Научниците ја открија ултра-ефикасната флексибилна технологија за дисплеј што користи графен и титаниум диоксид

```html Автори: 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 Апстракт Графен-базираните органски светло-емитирачки диоди (OLED) неодамна се појавија како клучен елемент неопходен во дисплеите и осветлувањето од следната генерација, главно поради нивниот потенцијал за високо флексибилни извори на светлина. Сепак, нивната ефикасност, во најдобар случај, беше слична на онаа на конвенционалните колеги базирани на индиум-калај оксид. Овде предлагаме идеална структура на електрода базирана на синергетско дејство на TiO2 слоеви со висок индекс и слоеви за инјектирање на дупки со низок индекс што ги опкружуваат графенските електроди, што резултира во идеална ситуација каде што подобрувањето преку резонанца на шуплината е максимизирано, а загубите на површински плазмонски поляритони се намалени. Предложениот пристап води до OLED кои покажуваат ултра висока надворешна квантна ефикасност од 40,8 и 62,1% (64,7 и 103% со леќа со полу-топка) за едно- и повеќе-спојни уреди, соодветно. OLED-ите направени на пластика со тие електроди може повторно да се свиткуваат со радиус од 2,3 mm, делумно поради TiO2 слоевите кои издржуваат флексурално напрегање до 4% преку калење со одбивање на пукнатини. Вовед Предностите во формата, како што се флексибилноста и растегливоста, им донесоа на органските светло-емитирачки диоди (OLED) големо внимание за употреба во новите уреди како што се носливи, ролни или преклопливи дисплеи кои бараат подвижност, деформабилност и/или експанзибилност , . Сепак, целосното реализирање на таков потенцијал не е тривијално и бара значителни напори во различни аспекти, како што е развојот на технологии за тенкослојни транзистори со ниска температура и/или флексибилна капсулација . Друг важен аспект што треба да се земе предвид за високо флексибилните дисплеи е наоѓањето на транспарентни електроди (TE) кои можат да ги заменат индиум-калај оксид (ITO) електродите, кои обично страдаат од ограничена флексибилност и потенцијални проблеми со трошоците поврзани со големата побарувачка и/или нестабилното снабдување . Во овој поглед, неколку видови флексибилни транспарентни електроди како метални наножици, јаглеродни материјали (на пример, наноцевки од јаглерод или графен) и метални решетки во комбинација со други типови на TE беа предложени за OLED , , , , , . Меѓу нив, графен—атомски тенка фолија од sp2-хибридизирани јаглеродни атоми—се смета за ветувачки бидејќи уникатната комбинација на неговата вродена тенкост и супериорните електрични карактеристики се очекува 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 линијата и висок степен на флексибилност истовремено , . Лесната подготовка на висококвалитетен графен на пластични подлоги со големи размери неодамна беше демонстрирана за транспарентни електроди со методи компатибилни со масовно производство од страна на индустриските сектори, демонстрирајќи нивна практична вијабилност , . Беше покажано дека и еднослојниот графен (SLG) и повеќеслојниот графен (MLG) имаат перформанси соодветни за TE во OLED , . Особено, беа постигнати ефикасни OLED-и базирани на графен со помош на слоеви за инјектирање на дупки (HIL) што се користат за надминување на нивната релативно ниска работна функција, која е познато дека е околу 4,5 eV. Таквите слоеви за инјектирање вклучуваат спроводливи полимери со градиентни електронски својства наречени самоорганизиран градиент HIL (GraHIL) , и тенки MoO3 бафер слоеви во комбинација со спроводливи полимери од поли(3,4-етилендиокситиофен): полистирен сулфонат (PEDOT:PSS) . Сепак, ефикасноста на напојување и надворешната квантна ефикасност (EQE) на овие најсовремени OLED-и базирани на графен сè уште беа на ниво со оние на OLED-ите базирани на ITO, освен ако не се користеше обемна хемисферична леќа за подобрување на излезот . Осигурувањето на највисока 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 капацитет на енергија 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, а сепак да се зачуваат предностите на графенот во формата колку 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 кој целосно ја користи синергетската соработка помеѓу слоевите со висок и низок индекс кои ги контролираат и резонантното подобрување на шуплината и загубата на површински плазмонски поляритон (SPP), предложените OLED-и базирани на графен покажуваат ултра висока EQE што е без преседан кај оние што користат графен како транспарентна електрода. Понатаму, се открива необично висока отпорност на TiO2 на флексурално напрегање што овозможува пластични OLED-и кои не се само ефикасни, туку и многу флексибилни. Резултати Оптички дизајн на високо ефикасни OLED-и базирани на графен Ефикасноста на OLED-ите е ограничена во крајна линија од конечната ефикасност на излезот што обично е околу 20% во најдобар случај за уреди со изотропни емитери. Меѓу разни шеми за подобрување на излезот предложени до денес , метод базиран на резонанца на микрошуплина има предности во тоа што одржува рамна геометрија без употреба на каква било микро/наноструктурирање или леќарска структура, така што OLED-ите направени од нив не се подложни на електрични кратки споеви и оптички артефакти неповолни за апликации за дисплеј (на пример, замаглување, дифракција и слично), но можат да покажат високо чисти, заситени црвени (R), зелени (G), сини (B) примарни бои со подобрена ефикасност , . Со слаб, но сепак значаен ефект на микрошуплина, ITO-базираните OLED-и исто така можат да се оптимизираат за максимална ефикасност, без да предизвикаат каква било оптичка заматеност или замаглување, едноставно со прилагодување на дебелината на ITO слоевите; во оваа шема, прв ред, 3 /4 дизајн на шуплина, каде што означува бранова должина, се постигнува со отворениот крај на модот на шуплината поставен на интерфејсот ITO/супстрат , . 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 шуплината, што го отежнува подобрувањето на ефикасноста преку резонантен ефект . 15 16 17 λ λ 18 19 20 Како алтернативна мерка, може да се постави тенок слој со висок индекс на рефракција ( H) под графенските слоеви како што е прикажано на на начин сличен на диелектрично обложени тенки метални електроди , , , . Бидејќи светлината може да помине низ графенот со мала фазна разлика поради вродената тенкост на графенската електрода, 3 /4 дизајнот на шуплината може погодно да се постигне, на пример, со оптичката дебелина на органските плус слоевите за инјектирање и слојот со висок индекс поставена приближно на 2 /4 и /4, соодветно ( ). Особено, „ /4-дебелиот“ слој со висок индекс функционира и како огледало без метал, диелектрично огледало што овозможува значителна рефлексија 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 на OLED-ите базирани на графен можности да ја подобрат нивната ефикасност преку резонансниот ефект, што инаку не би било можно. Покажано е дека bot и соодветното резонантно подобрување се зголемуваат со H ( ). Високиот индекс на рефракција 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 пукнатината предизвикана од свиткување на даден филм генерално се формира при понизок почетен напрегање со поголема физичка дебелина . Успешниот слој со висок индекс во оваа шема треба така да има што е можно поголем H. Покрај тоа, треба да биде транспарентен, и, пред сè, не треба да биде оштетен од даден процес на трансфер на графен. Меѓу разни кандидати, распрскан TiO2 слој е транспарентен во видливиот спектарен опсег и има релативно висок индекс на рефракција ( =2,5). За разлика од другите слоеви со висок индекс што ги испробавме, TiO2 слојот покажува хемиска издржливост против процесите на трансфер на графен што користат растворувач, како што се ацетон или изопропил алкохол (IPA), дозволувајќи формирање на висококвалитетен графен електрода на неговата горна страна ( ). n Слика 1а 17 20 21 22 λ λ λ Слика 1б λ R Слика 1в,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 шуплина од прв ред. Исто така е прикажана дистрибуцијата на интензитетот на полето на OLED базиран на графен без TiO2 за споредба за случајот кога 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 на 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, рефлексијата ( bot) од склопот на долната електрода (TiO2/graphene/(HIL)) како целина е прикажана како функција на TiO2 за светлината што паѓа од органските слоеви. а б в г η d d η в г R d Вреди да се напомене дека структурата на микрошуплина од повисок ред (на пример, втор ред, 5 /4 шуплина) базирана на дебел органски слој исто така може да биде можна. Во оваа работа, сепак, прво беше избран дизајнот на шуплина од прв ред бидејќи резултира со посилен Purcell ефект и помалку брановидни модови од дизајнот од повисок ред, што на крајот доведува до поголема ефикасност на излезот и EQE , . Предизвиците сè уште остануваат за дизајнот на шуплина од прв ред бидејќи идеалната локација на зоната на емисија е ограничена на првиот анти-нод од интерфејсот органско/метал, што го отежнува намалувањето на SPP модовите преку поголемо растојание емитер-метал , . Алтернативен метод што обично се користи за намалување на SPP е вклучување на внатрешни брановидни структури или брановидни површини , но толеранцијата на електрични кратки споеви често може да биде компромитирана од такви пристапи. Методот што го усвојуваме овде е да вклучиме слој со низок индекс на рефракција, што е покажано дека ефикасно ги намалува SPP модовите , . За среќа, GraHIL или самоорганизиран градиентен слој за инјектирање на дупки составен од PEDOT:PSS и кополимер од тетра-флуороетилен-перфлуоро-3, 6-диокса-4-метил-7-октасулфонска киселина (PFI), кој претходно беше предложен од авторите и беше покажано дека е многу ефикасен во подобрувањето на инјектирањето на дупки во OLED-ите базирани на графен , има индекс на рефракција околу 1,42 при од 550 nm ( ), што е многу пониско од оние на типичните органски слоеви ( =1,8). Со синергетското дејство на слоевите со висок и низок индекс што ги опкружуваат графенските слоеви, подобрувањето на резонансниот ефект на шуплината и намалувањето на SPP модовите може така да се направат истовремено, така што EQE може значително да се зголеми дури и без структури за излез. 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 Furno et al. преку целиот видлив спектарен опсег, и на од 550 nm. Формализмот ги зема предвид Purcell факторот, ефектот на ориентацијата на диполот и ексцитациите на SPP и брановидните модови. Сеопфатното вклучување на сите овие фактори се покажува како критично за прецизна анализа и квантитативен дизајн, бидејќи може да дојде до недооценување или преоценување 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 прераспределува релативните содржини на моќност меѓу разните модови кон помали бранови вектори во рамнината, така што моќта поврзана со SPP модовите се намалува и излезните делови се дополнително подобрени ( ). Исто така, може да се види во дека употребата на TiO2 слојот под графенот ефикасно го потиснува количеството на моќност поврзана со брановидни и подложни модови преку резонантно подобрување. Ова води до значително зголемување на ефикасноста на излезот, иако загубата на еванесцентни модови исто така се покажува дека се зголемува поради поместувањето на трансверзално-електричните брановидни модови кон поголеми нормализирани бранови вектори во рамнината ( ). Комбинираната употреба на TiO2 слоеви со висок индекс (H) и GraHIL слоеви со низок индекс (L), резултира во идеална ситуација каде што резонантното подобрување е големо, а загубата на SPP/еванесцентни модови е намалена. Покрај тоа, комбинираната употреба создава ситуација слична на HL-слоеви, што обично се користи за повеќеслојни тенкослојни облоги , и дури дополнително го подобрува bot ( ), овозможувајќи дополнително подобрување во ефектот на Фабри-Перо резонанца. Она што ја прави предложената технологија уникатна и напредна во однос на конвенционалните технологии е токму синергетската соработка на овие слоеви со висок и низок индекс кои овозможуваат оптичко управување и со резонансниот ефект и со SPP загубата во корист на максимален излез; и дополнително резонантно подобрување преку HL слоеви. Заедно со нивната вродена компатибилност со посакуваните електрични својства (на пример, ефикасно инјектирање на дупки), сите овие оптички придобивки овозможуваат целосно отклучување дури и на скриениот потенцијал што рамните OLED-и навистина можат да го понудат. Контурните графикони добиени за оптички достапна максимална EQE ( EQE (max)) како функција на органската ( org) и TiO2 дебелина ( TiO2) прикажани на покажуваат дека EQE (max) може да биде дури 44% кај уредите со слоеви GraHIL и TiO2, додека би било ограничено на 38% без GraHIL или на 31% без TiO2. Оптималните услови соодветствуваат на ситуација каде што H (со H што 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 оние што се очекуваат за оптимизирани, конвенционални OLED-и со шуплина 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 ексцитација на SPP модови во полу-транспарентни електроди (види и за споредба со оние на конвенционални OLED-и со шуплина базирани на тенки метали). Слика 2а,б 19 λ Дополнителна слика 4 Дополнителна табела 1 Дополнителна забелешка 1 Дополнителна слика 5а Дополнителна табела 2 Дополнителна слика 5б 30 R Слика 1г η d d Слики 1в,г η d λ n λ η Дополнителна слика 6 Дополнителна табела 3 ( , ) Пресметани спектри на дисипација на моќност, пондерирани 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 испрекирани линии ги означуваат границите што ги делат претставничките оптички модови вклучувајќи излезна, подложно-ограничена (subs), брановидна (wg) и еванесцентна модови. ( ) Пресметана дисипација на моќност наспроти нормализиран брановиден вектор во рамнината на =550 nm за разни структури на електроди под студија. За уредите со TiO2, TiO2 беше фиксиран на 55 nm, а org беше избран за оптимални услови во секој случај. За уредите без TiO2, org беше поставен на истата вредност како оној на соодветниот пар кај уредите со TiO2. а б а б в λ d d d Перформанси на изработените OLED-и базирани на графен Инспирирани од резултатите од симулацијата прикажани погоре, изработивме зелени OLED-и базирани на фосфоресцентни емитери на 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 пакет дефиниран во Методи. Експерименталните резултати прикажани на покажуваат дека максималната EQE, ефикасноста на напојување и ефикасноста на струјата добиени за уредот базиран на TiO2/graphene/GraHIL се дури 40,8%, 160,3 lm W−1 и 168,4 cd A−1, соодветно, додека тие вредности се ограничени на 31,7%, 112,6 lm W− N Слика 3