Научниците открија ултра-ефикасни флексибилни екрани користејќи графен и титаниум диоксид.

Автори: Џехо Ли Те-Хи Хан Мин-Хо Парк Де Јул Јунг Џеонгмин Сео Хонг-Кју Сео Хјунсу Чо Еунхје Ким Џин Чунг Санг-Јул Чои Тег-Су Ким Те-Ву Ли Сеунгхуп Ју Апстракт Органските светлечки диоди (OLED) базирани на графен неодамна се појавија како клучен елемент неопходен во дисплеите и осветлувањето од следната генерација, главно поради нивната перспектива за високо флексибилни извори на светлина. Сепак, нивната ефикасност, во најдобар случај, беше слична на конвенционалните, базирани на индиум-калај оксид. Овде предлагаме идеална структура на електрода базирана на синергетско заемно дејство на TiO2 слоеви со висок индекс и слоеви за инјектирање дупки со низок индекс кои ги опкружуваат графенските електроди, што резултира во идеална ситуација каде што засилувањето со резонантна празнина е максимизирано, а загубата во плазмонски поляритони на површината е ублажена. Предложениот пристап води до OLED што покажуваат ултра висока надворешна квантна ефикасност од 40,8 и 62,1% (64,7 и 103% со леќа со полусфера) за единечни и повеќекратни споени уреди, соодветно. OLED-ите направени на пластика со тие електроди се повеќекратно свиткани со радиус од 2,3 mm, делумно поради TiO2 слоевите што издржуваат флексурален стрес до 4% преку калење со одвлекување на пукнатини. Вовед Предностите во однос на формата, како што се флексибилноста и растегливоста, доведоа органските светлечки диоди (OLED) да добијат големо внимание за употреба во новите уреди како што се носливи, ролни или преклопливи дисплеи што бараат мобилност, деформабилност и/или експанзибилност , . Целосното остварување на таков потенцијал, сепак, не е тривијално и бара значителни напори во различни аспекти, како што е развојот на технологии за тенки филмски транзистори со ниска температура и/или флексибилно капсулирање . Друг важен аспект што треба да се земе предвид за високо флексибилни дисплеи е наоѓање транспарентни електроди (TE) што можат да ги заменат индиум-калај оксидните (ITO) електроди, кои обично страдаат од ограничена флексибилност и потенцијални проблеми со трошоците поврзани со високата побарувачка и/или нестабилното снабдување . Во овој поглед, неколку видови флексибилни транспарентни електроди како што се метални наножици, материјали на база на јаглерод (на пример, јаглеродни наноцевки или графен) и метални мрежи во комбинација со други типови на TE беа предложени за OLED , , , , , . Меѓу нив, графенот — атомарно тенок слој од sp2-хибридизирани јаглеродни атоми — се смета за ветувачки бидејќи се очекува уникатната комбинација на неговата вродена тенок и супериорни електрични карактеристики да овозможи идеални транспарентни електроди кои имаат ниска или никаква оптичка заматеност, мазна површинска топологија што спречува електрични кратки споеви и деградација предизвикана од грубост, висок пренос, низок отпор на површината и висок степен на флексибилност истовремено , . Лесната подготовка на висококвалитетен графен на големи пластични подлоги неодамна беше демонстрирана за транспарентни електроди со методи компатибилни со масовно производство од страна на индустриските сектори, демонстрирајќи нивна практична одржливост , . Беше покажано дека и еднослојниот графен (SLG) и повеќеслојниот графен (MLG) имаат адекватни перформанси за TE во OLED , . Особено, ефикасни OLED-и базирани на графен беа постигнати со помош на слоеви за инјектирање дупки (HIL) што се користат за надминување на нивната релативно ниска работна функција, која е познато дека е околу 4,5 eV. Таквите инјекциски слоеви вклучуваат спроводливи полимери со градиентни електронски својства наречени самоорганизиран градиентен HIL (GraHIL) , и тенки MoO3 тампон слоеви во комбинација со спроводливи полимери од поли(3,4-етилендиокситиофен): полистирен сулфонат (PEDOT:PSS) . Сепак, ефикасноста на моќта и надворешната квантна ефикасност (EQE) на овие најсовремени OLED-и базирани на графен беа сè уште на ниво со оние на OLED-и базирани на ITO, освен ако не се користеше обемна хемисферична леќа за подобрување на излезното спојување . Осигурувањето на највисоката можна ефикасност е особено важно за флексибилните дисплеи применети во високо преносни или носливи апликации, бидејќи тие често мора да се потпираат на батерии со прилично ограничен енергетски капацитет поради ограничувањата во големината, тежината или формата. Ова бара развој на архитектонски уред што може да ја максимизира ефикасноста на OLED-ите базирани на графен. Клучниот предизвик е да се развие структура или методологија за отклучување на нивниот целосен оптички потенцијал, задржувајќи ги предностите на графенот во формата што е можно повеќе. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 За таа цел, овде истражуваме едноставна електродна архитектура базирана на TiO2 слоеви со висок индекс и HIL со низок индекс што ги опкружуваат графенските електроди. Со оптичкиот дизајн што целосно го искористува синергетското соработување помеѓу слоевите со висок и низок индекс што ги контролираат и резонантната празнина и загубата во плазмонски поляритони на површината (SPP), предложените OLED-и базирани на графен покажуваат ултра висока EQE што е без преседан кај оние што користат графен како транспарентен електрода. Покрај тоа, откриена е необично висока отпорност на TiO2 на флексурален стрес што овозможува пластични OLED-и кои не само што се ефикасни, туку и високо флексибилни. Резултати Оптички дизајн на високоефикасни OLED-и базирани на графен Ефикасноста на OLED-ите е ограничена на крајот од конечната ефикасност на излезот што обично е околу 20% во најдобар случај за уреди со изотропни емитери. Меѓу разните шеми за подобрување на излезот предложени досега , метод базиран на резонантна празнина има предности во тоа што ја одржува планската геометрија без употреба на никаква микро/наноструктурирање или леќеста структура, така што OLED-ите направени од нив не се подложени на електрични кратки споеви и оптички артефакти неповолни за примена на дисплеј (на пример, заматување, дифракција и слично), но можат да прикажуваат високо чисти, заситени црвени (R), зелени (G), сини (B) примарни бои со зголемена ефикасност , . Со слаб, но сè уште значаен ефект на микропразнина, OLED-ите базирани на ITO исто така можат да бидат оптимизирани за максимална ефикасност, без да предизвикаат никаква оптичка заматеност или заматување, едноставно со прилагодување на дебелината на ITO слоевите; во оваа шема, дизајнот на празнина од прв ред, 3 /4, каде што се однесува на бранова должина, се постигнува со отворениот крај на модот на празнината поставен на интерфејсот ITO/подлога , . Во случајот на OLED-и без ITO, базирани на графен, сепак, графенските електроди не можат да бидат доволно дебели за да ја контролираат должината на празнината, што го отежнува зголемувањето на ефикасноста со резонантниот ефект . 15 16 17 λ λ 18 19 20 Како алтернативна мерка, може да се постави тенок слој со висок индекс на прекршување ( H) под графенските слоеви како што е прикажано на на начин сличен на диелектрични обложени тенки метални електроди , , , . Бидејќи светлината може да помине низ графенот со мала фазна разлика поради вродената тенок на графенската електрода, дизајнот на празнина 3 /4 може да се постигне погодно, на пример, со оптичката дебелина на органските плус инјекциските слоеви и слојот со висок индекс поставени на приближно 2 /4 и /4, соодветно ( ). Особено, „ /4-дебелиот“ слој со висок индекс исто така функционира како огледало без метал, диелектрик што овозможува значителен одбив од склопот на долната електрода ( bot) за светлината што паѓа од органските слоеви, како што може да се потврди во графиконите прикажани на дното на . Ова му дава можност на OLED-ите базирани на графен да ја подобрат својата ефикасност преку резонантниот ефект, што инаку не би било можно. Покажано е дека bot и придружното резонантнo засилување се зголемуваат со H ( ). Високиот индекс на прекршување е исто така корисен во однос на флексибилноста бидејќи целната оптичка дебелина ( H H) може да се постигне со мала физичка дебелина H, и бидејќи свиткувањето предизвикано од пукнатина на даден филм генерално се формира на понизок почетен стрес со поголема физичка дебелина . Успешен слој со висок индекс во оваа шема треба да има што е можно поголем H. Покрај тоа, треба да биде транспарентен, и, пред сè, не смее да биде оштетен од дадениот процес на трансфер на графен. Меѓу разни кандидати, напрскан TiO2 слој е транспарентен во видливиот спектар и има релативно висок индекс на прекршување ( =2,5). За разлика од другите слоеви со висок индекс што ги испробавме, TiO2 слојот се покажува дека има хемиска издржливост отпорна на процесите на трансфер на графен што користат растворувач, како што се ацетон или изопропил алкохол (IPA), овозможувајќи формирање на висококвалитетен графен електрода на врвот ( ). n Слика 1а 17 20 21 22 λ λ λ Слика 1б λ R Слика 1ц,г R n Дополнителна слика 1 n d d 23 n n Дополнителна слика 2 ( ) Шема на структурата на уредот на предложените OLED-и. ( ) Дистрибуција на интензитетот на електромагнетното поле (испрекинати линии) на OLED-ите под студија за нивниот соодветен дизајн на празнина од прв ред. Дистрибуцијата на интензитетот на полето на OLED-ите базирани на графен без TiO2 е исто така прикажана за споредба за случајот каде што вредностите на дебелината на органските слоеви се исти како кај OLED-ите со TiO2, но без HIL со низок индекс. ( , ) Пресметана максимална надворешна квантна ефикасност ( EQE) на OLED-и базирани на графен со TiO2 под-слој како функција од дебелината на TiO2 и органскиот слој ( TiO2 и org, соодветно). Испрекинатите линии претставуваат контурни линии за EQE од 10, 20, 30 или 40% како што е означено на графикот. ( ) Без HIL со низок индекс; ( ) со GraHIL како HIL со низок индекс. На дното на секој случај, одбивноста ( bot) од склопот на долната електрода (TiO2/graphene/(HIL)) како целина е прикажана како функција од TiO2 за светлината што паѓа од органските слоеви. а б ц г η d d η ц г R d Забележливо е дека повисок ред микропразнина структура (на пример, втор ред, 5 /4 празнина) базирана на дебел органски стек може исто така да биде можна. Во оваа работа, сепак, прво беше избран дизајнот на празнина од прв ред бидејќи резултира со посилен Purcell ефект и помалку брановодни модови отколку дизајнот од повисок ред, што на крајот доведува до поголема ефикасност на излезот и EQE , . Предизвици сè уште постојат за дизајнот на празнина од прв ред бидејќи идеалната локација на зоната на емисија е ограничена на првиот антинод од интерфејсот органски/метал, што го отежнува намалувањето на SPP модовите преку подолго растојание од емитер до метал , . Алтернативен метод што обично се користи за намалување на SPP е вклучување на внатрешни брановидни структури или брановидност , но толеранцијата кон електрични кратки споеви често може да биде компромитирана од такви пристапи. Методот што го применуваме овде е да вклучиме слој со низок индекс на прекршување, што е покажано дека ефикасно ги намалува SPP модовите , . За среќа, GraHIL или самоорганизиран градиентен слој за инјектирање дупки составен од PEDOT:PSS и кополимер од тетра-флуороетилен-перфлуоро-3, 6-диокса-4-метил-7-октенсулфонска киселина (PFI), кој претходно беше предложен од авторите и покажа дека е многу ефикасен во подобрувањето на инјектирањето дупки во OLED-ите базирани на графен , има индекс на прекршување околу 1,42 на од 550 nm ( ), што е многу пониско од оние на типичните органски слоеви ( =1,8). Со синергетското заемно дејство на слоевите со висок и низок индекс што ги опкружуваат графенските слоеви, засилувањето на ефектот на резонантна празнина и намалувањето на SPP модовите може така да се направат истовремено, така што EQE може значително да се зголеми дури и без структури за излезно спојување. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ Дополнителна слика 3 n ги прикажуваат резултатите од оптичката симулација базирана на напредна класична електромагнетна теорија сумирана од Фурно . низ целиот видлив спектар, и на од 550 nm. Формализмот ги зема предвид Пурселовиот фактор, ефектот на ориентацијата на диполот и ексцитациите во SPP и брановодните модови. Сеопфатното вклучување на сите овие фактори се покажува како критично за прецизна анализа и квантитативно дизајнирање, бидејќи може да дојде до недооценување или преценување кога се користи поедноставен пристап што не ги зема предвид еден или повеќе од тие ефекти (види ; и за примери). Резултатите покажуваат дека употребата на GraHIL ги прераспоредува релативните содржини на моќност меѓу разните модови кон помали бранови вектори во рамнината, така што моќта што се поврзува во SPP модовите се намалува и излезните делови дополнително се зголемуваат ( ). Исто така може да се види во дека употребата на TiO2 слојот под графенот ефикасно ја потиснува количината на моќта што се поврзува во брановодни и подложни модови преку резонантнo засилување. Ова доведува до значително зголемување на ефикасноста на излезот, иако загубата во еванесцентни модови исто така се покажува дека се зголемува поради поместувањето на трансверзално-електричните брановодни модови кон повисоки нормализирани бранови вектори во рамнината ( ). Комбинираната употреба на TiO2 слој со висок индекс (H) и GraHIL слој со низок индекс (L) резултира во идеална ситуација каде што резонантнoто засилување е големо, но загубата во SPP/еванесцентни модови е ублажена. Дополнително, комбинираната употреба создава ситуација слична на HL-низи, обично користена за повеќеслојни тенки филмски облоги , и уште повеќе го зголемува bot ( ), дозволувајќи дополнително засилување во ефектот на Фабри-Перо резонантна. Она што ја прави предложената технологија уникатна и напредна во однос на конвенционалните технологии е токму синергетското соработување на овие слоеви со висок и низок индекс што овозможуваат оптичко управување и со резонантниот ефект и со SPP загубата во корист на максимално излезно спојување; и дополнително резонантнo засилување преку HL низи. Заедно со нивната вродена компатибилност со посакуваните електрични својства (на пример, ефикасно инјектирање дупки), сите овие оптички придобивки овозможуваат целосно да се отклучи дури и скриениот потенцијал што планските OLED-и навистина можат да го понудат. Контурните графикони добиени за оптички достапната максимална EQE ( EQE (max)) како функција од дебелината на органскиот ( org) и TiO2 ( TiO2) слој претставени на покажуваат дека EQE (max) може да биде дури 44% во уреди со GraHIL и TiO2 слоеви, додека би било ограничено на 38% без GraHIL или на 31% без TiO2. Оптималните услови соодветствуваат на ситуација каде што H (каде H е TiO2) се приближува до /(4 H) (55 nm за =550 nm). Исто така може да се забележи дека EQE (max) од 44% е повисока од очекуваната за оптимизирани, конвенционални OLED-и со празнина базирани на тенки метали со истиот емитер. Ова може да се припише на фактот дека предложената архитектура е помалку подложна на загуба поради апсорпција на фотони и/или возбудување на SPP модови во полу-транспарентни електроди (види и за споредба со оние на конвенционални OLED-и со празнина базирани на тенки метали). Слика 2а,б и сор 19 λ Дополнителна слика 4 Дополнителна Табела 1 Дополнителна Белешка 1 Дополнителна слика 5а Дополнителна Табела 2 Дополнителна слика 5б 30 R Слика 1г η d d Сликите 1ц,г η d λ n λ η Дополнителна слика 6 Дополнителна Табела 3 ( , ) Пресметани спектри на дисипација на моќност, тежински со спектарот на емитерот во произволни единици (мапирани како боја дефинирана во лентите во боја) наспроти брановиот вектор во рамнината: ( ) со TiO2, но без GraHIL; ( ) со TiO2 и GraHIL. Црните испрекикнати линии ги означуваат граничните линии што ги делат претставителните оптички модови вклучувајќи излезени, ограничени од подлогата (subs), брановодни (wg) и еванесцентни модови. ( ) Пресметана дисипација на моќност наспроти нормализиран бранов вектор во рамнината на =550 nm за разни електродни структури под студија. За уредите со TiO2, TiO2 беше фиксиран на 55 nm и org беше избран за оптимални услови во секој случај. За уредите без TiO2, org беше поставен на истата вредност како онаа на секој пандан во уредите со TiO2. а б а б ц λ d d d Перформанси на изработените OLED-и базирани на графен Инспирирани од симулационите резултати прикажани погоре, изработивме зелени OLED-и базирани на фосфоресцентни емитери бис(2-(2-пиридинил- )фенил-C)(ацетилацетонато) иридиум (III) (Ir(ppy)2acac) во конфигурација стакло/анода/(HIL)/OS1/LiF/Al со различни структури на анода/(HIL) од TiO2/graphene/GraHIL; graphene/GraHIL; и ITO (185 nm)/GraHIL, каде OS1 се однесува на органски повеќеслоен стек дефиниран во Методи. Експерименталните резултати прикажани на покажуваат дека N Слика 3