Ғалымдар графен мен титан диоксидін қолданып, ультратиімді икемді экран дисплейлерін ашты

Авторлар: Джехо Ли Тэ-Хи Хан Мин-Хо Парк Дэ Юл Джунг Джеонгмин Сео Хонг-Кю Сео Хёнсу Чо Ынхё Ким Джин Чунг Сонг-Юль Чой Тэк-Су Ким Тэ-Ву Ли Сынхёп Ю Аннотация Органикалық жарық шығаратын диодтар (OLED) графен негізінде жаңа буын дисплейлер мен жарықтандыруда маңызды элемент болып табылады, әсіресе жоғары икемді жарық көздерін жасауға мүмкіндік береді. Дегенмен, олардың тиімділігі дәстүрлі, индий-қалайы оксиді негізіндегі құрылғылармен тең немесе одан төмен болған. Бұл мақалада біз жоғары индексті TiO2 қабаттары мен төмен индексті тесік-инжекциялық қабаттарымен қамтылған графен электродтары негізіндегі идеалды электрод құрылымын ұсынамыз. Бұл құрылым қуысты резонанс арқылы күшейтуді барынша арттырып, беттік плазмон поляртонға (SPP) ұшырайтын шығынды азайтады. Ұсынылған әдіс арқылы тек бір және көп буынды құрылғылар үшін тиісінше 40,8% және 62,1% (жарты шарлы линзамен 64,7% және 103%) сыртқы кванттық тиімділігі бар OLED құрылғылары жасалды. TiO2 қабаттары бар пластикте жасалған OLED құрылғылары 4% дейінгі иілу деформациясына төтеп бере алатындықтан, 2,3 мм радиуста қайта-қайта бүгілуге қабілетті. Бұл жарықтарды азайту тетігі арқылы иілу кезінде сынуға төзімділікті арттырады. Кіріспе Иілу және созылу қабілеті сияқты пішін факторының артықшылықтары органикалық жарық шығаратын диодтарды (OLED) киілетін, орамалы немесе бүктелетін дисплейлер сияқты жаңа құрылғыларда қолдануға танымал етті, бұл мобильділік, деформациялану және/алымдылықты талап етеді , . Алайда, мұндай әлеуетті толық жүзеге асыру оңай емес және төмен температурада жұмыс істейтін жұқа қабықты транзисторлық технологиялар мен/немесе икемді орау сияқты әртүрлі аспектілерде айтарлықтай күш-жігерді талап етеді . Жоғары икемді дисплейлер үшін тағы бір маңызды аспект - индий-қалайы оксиді (ITO) электродтарын алмастыра алатын мөлдір электродтарды (TE) табу болып табылады, олар әдетте шектеулі икемділікке және жоғары сұраныс пен/немесе тұрақсыз жеткізілімге байланысты баға мәселелеріне ие . Бұл тұрғыда, металл наносымдар, көміртекті материалдар (мысалы, көміртекті нанотүтіктер немесе графен) және басқа түрдегі TE-лармен біріктірілген металл торлары сияқты икемді мөлдір электродтардың бірнеше түрлері OLED-тер үшін ұсынылды , , , , , . Олардың ішінде, графен - sp2-гибридтелген көміртек атомдарының атомдық қабатты парағы - перспективалы болып саналады, себебі оның кішкентай қалыңдығы мен жоғары электр сипаттамаларының бірегей үйлесімі төмен немесе мүлдем оптикалық тұмандылығы жоқ, тегіс бет топологиясы бар, жоғары өткізгіштігі, төмен беттік кедергісі және жоғары икемділігі бар идеалды мөлдір электродтарды бір уақытта қамтамасыз етеді деп күтілуде , . Өнеркәсіп салаларымен өндіріске жарамды әдістер арқылы мөлдір электродтар үшін үлкен масштабтағы пластик субстраттарда жоғары сапалы графенді оңай дайындау, олардың практикалық жарамдылығын көрсетті , . Бір қабатты графен (SLG) және көп қабатты графен (MLG) OLED-терде TE ретінде жеткілікті өнімділікке ие екендігі көрсетілді , . Атап айтқанда, олардың салыстырмалы түрде төмен жұмыс функциясы (шамамен 4,5 эВ) артықшылығын пайдалану үшін тесік инжекциялық қабаттардың (HIL) көмегімен тиімді графен негізіндегі OLED-терге қол жеткізілді. Мұндай инжекциялық қабаттарға өзіндік реттелетін градиентті HIL (GraHIL) деп аталатын градиенттік электрондық қасиеттері бар өткізгіш полимерлер , және поли(3,4-этилендиокситиофен): полистирол сульфонат (PEDOT: PSS) өткізгіш полимерлерімен біріктірілген жұқа MoO3 буферлік қабаттары жатады. Соған қарамастан, осы заманауи графен негізіндегі OLED-тердің қуат тиімділігі мен сыртқы кванттық тиімділігі (EQE) ITO негізіндегі OLED-термен теңесті, егер шығаруды күшейту үшін кең жарты шарлы линза қолданылмаса . Ең жоғары тиімділікті қамтамасыз ету, әсіресе, портативті немесе киілетін қолданбаларға арналған икемді дисплейлер үшін маңызды, себебі олар өлшем, салмақ немесе пішін факторларына байланысты энергия сыйымдылығы шектеулі батареяларға сүйенуге мәжбүр болады. Бұл графен негізіндегі OLED-тердің тиімділігін арттыратын құрылғы архитектурасын дамытуды талап етеді. Негізгі міндет - олардың толық оптикалық әлеуетін ашуға мүмкіндік беретін, бірақ пішін факторларындағы графеннің артықшылықтарын барынша сақтайтын құрылымды немесе әдісті дамыту. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 Осы мақсатта, біз жоғары индексті TiO2 қабаттары мен төмен индексті HIL-дерден тұратын графен электродтарын қамтитын қарапайым электрод архитектурасын зерттейміз. Жоғары және төмен индексті қабаттар арасындағы үйлесімді әсерлесуді пайдаланатын оптикалық дизайн, қуысты резонансты күшейтуді және беттік плазмон поляртонынан (SPP) шығатын шығынды азайтуды қамтиды, бұл ұсынылған графен негізіндегі OLED-тердің бұрын-соңды болмаған ультражоғары EQE-ге жетуіне мүмкіндік береді. Сонымен қатар, TiO2-нің иілу деформациясына жоғары төзімділігі анықталды, бұл тек тиімді ғана емес, сонымен қатар өте икемді пластик OLED-терді жасауға мүмкіндік береді. Нәтижелер Жоғары тиімділіктегі графен негізіндегі OLED-тердің оптикалық дизайны OLED-тердің тиімділігі, әдетте, ең көбі 20% болатын шекті шығару тиімділігімен шектеледі. Бүгінгі таңда ұсынылған әртүрлі шығаруды күшейту схемалары ішінен , микроқуысты резонанс негізіндегі әдіс, микро/нано құрылымдауды немесе линзалы құрылымды қолданбай, жазық геометрияны сақтайтын артықшылықтарға ие, сондықтан олардан жасалған OLED-тер дисплей қолдануына қолайсыз электр қысқа тұйықталуы мен оптикалық артефактілерге (мысалы, бұлдырлау, дифракция және т.б.) ұшырамайды, бірақ жоғары таза, қанық қызыл (R), жасыл (G), көк (B) бастапқы түстерді жоғары тиімділікпен көрсете алады , . Әлсіз, бірақ маңызды микроқуысты әсері бар ITO негізіндегі OLED-терді де, оптикалық тұмандылықты немесе бұлдырлауды тудырмай, тек ITO қабаттарының қалыңдығын реттеу арқылы максималды тиімділікке оңтайландыруға болады; бұл схемада бірінші ретті, 3 /4 қуысты дизайны, мұнда ұзындықты білдіреді, қуыс модасының ашық ұшы ITO/субстрат интерфейсінде орналасқан , . ITO-сыз, графен негізіндегі OLED-тер жағдайында, графен электродтарын қуыс ұзындығын бақылау үшін жеткілікті қалың етіп жасау мүмкін емес, бұл резонанс әсері арқылы тиімділікті арттыруды қиындатады . 15 16 17 λ λ 18 19 20 Балама шара ретінде, жоғары сындыру көрсеткіші ( H) бар жұқа қабатты графен қабаттарының астына орналастыруға болады, бұл 1-суретте көрсетілгендей , диэлектрлік жабылған жұқа металл электродтарға ұқсас , , , . Жарық графен арқылы аз фазалық айырмашылықпен өте алатындықтан, графен электродтың кіріктірілген қалыңдығына байланысты, 3 /4 қуысты дизайны ыңғайлы түрде жүзеге асырылуы мүмкін, мысалы, органикалық + инжекциялық қабаттар мен жоғары сындыру көрсеткішті қабаттың оптикалық қалыңдығы тиісінше шамамен 2 /4 және /4 құрайды (1-сурет) . Атап айтқанда, ‘ /4-қалың’ жоғары индексті қабат металлсыз, төменгі электрод жинағынан ( bot) жоғары шағылыстыруды қамтамасыз ететін диэлектрлік айна ретінде де жұмыс істейді, бұл 1c,d-суреттердің төменгі жағында көрсетілген графиктерден көруге болады . Бұл графен негізіндегі OLED-терге резонанс әсері арқылы тиімділікті арттыру мүмкіндіктерін береді, бұл басқаша мүмкін болмас еді. bot және сәйкес резонанстық күшейту H артқан сайын артатыны көрсетілген (1-қосымша сурет) . Жоғары сындыру көрсеткіші икемділік тұрғысынан да пайдалы, себебі мақсатты оптикалық қалыңдық ( H H) төмен физикалық қалыңдық H арқылы қол жеткізіледі, және фильмнің бүгілуінен туындаған жарықтар әдетте үлкен физикалық қалыңдықпен төмен бастапқы деформацияда пайда болады . Бұл схемадағы сәтті жоғары индексті қабат мүмкіндігінше үлкен H ие болуы керек. Сонымен қатар, ол мөлдір болуы керек және ең бастысы, графенді тасымалдау процесімен зақымдалмауы керек. Әртүрлі кандидаттардың ішінде, бүріккішпен жабылған TiO2 қабаты көрінетін спектр диапазонында мөлдір және салыстырмалы түрде жоғары сындыру көрсеткішіне ( =2.5) ие. Біз сынаған басқа жоғары индексті қабаттардан айырмашылығы, TiO2 қабаты ацетон немесе изопропил спирті (IPA) сияқты еріткіштерді қолданатын графен тасымалдау процестеріне химиялық төзімділікке ие, бұл оның үстінде жоғары сапалы графен электродтарының пайда болуына мүмкіндік береді (2-қосымша сурет) . n Fig. 1a 17 20 21 22 λ λ λ Fig. 1b λ R Fig. 1c,d R n Supplementary Fig. 1 n d d 23 n n Supplementary Fig. 2 ( ) Ұсынылған OLED-тердің құрылғы сызбасы. ( ) Зерттеудегі OLED-тердің бірінші ретті қуысты дизайны үшін электромагниттік өріс қарқындылығының таралуы (пунктир сызықтар). Қалыңдықтары TiO2 бар OLED-термен бірдей, бірақ төмен индексті HIL-дерсіз болған кезде салыстыру үшін TiO2 жоқ графен негізіндегі OLED-тердің өріс-қарқындылық таралуы да көрсетілген. ( , ) TiO2 және органикалық қабаттың қалыңдығына ( TiO2 және org, сәйкесінше) тәуелді графен негізіндегі OLED-тердің есептелген максималды сыртқы кванттық тиімділігі ( EQE). Пунктир сызықтар 10, 20, 30 немесе 40% EQE үшін контур сызықтарын білдіреді. ( ) Төмен индексті HIL жоқ; ( ) GraHIL-ді төмен индексті HIL ретінде қолданғанда. Әр жағдайдың төменгі жағында, органикалық қабаттардан кіретін жарық үшін бүкіл төменгі электрод жинағынан (TiO2/графен/(HIL)) шағылыстыру ( bot) TiO2-ге тәуелділігі көрсетілген. a b c d d d η η c d R d Жоғары реттік микроқуысты құрылым (мысалы, екінші ретті, 5 /4 қуыс) қалың органикалық стек негізінде де мүмкін екендігін атап өткен жөн. Дегенмен, бұл жұмыста бірінші ретті қуысты дизайн алдымен таңдалды, себебі ол жоғары ретті дизайнға қарағанда күштірек Пурселл әсері мен аз толқынды режимдерді береді, нәтижесінде шығару тиімділігі мен EQE жоғарылайды , . Бірінші ретті қуысты дизайн үшін әлі де қиындықтар бар, себебі шығару аймағының идеалды орналасуы органикалық/металл интерфейсінен бірінші антинодпен шектелген, бұл шығарушыдан металлға дейінгі қашықтықты ұлғайту арқылы SPP режимдерін азайтуды қиындатады , . SPP азайту үшін әдетте қолданылатын балама әдіс - ішкі ирек құрылымдарды немесе бұдырларды енгізу , бірақ мұндай әдістермен электр қысқа тұйықталуға төзімділік жиі төмендейді. Біз қолданатын әдіс - төмен сындыру көрсеткіші бар қабатты енгізу, бұл SPP режимдерін тиімді азайтатыны белгілі , . Бақытты жағдай, PEDOT: PSS және тетрафторэтилен-перфтор-3, 6-диокса-4-метил-7-октенсульфон қышқылы сополимерімен (PFI) жасалған өзіндік реттелетін градиентті тесік инжекциялық қабаты (GraHIL), бұрын авторлармен ұсынылған және графен негізіндегі OLED-терде тесік инжекциясын жақсартуда өте тиімді болғаны көрсетілген , 550 нм толқын ұзындығында шамамен 1,42 синдыру көрсеткішіне ие (3-қосымша сурет) , бұл әдеттегі органикалық қабаттардың ( =1.8) синдыру көрсеткішінен әлдеқайда төмен. Осылайша, жоғары және төмен индексті қабаттардың үйлесімді әсерлесуі арқылы қуысты резонансты күшейту мен SPP режимдерін азайту бір мезгілде жүзеге асырылуы мүмкін, сондықтан EQE шығаруды күшейту құрылғыларынсыз да айтарлықтай артады. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 Supplementary Fig. 3 n 2a,b-суреттерде Furno және т.б. бойынша қорытылған озық классикалық электромагниттік теорияға негізделген оптикалық симуляция нәтижелері берілген , бүкіл көрінетін спектр диапазонында және 550 нм толқын ұзындығында. Формализм Пурселл факторын, диполь бағыттылығы әсерін және SPP мен толқынды режимдердің қоздырылуын ескереді. Осы факторлардың барлығын кешенді түрде енгізу, бір немесе бірнеше әсерлерді есепке алмайтын қарапайым әдістерді қолданғанда қателіктер болуы мүмкін болғандықтан, дәл талдау мен сандық дизайн үшін өте маңызды (4-қосымша суретті қараңыз; 1-қосымша кесте және 1-қосымша ескерту) ; and . Нәтижелер GraHIL қолданудың әртүрлі режимдер арасындағы салыстырмалы қуат үлестерін жазық толқын векторының кіші мәндеріне қарай қайта бөлетінін көрсетеді, соның нәтижесінде SPP режимдеріне берілетін қуат азаяды және шығарылатын бөліктер одан әрі күшейеді (5a-қосымша сурет) . Сондай-ақ, 2-қосымша кестеде , графеннің астындағы TiO2 қабатын қолдану толқынды және субстраттық режимдерге берілетін қуатты резонансты күшейту арқылы тиімді түрде азайтатыны көрінеді. Бұл шығару тиімділігінің айтарлықтай артуына әкеледі, бірақ көлбеу режимдерге шығатын шығын да артады, себебі көлденең-электр толқынды режимдердің нормаланған жазық толқын векторларының жоғарылауына байланысты (5b-қосымша сурет) . Жоғары индексті (H) TiO2 және төмен индексті (L) GraHIL қабаттарының бірлескен қолданылуы, резонанс күшейту үлкен, ал SPP/көлбеу режимдерге шығатын шығын азайтылатын идеалды жағдайды тудырады. Сонымен қатар, бірлескен қолдану HL-стектерге ұқсас жағдайды жасайды, әдетте көп қабатты жұқа пленді жабындар үшін қолданылады , және тіпті bot көрсеткішін одан әрі арттырады (1d-сурет) , бұл Фабри-Перо резонанс әсерінің қосымша күшеюіне мүмкіндік береді. Ұсынылған технологияны дәстүрлі технологияларға қарағанда ерекше және озық ететін нәрсе - бұл жоғары және төмен индексті қабаттардың үйлесімді әрекеттесуі, ол резонанс әсері мен SPP шығынын максималды шығаруға пайдалы оптикалық басқаруды қамтамасыз етеді; және HL стекінг арқылы қосымша резонансты күшейту. Олардың қажетті электр қасиеттерімен (мысалы, тиімді тесік инжекциясы) үйлесімділігімен қатар, осы оптикалық артықшылықтар жазық OLED-тердің шын мәнінде ұсына алатын жасырын әлеуетін толық ашуға мүмкіндік береді. Органикалық ( org) және TiO2 ( TiO2) қалыңдығына тәуелді оптикалық қолжетімді максималды EQE ( EQE (max)) үшін алынған контурлық графиктер (1c,d-суреттер) , GraHIL және TiO2 қабаттары бар құрылғыларда EQE (max) 44% дейін жетуі мүмкін екенін көрсетеді, ал GraHIL болмаса 38% немесе TiO2 болмаса 31% болады. Оңтайлы жағдайлар H (H - TiO2) /(4 H) ( =550 нм үшін 55 нм) жақындаған кезде байқалады. Сондай-ақ, EQE (max) 44% мөлшері осылайша оңтайландырылған, дәстүрлі жұқа металл негізіндегі қуысты OLED-терге қарағанда жоғары екендігі атап өтілген. Бұл ұсынылған архитектура жартылай өткізгіш электродтардағы (6-қосымша сурет және 3-қосымша кесте) and , жарықты сіңіру және/немесе SPP режимдерін қоздырудан болатын шығындарға аз ұшырайтынымен байланысты. 19 Supplementary Fig. 4 Supplementary Table 1 Supplementary Note 1 Supplementary Fig. 5a Supplementary Table 2 Supplementary Fig. 5b 30 R Fig. 1d d d η Fig. 1c,d η d λ n λ η Supplementary Fig. 6 Supplementary Table 3 ( , ) Жазық толқын векторына қарсы, эмиттер спектрімен салмақталған қуат диссипациясының есептелген спектрлері (бейнеленген түс жолағымен анықталған) әр түрлі бірліктермен: ( ) TiO2 бар, бірақ GraHIL жоқ; ( ) TiO2 және GraHIL екеуі де бар. Қара пунктир сызықтар шығарылған, субстратқа бағытталған (subs), толқынды (wg) және көлбеу режимдерді қоса алғанда, өкілдік оптикалық режимдерді бөлетін шекара сызықтарын көрсетеді. ( ) 550 нм толқын ұзындығындағы қуат диссипациясының нормаланған жазық толқын векторына қарсы есептелген мәні, зерттеудегі әртүрлі электрод құрылымдары үшін. TiO a b a b c