```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 váltak a következő generációs kijelzők és világítási rendszerek kulcsfontosságú elemévé, elsősorban a rendkívül rugalmas fényforrások ígérete miatt. Mindazonáltal hatékonyságuk legfeljebb a hagyományos, indium-tin-oxid alapú társaikéval volt egyenértékű. Itt egy ideális elektróda-struktúrát javaslunk, amely a nagy törésmutatójú TiO₂ rétegek és az alacsony törésmutatójú, lyuk-injektáló rétegek szinergikus kölcsönhatásán alapul, amelyek a grafén elektródokat szendvicsszerűen fogják közre. Ezáltal az üreges rezonancia 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% (egy-, illetve több-csatlakozású eszközök esetén félgömb alakú lencsével 64,7% és 103%). A műanyagra épített OLED-ek ezekkel az elektródokkal 2,3 mm sugarú kör mentén ismételten hajlíthatók, részben a TiO₂ rétegeknek köszönhetően, amelyek a repedés-eltérítési edzés révén akár 4%-os hajlítószilárdságot is kibírnak. Bevezetés Az olyan formai előnyök, mint a rugalmasság és a nyújthatóság, nagy figyelmet kaptak a szerves fénykibocsátó diódák (OLED-ek) iránt az új típusú eszközökben, mint például a viselhető, tekercselhető vagy összecsukható kijelzők, amelyek mobilitást, deformálhatóságot és/vagy nyújthatóságot 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 bevonat fejlesztése . Az ilyen nagy rugalmasságú kijelzők szempontjából egy másik fontos szempont az átlátszó elektródok (TE-k) keresése, amelyek helyettesíthetik az indium-tin-oxid (ITO) elektródokat, amelyek általában korlátozott rugalmassággal és a magas kereslethez/vagy instabil kínálathoz kapcsolódó lehetséges költségproblémákkal küzdenek . Ebben a tekintetben számos rugalmas átlátszó elektród típust, mint például fém nanohuzalokat, szén alapú anyagokat (például szén nanocsöveket vagy grafént), valamint fémrácsokat más TE típusokkal kombinálva javasoltak OLED-ekhez , , , , , . Ezek közül a grafén – egy atomi szinten vékony, sp²-hibridizált szénatomokból álló réteg – ígéretesnek tekinthető, mivel annak egyedi vékony szerkezete és kiváló elektromos jellemzői révén ideális átlátszó elektródok várhatók, amelyek alacsony vagy nulla optikai ködösséggel, a durvaság okozta elektromos rövidzárlatot és degradációt megelőző sima felületi topológiával, nagy áteresztőképességgel, alacsony felületi ellenállással és nagyfokú rugalmassággal rendelkeznek egyidejűleg , . A kiváló minőségű grafén könnyű előállítása nagy méretű műanyag szubsztrátumokon nemrégiben igazolódott átlátszó elektródokhoz tömeggyártással kompatibilis módszerekkel az ipari szektorban, demonstrálva gyakorlati életképességüket , . Mind az egyrétegű (SLG), mind a többrétegű grafén (MLG) teljesítménye megfelelőnek bizonyult TE-ként OLED-ekben , . Különösen hatékony grafén alapú OLED-eket értek el lyuk-injektáló rétegek (HIL) segítségével, amelyek viszonylag alacsony, 4,5 eV körüli munkafunkciójuk leküzdésére szolgálnak. Ilyen injektáló rétegek közé tartoznak a gradiens elektronikus tulajdonságokkal rendelkező vezető polimerek, az úgynevezett önszerveződő gradiens HIL (GraHIL) , valamint a vékony MoO₃ puffer rétegek, amelyeket a pol(3,4-etiléndioxi-tiofén):polisztirol-szulfonát (PEDOT:PSS) vezető polimerekkel  kombináltak. Ennek ellenére ezeknek a legmodernebb grafén alapú OLED-eknek a teljesítményhatékonysága és külső kvantumhatékonysága (EQE) továbbra is az ITO alapú OLED-ekkel volt egyenértékű, hacsak nem használtak egy terjedelmes félgömb alakú lencsét a kiáramlás fokozására . A lehető legmagasabb hatékonyság biztosítása különösen fontos a nagy hordozhatóságú vagy viselhető alkalmazásokhoz használt rugalmas kijelzők esetében, mivel ezek gyakran akkumulátorokra kénytelenek támaszkodni, amelyek korlátozott méretük, súlyuk vagy formai tényezőik miatt meglehetősen korlátozott energia kapacitással rendelkeznek. Ez szükségessé teszi egy olyan eszközarchitektúra kifejlesztését, 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 formai előnyeit. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 Ennek érdekében itt egy egyszerű elektróda-architektúrát vizsgálunk, amely nagy törésmutatójú TiO₂ rétegeken és alacsony törésmutatójú HIL-eken alapul, amelyek a grafén elektródokat fogják közre. Az optikai kialakítás, amely teljes mértékben kihasználja a magas és alacsony törésmutatójú rétegek közötti szinergikus együttműködést, amelyek mind a rezonanciaerősítést, mind a felületi plazmon-polariton (SPP) veszteséget szabályozzák, a javasolt grafén alapú OLED-ek példátlanul magas EQE-t mutatnak azokban, amelyek grafént használnak átlátszó elektródként. Ezenkívül rendkívül magas TiO₂ ellenállást fedeztek fel a hajlítószilárdsággal szemben, amely lehetővé teszi olyan műanyag OLED-ek gyártását, amelyek nemcsak hatékonyak, hanem rendkívül rugalmasak is. Eredmények Nagy hatékonyságú grafén alapú OLED-ek optikai tervezése Az OLED-ek hatékonyságát végső soron a véges kiáramlási hatékonyság korlátozza, amely általában legfeljebb 20% izotróp kibocsátókkal rendelkező eszközök esetében. A különféle eddig javasolt kiáramlási erősítő rendszerek  közül a mikroüreg rezonancián alapuló módszernek az az előnye, hogy sík geometriát tart fenn mikroszerkezetek vagy lencse alakú szerkezetek használata nélkül, így az ebből készült OLED-ek nem szenvednek elektromos rövidzárlatoktól és optikai hibáktól, amelyek kedvezőtlenek a kijelző alkalmazások szempontjából (pl. elmosódás, diffrakció stb.), ugyanakkor rendkívül tiszta, telített vörös (R), zöld (G), kék (B) alapszíneket és megnövelt hatékonyságot mutathatnak , . 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 sémasban az elsőrendű, 3λ/4 üreg kialakítás, ahol λ a hullámhosszt jelöli, az üregmód nyitott végével az ITO/szubsztrát interfészen érhető el , . ITO-mentes, grafén alapú OLED-ek esetében azonban a grafén elektródok nem lehetnek elég vastagok az üreg hosszának szabályozásához, ami kihívást jelent a hatékonyság rezonanciahatás általi növeléséhez . 15 16 17 18 19 20 Alternatív megoldásként elhelyezhetünk egy nagy törésmutatójú (nH) vékony réteget a grafén rétegek alatt, ahogy az az 1. ábra (a) pontjában látható, hasonlóan a dielektrikummal bevont vékony fém elektródokhoz , , , . Mivel a fény kis fáziskülönbséggel tud áthaladni a grafénen a grafén elektróda belső vékony volta miatt, a 3λ/4 üreg kialakítás kényelmesen elérhető, például a szerves és az injektáló rétegek, valamint a nagy törésmutatójú réteg optikai vastagságát megközelítőleg 2λ/4, illetve λ/4 értékre állítva (1. ábra (b)). Különösen az 'λ/4 vastag' magas törésmutatójú réteg fémmentes, dielektrikum tükörként is funkcionál, amely jelentős visszaverődést tesz lehetővé az alsó elektróda összeállításból (Rbot) a szerves rétegekből érkező fény számára, amint az az 1. ábra (c), (d) pontjában látható grafikonokon megerősíthető. Ez lehetővé teszi a grafén alapú OLED-ek számára, hogy a rezonanciahatás révén növeljék hatékonyságukat, ami más módon nem lenne lehetséges. Látható, hogy az Rbot és a vele járó rezonanciaerősítés nő az nH értékkel ( ). A magas törésmutató a rugalmasság szempontjából is előnyös, mivel a kívánt optikai vastagság (nHdH) alacsony fizikai vastagsággal (dH) érhető el, és mert egy adott film hajlítás okozta repedése általában alacsonyabb küszöb-erőfeszítésnél alakul ki nagyobb fizikai vastagságnál . Egy ilyen séma sikeres, magas törésmutatójú rétegének tehát minél nagyobb az nH értéke. Ezenkívül átlátszónak kell lennie, és mindenekelőtt nem szabad megsérülnie az adott grafén átviteli folyamat során. Különféle jelöltek közül a szinterezett TiO₂ réteg átlátszó a látható spektrális tartományban, és viszonylag magas törésmutatóval rendelkezik (n=2,5). Más általunk próbált magas törésmutatójú rétegekkel ellentétben a TiO₂ réteg kémiai ellenállása robusztus a grafén átviteli folyamatokkal szemben, amelyek oldószert, például acetont vagy izopropil-alkoholt (IPA) használnak, lehetővé téve egy kiváló minőségű grafén elektróda képződését a tetején ( ). 17 20 21 22 1. kiegészítő ábra 23 2. kiegészítő ábra   ( ) A javasolt OLED-ek schematikus eszközszerkezete. ( ) Az általunk vizsgált OLED-ek elektromágneses mező intenzitásának eloszlása (szaggatott vonalak) a megfelelő elsőrendű üreg kialakításukhoz. A grafén alapú OLED mezőintenzitás-eloszlása TiO₂ nélkül is látható összehasonlítás céljából abban az esetben, ha a szerves rétegek vastagsága megegyezik a TiO₂-t tartalmazó, de alacsony törésmutatójú HIL nélküli OLED-ekével. ( , ) A TiO₂ alsó rétegű grafén alapú OLED-ek kiszámított maximális külső kvantumhatékonysága (ηEQE) a TiO₂ és a szerves réteg vastagságának (dTiO₂ és dorg, ill.) függvényében. A szaggatott vonalak a 10, 20, 30 vagy 40%-os ηEQE kontúrjait jelölik a grafikonon. ( ) Alacsony törésmutatójú HIL nélkül; ( ) GraHIL-lel mint alacsony törésmutatójú HIL-lel. Az egyes esetek alján az alsó elektróda összeállítás (TiO₂/grafén/(HIL)) visszaverődése (Rbot) látható a szerves rétegekből érkező fény dTiO₂-től való függésében. a b c d c d Érdemes megjegyezni, hogy egy magasabb rendű mikroüreg szerkezet (például másodrendű, 5λ/4 üreg) vastag szerves rétegek alapján is lehetséges. Ebben a munkában azonban először az elsőrendű üreg kialakítást választottuk, mert erősebb Purcell-hatást és kevesebb hullámvezető módot eredményez, mint a magasabb rendű kialakítás, ami végső soron nagyobb kiáramlási hatékonyságot és EQE-t eredményez , . Az elsőrendű üreg kialakításával kapcsolatban továbbra is kihívások merülnek fel, mert a kibocsátási zóna ideális helye korlátozott a szerves/fém interfésztől számított első antinódusra, ami megnehezíti az SPP módok csökkentését a hosszabb kibocsátó-fém távolság révén , . Az SPP csökkentésére általában használt alternatív módszerek közé tartozik a belső hullámos szerkezetek vagy hullámzások beépítése , de az elektromos rövidzárlatokkal szembeni tűrés gyakran sérülhet az ilyen megközelítések miatt. Az általunk alkalmazott módszer egy alacsony törésmutatójú réteg beépítése, amelyről kimutatták, hogy hatékonyan csökkenti az SPP módokat , . Szerencsére a GraHIL vagy a PEDOT:PSS és a tetra-fluoretilén-perfluor-3,6-dioxa-4-metil-7-okténszulfonsav kopolimer (PFI) által alkotott önszerveződő gradiens lyuk-injektáló réteg, amelyet a szerzők korábban javasoltak, és amely nagyon hatékonynak bizonyult a lyuk injekció javításában grafén alapú OLED-ekben , 550 nm hullámhosszon körülbelül 1,42 törésmutatóval rendelkezik ( ), ami sokkal alacsonyabb, mint a tipikus szerves rétegek törésmutatója (n=1,8). A magas és alacsony törésmutatójú rétegek szendvicsszerűen közrefogott grafén rétegekkel való szinergikus kölcsönhatása révén tehát egyidejűleg megvalósítható az üreg rezonanciahatásának fokozása és az SPP módok csökkentése, így az EQE jelentősen növelhető kiáramlás-szerkezetek nélkül is. 24 25 25 26 27 28 29 13 3. kiegészítő ábra  a Furno   által összefoglalt fejlett klasszikus elektromágneses elméleten alapuló optikai szimulációs eredményeket mutatja be a teljes látható spektrális tartományban, valamint 550 nm hullámhosszon. A formalizmus figyelembe veszi a Purcell-tényezőt, a dipólusorientációs hatást, valamint az SPP és a hullámvezető módok gerjesztését. Mindezeknek a tényezőknek a teljes körű figyelembevétele kritikus a pontos elemzéshez és a kvantitatív tervezéshez, mivel az alul- vagy túlértékelés akkor következhet be, ha egy egyszerűsített megközelítést használnak, amely nem veszi figyelembe az egyik vagy több ilyen hatást (lásd  ;   és   példákkal). Az eredmények arra utalnak, hogy a GraHIL használata átkonfigurálja a relatív teljesítménytartalmakat a különböző módok között a kisebb síkbeli hullámvektorok felé, ezáltal csökken az SPP módokba csatolt teljesítmény, és tovább növekszik a kiáramló részek ( ). A   az is látható, hogy a grafén alatti TiO₂ réteg használata hatékonyan elnyomja a hullámvezető és szubsztrát módokba csatolt teljesítmény mennyiségét a rezonanciaerősítés révén. Ez jelentős növekedést eredményez a kiáramlási hatékonyságban, bár az evaneszcens módok vesztesége is növekszik a transzverzális-elektromos hullámvezető módok magasabb normalizált síkbeli hullámvektorok felé történő eltolódása miatt ( ). A magas törésmutatójú (H) TiO₂ és az alacsony törésmutatójú (L) GraHIL rétegek kombinált használata olyan ideális helyzetet eredményez, ahol a rezonanciaerősítés nagy, ugyanakkor az SPP/evaneszcens módok vesztesége csökken. Ezenkívül a kombinált használat hasonló helyzetet teremt a HL-rétegsorokhoz, amelyeket általában több rétegű vékonyrétegű bevonatokhoz használnak , és még tovább növeli az Rbot-ot ( ), ami további erősítést tesz lehetővé a Fabry–Perot rezonanciahatásban. Ami a javasolt technológiát egyedivé és fejlettebbé teszi a hagyományos technológiákhoz képest, az éppen e magas és alacsony törésmutatójú rétegek közötti szinergikus együttműködés, amely lehetővé teszi mind a rezonanciahatás, mind az SPP veszteség optikai kezelését a maximális kiáramlás előnyére; és további rezonanciaerősítés a HL-rétegsorozaton keresztül. A kívánt elektromos tulajdonságokkal (pl. hatékony lyukinjekció) való natív kompatibilitásukkal együtt mindezek az optikai előnyök lehetővé teszik a sík OLED-ek által kínált rejtett potenciál teljes kiaknázását. Az organikus (dorg) és a TiO₂ (dTIO₂) vastagság függvényében számított optikailag elérhető maximális EQE (ηEQE(max)) kontúrjai az 1. ábra (c), (d) pontjaiban láthatók, és azt mutatják, hogy ηEQE(max) elérheti a 44%-ot mind GraHIL-lel, mind TiO₂ réteggel rendelkező eszközökben, míg ez GraHIL nélkül 38%-ra, vagy TiO₂ nélkül 31%-ra korlátozódna. Az optimális feltételek olyan helyzethez felelnek meg, ahol dH (a TiO₂ esetében) közel van a λ/(4nH)-hez (55 nm λ=550 nm esetén). Megjegyezhető az is, hogy az ηEQE(max) 44% magasabb, mint a hasonló kibocsátóval rendelkező, optimalizált, hagyományos vékony fém alapú üreges OLED-eknél várható érték. Ez annak tulajdonítható, hogy a javasolt architektúra kevésbé van kitéve a foton abszorpció és/vagy SPP mód gerjesztés veszteségeinek a félig átlátszó elektródokon belül (lásd   és   összehasonlításként a hagyományos vékony fém alapú üreges OLED-ekkel). 2. ábra (a), (b) et al. 19 4. kiegészítő ábra 1. kiegészítő táblázat 1. kiegészítő megjegyzés 5. kiegészítő ábra (a) 2. kiegészítő táblázatból 5. kiegészítő ábra (b) 30 1. ábra (d) 6. kiegészítő ábra 3. kiegészítő táblázat   ( , ) A kibocsátási spektrummal súlyozott kisugárzott teljesítmény (tetszőleges egységben, a színskála szerint színezve) eloszlása a síkbeli hullámvektor függvényében: ( ) TiO₂-vel, de GraHIL nélkül; ( ) TiO₂-vel és GraHIL-lel is. A fekete szaggatott vonalak a képviselő optikai módokat felosztó határvonalakat jelölik, beleértve a kiáramlott, szubsztrát-konfinált (subs), hullámvezető (wg) és evaneszcens módokat. ( ) Kiszámított disszipált teljesítmény a normalizált síkbeli hullámvektor függvényében 550 nm hullámhosszon a vizsgált különböző elektróda-szerkezetek esetében. A TiO₂-t tartalmazó eszközök esetében a dTiO₂ 55 nm-re volt rögzítve, és a dorg-ot az optimális feltételeknek megfelelően választottuk meg. A TiO₂ nélküli eszközök esetében a dorg értéke megegyezett a TiO₂-t tartalmazó megfelelő eszközökkel. a b a b c Gyártott grafén alapú OLED-ek eszköz teljesítménye A fenti szimulációs eredmények alapján zöld OLED-eket gyártottunk foszforeszkáló kibocsátókkal: bis(2-(2-piridinil-N)fenil-C)(acetilacetonát) iridium (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 a Módszerekben meghatározott szerves több-rétegű rendszert jelöli. A 3. ábrán bemutatott kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a TiO₂/grafén/GraHIL alapú eszköz esetében elért maximális EQE, teljesítményhatékonyság és áramhatékonyság 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-re korlátozódtak 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. A TiO₂/grafén/GraHIL alapú eszközben megfigyelt magas EQE megerősíti mind a TiO₂, mind a GraHIL rétegek szinergikus szerepét, és összhangban van a szimulációs eredményekkel. Egy félgömb alakú lencsével, amely optikailag csatlakoztatva van a szubsztrát hátuljához, a TiO₂/grafén/GraHIL alapú eszköz 64,7% EQE-t, 250,4 lm W⁻¹ teljesítményhatékonyságot és 257,0 cd A⁻¹ áramhatékonyságot mutat, tovább illusztrálva a javasolt grafén alapú OLED-ek ígéretes potenciálját. Ezután kiterjesztettük a javasolt sémat egy tandem, több-csatlakozású OLED-re, amelyben a nettó EQE javul (a feszültség rovására), mert végső soron az egyedi OLED-ek EQE-jeinek összegeként adódik ; ez a megközelítés népszerű, mivel a javított EQE általában hosszabb működési élettartamot eredményez . A TiO₂/grafén/GraHIL alapú több-csatlakozás 31 32

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 fejlesztettek grafén és titán-dioxid felhasználásával

About Author

HOZZÁSZÓLÁSOK

HANG TAGOK

EZT A CIKKET BEMUTATTA

Related Stories

From Desk to HackerNoon: Your Ultimate Guide on How to Publish a Story

Találkozz Hubstaff: HackerNoon a hét társasága

Of The First and Last Things: Part 4

A SECOND ENIGMA

From Desk to HackerNoon: Your Ultimate Guide on How to Publish a Story

Találkozz Hubstaff: HackerNoon a hét társasága

Of The First and Last Things: Part 4

A SECOND ENIGMA

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps