Научниците отклучуваат ултра-ефикасни флексибилни дисплеи со помош на 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 Органските светло-емитирачки диоди (OLED) базирани на графен неодамна се појавија како клучна компонента неопходна во дисплеите и осветлувањето од следната генерација, главно поради нивниот потенцијал за високо флексибилни извори на светлина. Сепак, нивната ефикасност, во најдобар случај, беше споредлива со конвенционалните, базирани на индиум калај оксид. Овде предлагаме идеална структура на електрода базирана на синергетско интеракција на TiO2 слоеви со висок индекс и слоеви за инјектирање на дупки со низок индекс кои ги опфаќаат графенските електроди, што резултира со идеална ситуација каде што подобрувањето преку резонанца на шуплината е максимизирано, а загубата на површински плазмонски поляритон е ублажена. Предложениот пристап води до OLED со ултра висока надворешна квантна ефикасност од 40,8 и 62,1% (64,7 и 103% со полу-сферична леќа) за едно- и повеќе-спојни уреди, соодветно. OLED-ите направени на пластика со тие електроди се повеќекратно свиткувачки со радиус од 2,3 mm, делумно поради TiO2 слоевите кои издржуваат флексурален стрес до 4% преку калење со одбивање на пукнатини. Вовед Предностите во формата, како што се флексибилноста и растегливоста, им донесоа големо внимание на органските светло-емитирачки диоди (OLED) за употреба во новите уреди како што се носливи, ролни или преклопливи дисплеи кои бараат мобилност, деформабилност и/или експанзибилност , . Целосното остварување на ваквиот потенцијал, сепак, не е тривијално и бара значителни напори во различни аспекти, како што е развојот на технологии за тенкослојни транзистори на ниска температура и/или флексибилно капсулирање . Друг важен аспект што треба да се земе предвид за високо флексибилни дисплеи е наоѓањето проѕирни електроди (TE) кои можат да ги заменат електродите од индиум калај оксид (ITO), кои обично страдаат од ограничена флексибилност и потенцијални проблеми со трошоците поврзани со голема побарувачка и/или нестабилно снабдување . Во овој поглед, беа предложени неколку видови флексибилни проѕирни електроди како што се метални наножици, јаглеродни материјали (на пример, јаглеродни наноцевки или графен) и метални решетки во комбинација со други видови TE за OLED , , , , , . Меѓу нив, графенот - атомски тенок слој 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 проѕирни електроди кои имаат мала или никаква оптичка заматеност, мазна површинска топологија што спречува електрични кратки споеви и деградација предизвикана од грубост, висок пренос, низок отпор на слојот и висок степен на флексибилност истовремено , . Лесната подготовка на висококвалитетен графен на големи пластични подлоги неодамна беше демонстрирана за проѕирни електроди со методи компатибилни со масовно производство од индустриски сектори, покажувајќи ја нивната практична одржливост , . Беше покажано дека и еднослојниот графен (SLG) и повеќеслојниот графен (MLG) имаат адекватни перформанси за TE во OLED , . Особено, беа постигнати ефикасни OLED базирани на графен со помош на слоеви за инјектирање на дупки (HIL) што се користат за да се надмине нивната релативно ниска работна функција, која е познато дека изнесува околу 4,5 eV. Ваквите слоеви за инјектирање вклучуваат спроводливи полимери со градиентни електронски својства наречени самоорганизиран градиент HIL (GraHIL) , и тенки MoO3 тампон слоеви во комбинација со спроводливи полимери на поли(3,4-етилендиокситиофен): полистирен сулфонат (PEDOT:PSS) . Сепак, ефикасноста на моќта и надворешната квантна ефикасност (EQE) на овие најсовремени OLED базирани на графен сè уште беа на ниво со оние на OLED базирани на ITO, освен ако не се користеше обемна хемисферична леќа за подобрување на надворешното извлекување . Обезбедувањето на највисока можна ефикасност е особено важно за флексибилни 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 повикува на развој на архитектура на уред што може да ја максимизира ефикасноста на OLED базирани на графен. Клучниот предизвик е да се развие структура или методологија за целосно да се искористи нивниот 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 кои ги опфаќаат графенските електроди. Со оптичкиот дизајн што целосно ја искористува 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 базирани на графен покажуваат ултра висока EQE што е невидена кај оние што користат графен како проѕирен електрода. Покрај тоа, откриена е необично висока отпорност на TiO2 на флексурален стрес што овозможува пластични OLED кои се не само ефикасни, туку и многу флексибилни. Резултати Оптички дизајн на високо ефикасни OLED базирани на графен Ефикасноста на OLED е ограничена во крајна линија од конечната ефикасност на надворешното извлекување што обично изнесува најмногу околу 20% за уреди со изотропни емитери. Меѓу разните шеми за подобрување на надворешното извлекување предложени досега , метод базиран на резонанца на микрошуплина има предности во тоа што одржува рамна геометрија без употреба на микро/нано структурирање или леќеста структура, така што OLED-ите направени од нив не се подложени на електрични кратки споеви и оптички артефакти неповолни за апликации на дисплеи (на пример, замаглување, дифракција и слично), но сепак 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, OLED базирани на ITO исто така можат да бидат оптимизирани за максимална ефикасност, без да предизвикаат никаква оптичка заматеност или замаглување, едноставно со прилагодување на дебелината на ITO слоевите; во оваа шема, првореден, 3 /4 дизајн на шуплина, каде што се однесува на бранова должина, се постигнува со отворениот крај на модот на шуплината поставен на интерфејсот ITO/супстрат , . Во случај на OLED без ITO, базирани на графен, сепак, графенските електроди не можат да бидат доволно дебели за да се контролира должината на шуплината, што го отежнува подобрувањето на ефикасноста преку ефектот на резонанца . 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 тенки метални електроди со диелектрична капа , , , . Бидејќи светлината може да помине низ графенот со мала фазна разлика поради вродената тенкост на графенската електрода, 3 /4 дизајнот на шуплина може да се постигне погодно, на пример, со оптичката дебелина на органските плус слоевите за инјектирање и слојот со висок индекс поставени на приближно 2 /4 и /4, соодветно ( ). Особено, „ /4-дебелиот“ слој со висок индекс исто така функционира како диелектрично огледало без метали што овозможува значителен одраз од склопот на долниот електрода ( bot) за светлината што паѓа од органските слоеви, како што може да се потврди на графиконите прикажани на дното на . Ова му дава на OLED базирани на графен можности да ја подобрат својата ефикасност преку ефектот на резонанца, што инаку не би било можно. Се покажува дека bot и придружното подобрување на резонанцата 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 на понизок почетен стрес со поголема физичка дебелина . Успешниот слој со висок индекс во оваа шема треба да има што е можно поголем H. Покрај тоа, треба да биде проѕирен, а пред сè, не треба да биде оштетен од даден процес на пренос на графен. Меѓу разните кандидати, испрсканиот TiO2 слој е проѕирен во видливиот спектарен опсег и има релативно висок индекс на рефракција ( =2,5). За разлика од другите слоеви со висок индекс што ги пробувавме, TiO2 слојот покажува хемиска издржливост отпорна на процеси на пренос на графен што користат растворувач, како што се ацетон или изопропил алкохол (IPA), дозволувајќи формирање на висококвалитетна графенска електрода на неговата површина ( ). n Сл. 1а 17 20 21 22 λ λ λ Сл. 1б λ R Сл. 1c,d R n Дополнителна слика 1 n d d 23 n n Дополнителна слика 2 ( ) Шема на структурата на уредот на предложените OLED. ( ) Дистрибуција на интензитетот на електромагнетното поле (испрекинати линии) на изучуваните OLED за нивниот соодветен дизајн на шуплина од прв ред. Исто така е прикажана распределбата на интензитетот на полето на OLED базиран на графен без TiO2 за споредба на случајот кога вредностите на дебелината на органските слоеви се исти како кај OLED со TiO2, но без HIL со низок индекс. ( , ) Пресметана максимална надворешна квантна ефикасност ( EQE) на OLED базирани на графен со TiO2 подслој како функција на дебелината на TiO2 и органскиот слој (соодветно TiO2 и org). 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 од секој случај, рефлексивноста ( bot) од склопот на долниот електрода (TiO2/graphene/(HIL)) како целина е прикажана како функција на TiO2 за светлината што паѓа од органските слоеви. a b c d η d d η c d R d Вреди да се напомене дека може да биде возможна и повисокоредна структура на микрошуплина (на пример, втор ред, 5 /4 шуплина) базирана на дебел органски стек. Во оваа работа, сепак, прво беше избран дизајнот на шуплина од прв ред бидејќи резултира со посилен Purcell ефект и помалку брановидни модови отколку дизајнот од повисок ред, што во крајна линија доведува до поголема ефикасност на надворешното извлекување и EQE , . Предизвиците сè уште постојат за дизајнот на шуплина од прв ред бидејќи идеалната локација на зоната на емисија е ограничена на првиот антинод од интерфејсот органско/метал, што го отежнува намалувањето на SPP модовите преку подолга далечина емитер-до-метал , . Алтернативен метод што обично се користи за намалување на SPP е вклучување на внатрешни брановидни структури или брановидни бранови , но толеранцијата на електрични кратки споеви честопати може да биде компромитирана од вакви пристапи. Методот што го усвојуваме овде е да вклучиме слој со низок индекс на рефракција, за кој 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 на 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 на дупки во OLED базирани на графен , има индекс на рефракција околу 1,42 на од 550 nm ( ), што е многу пониско од оние на типичните органски слоеви ( =1,8). Со синергетското интеракција на слоевите со висок и низок индекс што ги опфаќаат графенските слоеви, подобрувањето на резонансниот ефект на шуплината и намалувањето на SPP модовите може истовремено да се направат, така што EQE може значително да се зголеми дури и без структури за надворешно извлекување. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ Дополнителна слика 3 n ги прикажуваат резултатите од оптичката симулација базирани на напредна класична електромагнетна теорија сумирана од Furno . низ целиот видлив спектарен опсег, и на од 550 nm. Формализмот зема предвид Purcell фактор, ефект на диполна ориентација, и ексцитации на SPP и брановидни 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 прераспоредува релативните содржини на моќност меѓу разните модови кон помали рамни бранови вектори, така што моќта вклучена во SPP модовите се намалува и надворешно извлечените делови се дополнително подобрени ( ). Исто така може да се види во дека употребата на TiO2 слојот под графенот ефикасно ја потиснува количината на моќност вклучена во брановидните и подложните модови преку подобрување на резонанцата. Ова води до значително зголемување на ефикасноста на надворешното извлекување, иако загубата на еванесцентни модови исто така се покажува дека се зголемува поради поместувањето на попречно-електричните брановидни модови кон повисоки нормализирани рамни бранови вектори ( ). Комбинираната употреба на слоеви со висок индекс (H) TiO2 и низок индекс (L) GraHIL, резултира со идеална ситуација каде што подобрувањето на резонанцата е големо, а загубата на SPP/еванесцентни модови е ублажена. Покрај тоа, комбинираната употреба создава ситуација слична на HL-стекови, обично користена за повеќеслојно обложување со тенки филмови , и дури дополнително го зголемува 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 што овозможуваат оптичко управување и со ефектот на резонанца и со SPP загубата во предност на максималното надворешно извлекување; и дополнително подобрување на резонанцата преку HL нанижување. Заедно со нивната вродена компатибилност со посакуваните електрични својства (на пример, ефикасно инјектирање на дупки), сите овие оптички придобивки овозможуваат целосно да се искористи дури и скриениот потенцијал што рамните OLED навистина можат да го понудат. Контурните графикони добиени за оптички достапната максимална EQE ( EQE (max)) како функција на органската ( org) и TiO2 дебелина ( TiO2) 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 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 очекуваните за оптимизирани, конвенционални OLED со шуплина базирани на тенки метали со истиот емитер. Ова може да се припише на фактот дека предложената архитектура е помалку предмет на загуба поради апсорпција на фотони и/или ексцитација на SPP модови во полупроѕирни електроди (види и за споредба со оние на конвенционалните OLED со шуплина базирани на тенки метали). Слика 2а,б et al 19 λ Дополнителна слика 4 Дополнителна табела 1 Дополнителна напомена 1 Дополнителна слика 5а Дополнителна табела 2 Дополнителна слика 5б 30 R Сл. 1г η d d Сл. 1в,г η d λ n λ η Дополнителна слика 6 Дополнителна табела 3 ( , ) Пресметани спектри на дисипација на енергијата, тежински со спектарот на емитер во произволни единици (мапирани како боја дефинирана во лентите во боја) наспроти рамниот бран вектор: ( ) со TiO2, но без GraHIL; ( ) со TiO2 и GraHIL. Црните испрекирани линии ги означуваат границите што ги делат претставителните оптички модови вклучувајќи надворешно извлечени, ограничени од супстратот (subs), брановидни (wg) и еванесцентни модови. ( ) Пресметана дисипација на енергијата наспроти нормализиран рамен бран вектор на =550 nm за разни изучувани електродни структури. 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 и оној на соодветните уреди во уредите со TiO2. a b a b c λ d d d Перформанси на изработените OLED базирани на графен Инспирирани од горе прикажаните резултати од симулацијата, изработивме зелени OLED базирани на фосфоресцентни емитери на бис(2-(2-пиридинил- )фенил-C)(ацетилацетонат) иридиум (III) (Ir(ppy)2acac) во конфигурација стакло/анода/(HIL)/OS1/LiF/Al со различни структури 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 максималната EQE, е N Сл. 3