```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 Összefoglaló A grafén alapú szerves fénykibocsátó diódák (OLED-ek) a közelmúltban kulcsfontosságú elemekké váltak a következő generációs kijelzők és világítási rendszerek terén, főként a rendkívül rugalmas fényforrások ígérete miatt. Mindazonáltal hatékonyságuk legfeljebb a hagyományos, indium-tin-oxid alapú társaikéval volt egyenértékű. Itt egy ideális elektróda-struktúrát javasolunk, amely a magas indexű TiO₂ rétegek és az alacsony indexű lyukbefecskendező rétegek szinergikus kölcsönhatásán alapul, amelyek a grafénelektródokat szendvicsszerűen fogják közre. Ez ideális helyzetet teremt, ahol az üreges rezonanciával történő erősítés maximalizálódik, ugyanakkor a felületi plazmon poláritonok vesztesége mérséklődik. A javasolt megközelítés olyan OLED-ekhez vezet, amelyek rendkívül magas, 40,8 és 62,1%-os külső kvantumhatékonysággal (egy félgömb lencsével 64,7 és 103%) bírnak egy- és több-csatlakozású eszközök esetében. A műanyagra készített OLED-ek ezekkel az elektródákkal ismételten hajlíthatók 2,3 mm-es sugáron, részben a TiO₂ rétegeknek köszönhetően, amelyek akár 4%-os hajlítószilárdságot is kibírnak a repedéseltérítéses edzés révén. Bevezetés Az olyan alaki előnyök, mint a rugalmasság és a nyújthatóság, nagy figyelmet fordítottak a szerves fénykibocsátó diódákra (OLED-ekre) az új eszköztípusok, például a viselhető, tekercselhető vagy összehajtható kijelzők terén, 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 bevonatok fejlesztése . További fontos szempont a rendkívül rugalmas kijelzők esetében az átlátszó elektródok (TE-k) keresése, amelyek helyettesíthetik az indium-tin-oxid (ITO) elektródokat, amelyek általában korlátozott rugalmassággal és potenciális költségi problémákkal küzdenek a magas kereslet és/vagy a bizonytalan kínálat miatt . Ebben a tekintetben több rugalmas átlátszó elektródtípust, mint például fém nanohuzalokat, szén alapú anyagokat (például szén nanocsöveket vagy grafént) és más típusú TE-kkel párosított fémes rácsokat javasoltak OLED-ekhez , , , , , . Ezek közül a grafén – egy atomi vastagságú, sp²-hibridizált szénatomokból álló réteg – ígéretesnek tekinthető, mivel az inherent vékony és kiváló elektromos tulajdonságainak egyedi kombinációja révén ideális átlátszó elektródokat várnak tőle, amelyek alacsony vagy nulla optikai ködösséggel, sima felületi topológiával (megakadályozva a durvaság által kiváltott elektromos rövidzárlatot és degradációt), magas átvitellel, alacsony felületi ellenállással és nagy rugalmassággal rendelkeznek egyszerre , . A kiváló minőségű grafén egyszerű előállítása nagyméretű műanyag hordozókon a közelmúltban igazolódott az iparágak által tömeggyártás-kompatibilis módszerekkel, bizonyítva gyakorlati életképességüket , . Mind az egyrétegű (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, amelyek viszonylag alacsony, kb. 4,5 eV munkafunkciójukat hivatottak ellensúlyozni. Ilyen befecskendező rétegek közé tartoznak az olyan vezető polimerek, amelyek gradiens elektronikus tulajdonságokkal rendelkeznek, mint az ön-szerveződő gradiens HIL (GraHIL) , és a vezető polimerekkel, mint a poli(3,4-etiléndioxitiofén):polisztirol-szulfonát (PEDOT:PSS) , párosított vékony MoO₃ puffer rétegek. Ennek ellenére ezeknek a csúcstechnológiás grafén alapú OLED-eknek az energiahatékonysága és külső kvantumhatékonysága (EQE) továbbra is az ITO alapú OLED-ekkel volt egyenértékű, hacsak nem használtak egy nagyméretű félgömb lencsét a kimeneti kioltás fokozására . A lehető legmagasabb hatékonyság biztosítása különösen fontos a nagymértékben hordozható vagy viselhető alkalmazásokhoz használt rugalmas kijelzők esetében, mivel ezek gyakran akkumulátorokra kell, hogy támaszkodjanak, amelyek méret-, súly- vagy alaki korlátok miatt korlátozott energia kapacitással rendelkeznek. Ez szükségessé teszi egy olyan eszközarchitektúra fejlesztését, amely maximalizálja a grafén alapú OLED-ek hatékonyságát. Fő kihívást jelent egy olyan szerkezet vagy módszertan kidolgozása, amely kioldja a teljes optikai potenciáljukat, miközben a lehető legjobban megőrzi a grafén alaki 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 magas indexű TiO₂ rétegeken és alacsony indexű HIL-eken alapul, amelyek a grafénelektródokat szendvicsszerűen fogják közre. Az optikai kialakítás révén, amely teljes mértékben kihasználja a magas és alacsony indexű rétegek szinergikus együttműködését, amelyek mind a rezonanciaerősítést, mind a felületi plazmon poláriton (SPP) veszteséget szabályozzák, a javasolt grafén alapú OLED-ek példátlanul magas EQE-t mutatnak a grafént átlátszó elektródként használóknál. Ezenkívül a TiO₂ szokatlanul magas ellenállása a hajlítószilárdsággal szemben lehetővé teszi a műanyag OLED-ek fejlesztését, amelyek nemcsak hatékonyak, hanem rendkívül rugalmasak is. Eredmények Magas hatékonyságú grafén alapú OLED-ek optikai kialakítása Az OLED-ek hatékonyságát végső soron egy véges kimeneti hatékonyság korlátozza, amely általában legfeljebb 20% az izotróp kibocsátókkal rendelkező eszközök esetében. Az eddig javasolt számos kimeneti erősítési séma közül , a mikrokavitetás rezonancián alapuló módszer előnyökkel jár, mivel sík geometriát tart fenn mikro/nano szerkezetek vagy lencse alakú szerkezetek használata nélkül, így az ebből készült OLED-ek nem szenvednek rövidzárlattól és optikai műtermektől, amelyek hátrányosak a kijelző alkalmazások szempontjából (például elmosódás, diffrakció stb.), de a fokozott hatékonysággal nagy tisztaságú, telített vörös (R), zöld (G), kék (B) alapszíneket képesek megjeleníteni , . Gyenge, de még mindig jelentős mikrokavitetás hatással az ITO alapú OLED-ek is optimalizálhatók a maximális hatékonyság érdekében anélkül, hogy bármilyen optikai ködösséget vagy elmosódást okoznának, egyszerűen az ITO rétegek vastagságának beállításával; ebben a sémában az elsőrendű, 3 /4 kavitetás kialakítás, ahol *λ* a hullámhosszt jelenti, a kavitetás mód nyitott végével az ITO/hordozó interfészénél valósul meg , . Az ITO-mentes, grafén alapú OLED-ek esetében azonban a grafénelektródok nem lehetnek elég vastagok a kavitetás hosszának szabályozásához, ami kihívást jelent a hatékonyság rezonanciahatás révén történő növeléséhez . 15 16 17 λ 18 19 20 Alternatív megoldásként egy vékony, magas törésmutatójú (nH) réteget lehet elhelyezni a grafén rétegek alatt, ahogy az az 1. ábrán látható , hasonlóan a dielektrikummal fedett vékony fém elektródokhoz , , , . Mivel a fény a grafénen kevés fáziskülönbséggel képes áthaladni a grafénelektród inherent vékony volta miatt, a 3 /4 kavitetás kialakítás kényelmesen elérhető, például a szerves és befecskendező rétegek, valamint a magas törésmutatójú réteg optikai vastagságával, amely körülbelül 2 /4 és *λ*/4 . Különösen az „*λ*/4 vastag” magas indexű réteg fémmentes, dielektromos tükörként is funkcionál, amely jelentős visszaverődést biztosít az alsó elektróda összeállításról (Rbot) a szerves rétegekből érkező fény esetében, ahogy az az 1. ábra  alján található grafikonokon látható. Ez lehetőséget nyújt a grafén alapú OLED-ek hatékonyságának növelésére a rezonanciahatás révén, ami máskülönben nem lenne lehetséges. Látható, hogy az Rbot és az ezzel járó rezonanciaerősítés növekszik az nH-val ( ). A magas törésmutató rugalmasság szempontjából is előnyös, mivel a kívánt optikai vastagság (nHdH) alacsony fizikai vastagsággal (dH) érhető el, és mivel egy adott réteg hajlítás által kiváltott repedése általában alacsonyabb kiindulási szilárdságnál keletkezik, nagyobb fizikai vastagság mellett . Egy sikeres magas indexű rétegnek ebben a sémában tehát minél nagyobb nH-val kell rendelkeznie. Ezenkívül átlátszónak kell lennie, és mindenekelőtt nem szabad károsodnia az adott grafén átviteli folyamat során. Különféle jelöltek közül a szinterezett TiO₂ réteg átlátszó a látható spektrumban, és viszonylag magas a törésmutatója (n=2,5). Ellentétben más általunk kipróbált magas indexű rétegekkel, a TiO₂ réteg ellenállónak bizonyult a grafén átviteli folyamatai során használt oldószerekkel, például acetonnal vagy izopropil-alkohollal (IPA) szemben, lehetővé téve egy kiváló minőségű grafénelektród képződését rajta ( ). a 17 20 21 22 λ λ b c,d 1. kiegészítő ábra 23 2. kiegészítő ábra   ( ) A javasolt OLED-ek vázlatos eszközszerkezete. ( ) Az általunk vizsgált OLED-ek elektromágneses térintenzitásának eloszlása (szaggatott vonalak) az adott elsőrendű kavitetás kialakításukhoz. A TiO₂ nélküli grafén alapú OLED térintenzitásának eloszlása is látható összehasonlítás céljából abban az esetben, ha az organikus rétegek vastagsága megegyezik a TiO₂-vel, de alacsony indexű HIL nélküli OLED-ek esetében. ( , ) Számított maximális külső kvantumhatékonyság (ηEQE) a TiO₂ alatti réteggel rendelkező grafén alapú OLED-eknél a TiO₂ és az organikus réteg vastagságától (dT iO₂ és dorg, illetve) függően. A szaggatott vonalak a ηEQE 10, 20, 30 vagy 40% -os kontúrjait jelölik a grafikonon. ( ) Alacsony indexű HIL nélkül; ( ) GraHIL-lel, mint alacsony indexű HIL-lel. Mindkét esetben az alsó részen látható a TiO₂/grafén/(HIL) alsó elektróda összeállítás visszaverődése (Rbot) a szerves rétegekből érkező fény szempontjából. a b c d c d Érdemes megjegyezni, hogy egy magasabb rendű mikrokavitetás szerkezet (például másodrendű, 5 /4 kavitetás) is lehetséges egy vastag szerves réteg alapján. Ebben a munkában azonban először az elsőrendű kavitetás kialakítását választottuk, mert erősebb Purcell-hatást és kevesebb hullámvezető módot eredményez, mint a magasabb rendű kialakítás, ami végső soron nagyobb kimeneti hatékonyságot és EQE-t eredményez , . Az elsőrendű kavitetás kialakításánál még mindig kihívások merülnek fel, mert a kibocsátási zóna ideális helye korlátozott az első antinódra a szerves/fém interfésztől, ami megnehezíti az SPP módok csökkentését a hosszabb kibocsátó-fém távolság révén , . Az SPP csökkentésére általánosan használt alternatív módszer a belső hullámos szerkezetek vagy hullámzások beépítése , de az elektromos rövidzárlatokkal szembeni tűrőképesség gyakran sérül az ilyen megközelítések miatt. Az általunk itt alkalmazott módszer egy alacsony törésmutatójú réteg beépítése, amelyről kimutatták, hogy hatékonyan csökkenti az SPP módokat , . Szerencsére a GraHIL vagy egy ön-szerveződő gradiens lyukbefecskendező réteg, amely PEDOT:PSS-ből és tetra-fluoretilén-perfluoro-3, 6-dioxa-4-metil-7-okténszulfonsav kopolimerből (PFI) áll, amelyet a szerzők korábban javasoltak, és amely nagyon hatékony a grafén alapú OLED-ekben a lyukbefecskendezés javításában , törésmutatója körülbelül 1,42 *λ*=550 nm-en ( ), ami sokkal alacsonyabb, mint a tipikus szerves rétegeké (n=1,8). A magas indexű (H) TiO₂ és az alacsony indexű (L) GraHIL rétegek szinergikus kölcsönhatásával tehát a kavitetás rezonanciahatásának erősítése és az SPP módok csökkentése egyidejűleg történhet, így az EQE jelentősen növelhető még kimeneti szerkezetek nélkül is. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 3. kiegészítő ábra  a Furno *et al.* által összefoglalt fejlett klasszikus elektromágneses elméleten alapuló optikai szimulációs eredményeket mutatja be  a teljes látható spektrumban, valamint *λ*=550 nm-en. A formalizmus figyelembe veszi a Purcell-faktort, a dipólus orientációs hatást, valamint az SPP és a hullámvezető módok gerjesztését. Mindezeknek a tényezőknek a teljes körű figyelembevétele kritikusnak bizonyul a pontos elemzéshez és a kvantitatív tervezéshez, mivel alul- vagy túlbecslés következhet be, ha egy egyszerűsített megközelítést használunk, amely nem veszi figyelembe egy vagy több ilyen hatást (lásd  ;   és   példákkal). Az eredmények azt mutatják, hogy a GraHIL használata újraelosztja a relatív teljesítménytartalmakat a különböző módok között, kisebb síkbeli hullámvektorok felé, oly módon, hogy az SPP módokba csatolt teljesítmény csökken, és a kimenő részek tovább erősödnek ( ). A   szintén látható, hogy a grafén alatti TiO₂ réteg használata hatékonyan elnyomja a hullámvezető és szubsztrátum módokba csatolt teljesítmény mennyiségét a rezonanciaerősítés révén. Ez jelentős növekedést eredményez a kimeneti hatékonyságban, bár az éterikus módokba történő veszteség is növekszik a transzverzális-elektromos hullámvezető módok magasabb normalizált síkbeli hullámvektorok felé történő eltolódása miatt ( ). A magas indexű (H) TiO₂ és az alacsony indexű (L) GraHIL rétegek kombinált használata olyan ideális helyzetet teremt, ahol a rezonanciaerősítés nagy, ugyanakkor az SPP/éterikus módokba történő veszteség mérséklődik. Ezenkívül a kombinált használat hasonló helyzetet teremt a HL-kötegekhez, amelyeket általában többrétegű vékonyréteg-bevonatokhoz használnak , és még tovább növeli az Rbot-ot ( ), lehetővé téve a Fabry–Perot rezonanciahatás további erősítését. Ami a javasolt technológiát egyedivé és fejletté teszi a hagyományos technológiákhoz képest, az éppen e magas és alacsony indexű rétegek szinergikus együttműködése, amely lehetővé teszi mind a rezonanciahatás, mind az SPP-veszteség optikai kezelését a maximális kimenet előnyeinek kihasználása érdekében; és további rezonanciaerősítés a HL-kötegelés révén. Az elfogadható elektromos tulajdonságokkal (például hatékony lyukbefecskendezés) való natív kompatibilitásukkal együtt mindezek az optikai előnyök lehetővé teszik a sík OLED-ek rejtett potenciáljának teljes kioldását, amit azok valóban kínálhatnak. Az optikailag elérhető maximális EQE (ηEQE (max)) kontúrjai a szerves (dorg) és a TiO₂ vastagság (dT iO₂) függvényében az 1. ábra  szerint mutatják, hogy a ηEQE (max) akár 44%-os is lehet GraHIL-lel és TiO₂ rétegekkel rendelkező eszközökben, míg GraHIL nélkül 38%-ra, vagy TiO₂ nélkül 31%-ra korlátozódna. Az optimális feltételek a dH (ahol H a TiO₂)-vel közelítenek a *λ*/(4nH) (55 nm *λ*=550 nm-re) értékhez. Megjegyezhető az is, hogy a ηEQE (max) 44%-a magasabb, mint az azonos kibocsátóval rendelkező optimalizált, hagyományos vékonyfém alapú kavitetásos OLED-eknél várható. Ez annak a ténynek tulajdonítható, hogy a javasolt architektúra kevésbé van kitéve a fotonabszorpció és/vagy SPP mód gerjesztés miatti veszteségeknek a félig átlátszó elektródokon belül (lásd   és   a hagyományos vékonyfém alapú kavitetásos OLED-ekkel való összehasonlításhoz). 2. ábra a,b 19 4. kiegészítő ábra 1. kiegészítő táblázat 1. kiegészítő megjegyzés 5a. kiegészítő ábra 2. kiegészítő táblázatban 5b. kiegészítő ábra 30 1. ábra d c,d 6. kiegészítő ábra 3. kiegészítő táblázat   ( , ) Számított teljesítménydisszipációs spektrumok, amelyeket a kibocsátó spektrummal súlyozunk tetszőleges egységekben (színkódokkal definiálva a színskála szerint) a síkbeli hullámvektor függvényében: ( ) TiO₂-vel, de GraHIL nélkül; ( ) TiO₂-vel és GraHIL-lel is. A fekete szaggatott vonalak jelölik azokat a határvonalakat, amelyek az olyan reprezentatív optikai módokat választják el, mint a kimenő, szubsztrátumban korlátozott (subs), hullámvezető (wg) és éterikus módok. ( ) Számított teljesítménydisszipáció a normalizált síkbeli hullámvektor függvényében *λ*=550 nm-en a vizsgált különböző elektróda-szerkezeteknél. A TiO₂-vel rendelkező eszközöknél a dT iO₂ 55 nm-re volt rögzítve, és a dorg-ot az optimális feltételeknek megfelelően választották ki minden esetben. A TiO₂ nélküli eszközöknél a dorg-ot azonos értékre állították be, mint a TiO₂-vel rendelkező eszközök megfelelőinél. a b a b c A gyártott grafén alapú OLED-ek eszköz teljesítménye A fenti szimulációs eredmények alapján zöld OLED-eket gyártottunk foszforeszkáló kibocsátőkkel, mint a 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 köteget jelenti. A 3. ábra -ban bemutatott kísérleti eredmények szerint a TiO₂/grafén/GraHIL alapú eszköz esetében elért maximális EQE, energiahatékonyság és áramhatékonyság 40,8%, 160,3 lm W⁻¹ és 168,4 cd A⁻¹, 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-re 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 lencsével, amely optikailag kapcsolódik a hordozó hátoldalához, a TiO₂/grafén/GraHIL alapú eszköz 64,7%, 250,4 lm W⁻¹ és 257,0 cd A⁻¹ EQE-t, energiahatékonyságot és áramhatékonyságot mutat, tovább illusztrálva a javasolt grafén alapú OLED-ek ígéretes potenciálját. Ezután tovább kiterjesztettük a javasolt sémát egy tandem, több-csatlakozású OLED-re, amelyben a nettó EQE javul (a feszültség rovására), mivel ez végső soron az egyes OLED-ek EQE-jének összegeként adódik meg ; ez a megközelítés népszerű, mivel a javított EQE 31

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 ultravékony, rugalmas kijelzőket hoztak létre grafén és titán-dioxid felhasználásával

About Author

HOZZÁSZÓLÁSOK

HANG TAGOK

EZT A CIKKET BEMUTATTA

Related Stories

And now the important day of the election had arrived

How Emoji Credibility Indicators Add Context to HackerNoon Stories

HackerNoon Contributor Denisa Ganea on HackerNoon, Human Existence, and Everything in Between

Hubble Protocol, a DeFi project on Solana Raises $10 Million Led By Crypto.com Capital, DCG and CMS

And now the important day of the election had arrived

How Emoji Credibility Indicators Add Context to HackerNoon Stories

HackerNoon Contributor Denisa Ganea on HackerNoon, Human Existence, and Everything in Between

Hubble Protocol, a DeFi project on Solana Raises $10 Million Led By Crypto.com Capital, DCG and CMS

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps