek (HIL-ek) segítségével, amelyek viszonylag alacsony, kb. 4,5 eV-os kilépési munkájuk leküzdésére szolgálnak. Ilyen befecskendező rétegek közé tartoznak a gradiens elektronikai tulajdonságokkal rendelkező vezető polimerek, az úgynevezett önszerveződő gradiens HIL (GraHIL) , valamint a vezető polimerekkel (poli(3,4-etiléndioxitiofén): polisztirol szulfonát (PEDOT:PSS)) párosított vékony MoO3 puffer rétegek.  Mindazonáltal, ezeknek a korszerű grafén alapú OLED-eknek a teljesítményhatékonysága és külső kvantumhatékonysága (EQE) még mindig az ITO alapú OLED-ekkel volt egy szinten, hacsak nem használtak nagyméretű félgömb lencsét a kisugárzás fokozására.  A lehető legmagasabb hatékonyság biztosítása különösen fontos a rugalmas kijelzők esetében, amelyeket erősen hordozható vagy viselhető alkalmazásokhoz használnak, mivel ezek gyakran akkumulátorokra támaszkodnak, amelyek korlátozott energiakapacitással rendelkeznek a méret, súly vagy forma tényezők korlátai miatt. Ez indokolttá teszi egy olyan eszközarchitektúra kifejlesztését, amely maximalizálja a grafén alapú OLED-ek hatékonyságát. Fő kihívást jelent egy olyan szerkezet vagy módszertan kifejlesztése, amely kiaknázza a teljes optikai potenciált, miközben a lehető legnagyobb mértékben megőrzi a grafén formai előnyeit. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 Ebből a célból mi itt egy egyszerű elektróda-architektúrát vizsgálunk, amely magas indexű TiO2 rétegeken és alacsony indexű HIL-eken alapul, amelyek grafénelektródokat szendvicselnek. Az optikai kialakítás révén, amely teljes mértékben kihasználja a magas és alacsony indexű rétegek szinergikus együttműködését, amelyek mind a rezonanciaerősítést, mind a felületi plazmon-polariton (SPP) veszteséget szabályozzák, a javasolt grafén alapú OLED-ek ultra-magas EQE-t mutatnak, amely példátlan azokban, amelyek grafént használnak transzparens elektródként. Továbbá, a TiO2 szokatlanul magas ellenállást mutat a hajlító igénybevétellel szemben, ami lehetővé teszi a műanyag OLED-ek létrehozását, amelyek nemcsak hatékonyak, hanem rendkívül rugalmasak is. Eredmények Magas hatékonyságú grafén alapú OLED-ek optikai kialakítása Az OLED-ek hatékonyságát végső soron véges kisugárzási hatékonyság korlátozza, amely általában legfeljebb 20% a kimondottan izotróp kibocsátókkal rendelkező eszközök esetében. Az eddig javasolt különféle kisugárzást fokozó sémák közül , a mikroüreg rezonancián alapuló módszernek előnyei vannak abban, hogy sík geometriát tart fenn mikroszerkezeti vagy lencse alakú szerkezet használata nélkül, így az ebből készült OLED-ek nem szenvednek elektromos rövidzárlattól és optikai hibáktól, amelyek kedvezőtlenek a kijelző alkalmazások szempontjából (például elmosódás, diffrakció stb.), miközben nagy tisztaságú, telített piros (R), zöld (G), kék (B) alapszíneket mutathatnak fokozott hatékonysággal. ,  Gyenge, de még mindig jelentős mikroüreg hatással, az ITO alapú OLED-ek is optimalizálhatók a maximális hatékonyságra, anélkül, hogy optikai pára vagy elmosódás keletkezne, egyszerűen az ITO rétegek vastagságának beállításával; ebben a sémában az elsőrendű, 3 /4 üregkialakítás, ahol   a hullámhosszt jelenti, az üregmód nyitott végével az ITO/hordozó interfészen érhető el. ,  ITO-mentes, grafén alapú OLED-ek esetében azonban a grafén elektródokat nem lehet elég vastagra készíteni az üreg hosszának szabályozásához, ami kihívást jelent a hatékonyság növelése szempontjából a rezonancia hatás révén. 15 16 17 λ λ 18 19 20 Alternatív intézkedésként elhelyezhetünk egy magas törésmutatójú ( H) vékony réteget a grafén rétegek alatt, amint az az   látható, hasonlóan a dielektrikummal fedett vékony fém elektródokhoz. , , ,  Mivel a fény kis fáziskülönbséggel képes áthaladni a grafénen a grafénelektróda alapvető vékony volta miatt, a 3 /4 üregkialakítás kényelmesen elérhető, például a szerves plusz befecskendező rétegek és a magas törésmutatójú réteg optikai vastagságával, amelyek körülbelül 2 /4 és  /4, illetve ( ). Különösen az ' /4 vastag' magas indexű réteg fémmentes, dielektromos tükörként is funkcionál, amely jelentős visszaverődést tesz lehetővé az alsó elektróda összeállításból ( bot) a szerves rétegekből érkező fényre, amint ez a   alján látható grafikonokon megerősíthető. Ez lehetőséget biztosít a grafén alapú OLED-eknek a rezonanciahatás miatti hatékonyságuk növelésére, ami egyébként nem lenne lehetséges. Azt mutatja, hogy az  bot és a vele járó rezonanciaerősítés nő az  H-val ( ). A magas 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 okozta repedése általában alacsonyabb kiindulási feszültségnél keletkezik, nagyobb fizikai vastagsággal.  Egy sikeres magas indexű rétegnek ebben a sémában tehát minél nagyobbnak kell lennie az  H-nak. Ezenkívül átlátszónak kell lennie, és mindenekelőtt nem szabad károsodnia a grafén átviteli folyamat során. Különböző jelöltek közül a szinterezett TiO2 réteg átlátszó a látható spektrumban, és viszonylag magas törésmutatóval rendelkezik ( =2,5). Más általunk próbált magas indexű rétegekkel ellentétben a TiO2 réteg kémiailag ellenálló a grafén átviteli folyamatokkal szemben, amelyek oldószereket használnak, mint például aceton vagy izopropil-alkohol (IPA), lehetővé téve egy kiváló minőségű grafén elektróda képződését rajta ( ). n 1. ábrán 17 20 21 22 λ λ λ 1. ábra λ R 1. ábra c, d R n 1. melléklet ábra n d d 23 n n 2. melléklet ábra   ( ) A javasolt OLED-ek vázlatos eszközszerkezete. ( ) Az általunk vizsgált OLED-ek elektromágneses térintenzitás eloszlása (szaggatott vonalak) az elsőrendű üregkialakításukhoz. A grafén alapú OLED tereintenzitás eloszlása TiO2 nélkül is látható összehasonlítás céljából abban az esetben, ha a szerves rétegek vastagsága megegyezik a TiO2-vel rendelkező, de alacsony indexű HIL-ek nélküli OLED-ekével. ( , ) Számított maximális külső kvantumhatékonyság ( EQE) a grafén alapú OLED-ek esetében TiO2 alsó réteggel, mint a TiO2 és a szerves réteg vastagságának ( TiO2 és  org, illetve) függvényében. A szaggatott vonalak az  EQE 10, 20, 30 vagy 40% -os kontúrvonalait jelölik a grafikonon. ( ) Alacsony indexű HIL nélkül; ( ) GraHIL-lel, mint alacsony indexű HIL-lel. Az egyes esetek alján az alsó elektróda összeállításból (TiO2/grafén/(HIL)) származó visszaverődés ( bot) látható, mint a  TiO2 függvényében, a szerves rétegekből érkező fényre. a b c d η d d η c d R d Érdemes megjegyezni, hogy egy magasabb rendű mikroüreg szerkezet (például másodrendű, 5 /4 üreg) egy vastag szerves rétegen is lehetséges lehet. Ebben a munkában azonban először az elsőrendű üregkialakítást választottuk, mert erősebb Purcell-hatást és kevesebb hullámvezető módot eredményez, mint a magasabb rendű kialakítás, végső soron nagyobb kisugárzási hatékonyságot és EQE-t eredményezve. ,  Az elsőrendű üregkialakítás esetében még mindig kihívások maradtak, mert a kibocsátási zóna ideális helyzete korlátozott az első antinódra a szerves/fém interfésztől, ami megnehezíti az SPP módok csökkentését a hosszabb kibocsátó-fém távolság révén. ,  Az SPP csökkentésére általában használt alternatív módszer a belső hullámos szerkezetek vagy hullámrudak beépítése. , de az elektromos rövidzárlatokkal szembeni tűrőképesség gyakran sérülhet ilyen megközelítésekkel. Az általunk itt alkalmazott módszer egy alacsony törésmutatójú réteg beépítése, amelyről kimutatták, hogy hatékonyan csökkenti az SPP módokat. ,  Szerencsére a GraHIL vagy egy PEDOT:PSS és tetra-fluor-etilén-perfluor-3, 6-dioxa-4-metil-7-okténszulfonsav kopolimer (PFI) által alkotott önszerveződő gradiens lyukbefecskendező réteg, amelyet a szerzők korábban javasoltak és amely nagyon hatékonynak bizonyult a lyukbefecskendezés javításában a grafén alapú OLED-ekben , törésmutatója körülbelül 1,42   = 550 nm-nél ( ), ami jóval alacsonyabb, mint a tipikus szerves rétegek törésmutatója ( =1,8). A magas és alacsony indexű rétegek szinergikus kölcsönhatásával, amelyek a grafén rétegeket szendvicselik, az üregrezonancia hatásának erősítése és az SPP módok csökkentése így egyidejűleg történhet, ami jelentősen növelheti az EQE-t még kisugárzási szerkezetek nélkül is. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ 3. melléklet ábra n  bemutatja az optikai szimulációs eredményeket egy fejlett klasszikus elektromágneses elmélet alapján, amelyet Furno  .  foglalt össze a teljes látható spektrumban, és   = 550 nm-nél. Az formalizmus figyelembe veszi a Purcell-tényezőt, a dipólusorientációs hatást, valamint az SPP és hullámvezető módok gerjesztését. Ezen tényezők átfogó figyelembevétele kritikus a pontos analízishez és a kvantitatív tervezéshez, mivel az alul- vagy túlbecslés akkor fordulhat elő, ha egy egyszerűsített megközelítést használnak, amely nem veszi figyelembe az egyik vagy több hatást (lásd  ;   és   példákkal). Az eredmények azt mutatják, hogy a GraHIL használata újraelosztja a relatív teljesítménytartalmakat a különböző módok között a kisebb síkbeli hullámvektorok felé, így az SPP módokba csatolt teljesítmény csökken, és a kisugárzott részek tovább fokozódnak ( ). A   az is látható, hogy a TiO2 réteg használata a grafén alatt hatékonyan elnyomja a hullámvezetett és szubsztrát módokba csatolt teljesítmény mennyiségét a rezonanciaerősítés révén. Ez a kisugárzási hatékonyság jelentős növekedéséhez vezet, bár az evaneszcens módokba való veszteség is növekszik a transzverzális elektromos hullámvezető módok eltolódása miatt a magasabb normalizált síkbeli hullámvektorok felé ( ). A magas indexű (H) TiO2 és az alacsony indexű (L) GraHIL rétegek kombinált használata ideális helyzetet teremt, ahol a rezonanciaerősítés nagy, de az SPP/evaneszcens módokba való veszteség csökken. Ezenkívül a kombinált használat létrehoz egy helyzetet, amely hasonló a HL-rétegekhez, amelyeket általában rétegelt vékonyrétegű bevonatokhoz használnak , és tovább növeli az  bot-ot ( ), lehetővé téve további erősítést a Fabry–Perot rezonancia hatásában. Ami a javasolt technológiát egyedivé és fejletté teszi a hagyományos technológiákhoz képest, az valóban a magas és alacsony indexű rétegek szinergikus együttműködése, amely lehetővé teszi az optikai menedzsmentet mind a rezonanciahatás, mind az SPP veszteség tekintetében a maximális kisugárzás előnyére; és további rezonanciaerősítés a HL rétegzés révén. A kívánt elektromos tulajdonságokkal (például hatékony lyukbefecskendezés) való alapvető kompatibilitásuk mellett mindezek az optikai előnyök lehetővé teszik, hogy teljes mértékben kiaknázzuk a sík OLED-ekben rejlő rejtett potenciált. Az optikailag elérhető maximális EQE ( EQE (max)) kontúrjai a szerves ( org) és TiO2 vastagság ( TiO2) függvényében a   mutatják, hogy az  EQE (max) elérheti a 44%-ot GraHIL és TiO2 rétegekkel rendelkező eszközökben, míg ez 38%-ra korlátozódna GraHIL nélkül vagy 31%-ra TiO2 nélkül. Az optimális feltételek egy olyan helyzetnek felelnek meg, ahol a  H (H=TiO2) megközelíti a  /(4 H) értékét (55 nm  =550 nm esetén). Megjegyezhető az is, hogy a 44%-os  EQE (max) magasabb, mint amit optimalizált, hagyományos vékony fém alapú üreges OLED-eknél várnánk ugyanazzal a kibocsátóval. Ez annak tulajdonítható, hogy a javasolt architektúra kevésbé van kitéve az abszorpciós veszteségnek és/vagy SPP mód gerjesztésnek a félig átlátszó elektródokon belül (lásd   és   a hagyományos vékony fém alapú üreges OLED-ekkel való összehasonlításhoz). 2. ábra a,b et al 19 λ 4. melléklet ábra 1. melléklet táblázat 1. melléklet jegyzet 5a. melléklet ábra 2. melléklet táblázatban 5b. melléklet ábra 30 R 1. ábra d η d d 1. ábra c,d η d λ n λ η 6. melléklet ábra 3. melléklet táblázat   ( , ) Számított teljesítmény disszipációs spektrum, súlyozva a kibocsátó spektrummal tetszőleges egységekben (színkódolva a színsávokon) a síkbeli hullámvektorral szemben: ( ) TiO2-vel, de GraHIL nélkül; ( ) TiO2-vel és GraHIL-lel is. A fekete szaggatott vonalak jelölik azokat a határvonalakat, amelyek elválasztják a reprezentatív optikai módokat, beleértve a kisugárzott, szubsztrát-konfinált (subs), hullámvezető (wg) és evaneszcens módokat. ( ) Számított teljesítmény disszipáció a normalizált síkbeli hullámvektorral szemben  =550 nm-nél a vizsgált különböző elektróda szerkezeteknél. A TiO2-vel rendelkező eszközöknél a  TiO2 55 nm-re volt rögzítve, és a  org-ot optimális feltételekkel választották meg minden esetben. A TiO2 nélküli eszközöknél a  org értéke megegyezett a TiO2-vel rendelkező párjaikkal. a b a b c λ d d d A gyártott grafén alapú OLED-ek eszköz teljesítménye A fenti szimulációs eredmények alapján zöld OLED-eket gyártottunk foszforeszkáló kibocsátőkkel: bisz(2-(2-piridinil- )fenil-C)(acetilacetonátó)irídium(III) (Ir(ppy)2acac) üveg/anód/(HIL)/OS1/LiF/Al konfigurációban, különböző anód/(HIL) szerkezetekkel: TiO2/grafén/GraHIL; grafén/GraHIL; és ITO (185 nm)/GraHIL, ahol az OS1 egy szerves több-rétegű halmazt jelöl, amelyet a Módszerekben határoztunk meg. A   bemutatott kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a maximális EQE, teljesítményhatékonyság és áramhatékonyság, amelyet a TiO2/grafén/GraHIL alapú eszköz esetében nyertünk, 40,8%, 160,3 lm W−1 és 168,4 cd A−1 volt, míg ezek az értékek 31,7%, 112,6 lm W−1 és 119,0 cd A−1 a grafén/GraHIL alapú eszköz esetében, és 27,4%, 104,3 lm W−1 és 106,2 cd A−1 az ITO/GraHIL alapú eszköz esetében voltak korlátozottak. A megfigyelt magas EQE a TiO2/grafén/GraHIL alapú eszközben megerősíti mind a TiO2, mind a GraHIL rétegek szinergikus szerepét, és összhangban van a szimulációs eredményekkel. Egy félgömb lencsével, amely optikailag csatlakozik a hordozó hátuljához, a TiO2/grafén/GraHIL alapú eszköz EQE, teljesítményhatékonyság és áramhatékonyság tekintetében 64,7%, 250,4 lm W−1 és 257,0 cd A−1 értéket mutatott, tovább illusztrálva a javasolt grafén alapú OLED-ek ígéretes potenciálját. Ezután tovább kiterjesztettük a javasolt sémát egy tandem, többcsatlakozású OLED-re, amelyben a nettó EQE javul (a feszültség rovására), mivel végül az egyes OLED-ek EQE összegeként adódik meg. N 3. ábrán

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 grafén és titán-dioxid segítségével ultrahatékony, rugalmas képernyőmegjelenítéseket tárnak fel

About Author

HOZZÁSZÓLÁSOK

HANG TAGOK

EZT A CIKKET BEMUTATTA

Related Stories

THE LAST DAY OF NEW YORK

THE HABITS OF INSECTS IN RELATION TO THE FERTILISATION OF FLOWERS

Of The First and Last Things: Part 4

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

THE HABITS OF INSECTS IN RELATION TO THE FERTILISATION OF FLOWERS

Of The First and Last Things: Part 4

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

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps