Шинжлэх ухаанч эрдэмтэд графен болон титан диоксид ашиглан хэт үр ашигтай уян хатан дэлгэцийн төхөөрөмжүүдийг нээжээ.

Зохиогчид: 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 Хураангуй Графен- суурьтай органик гэрэлтүүлэгч диодууд (OLED) нь сүүлийн үед дараагийн үеийн дэлгэц болон гэрэлтүүлгийн гол элемент болж гарч ирсэн бөгөөд голчлон өндөр уян хатан гэрэл үүсгүүр болгон амлалт өгдөг. Гэсэн хэдий ч тэдний үр ашиг нь, хамгийн сайн нь, уламжлалт, индиум цагаан тугалга исэл (ITO)- суурьтай төстэй байв. Бид энд өндөр индексжүүлэлттэй TiO₂ давхаргууд болон графен электродуудыг ороосон бага индексжүүлэлттэй цэнэг дамжуулагч давхаргуудын синергетик харилцан үйлчлэлд суурилсан төгс электродын бүтцийг санал болгож байна. Энэ нь циклийн резонансын нөлөөгөөр сайжруулалт хамгийн их байх боловч гадаргуугийн плазмон поляритон руу чиглэсэн алдагдлыг бууруулсан төгс нөхцлийг бий болгодог. Санал болгосон арга нь хувь хагастай линзгүйгээр тус тусад нь болон олон үеийн төхөөрөмжүүдэд харгалзан 40.8 ба 62.1% (хувь хагастай линзээр 64.7 ба 103%) хэт өндөр гадаад квантын үр ашгийг үзүүлдэг OLED-уудыг бий болгодог. Эдгээр электродуудтай хуванцар дээр хийсэн OLED-ууд нь 2.3 мм-ийн радиустай нугалахад дахин дахин нугалагдах боломжтой бөгөөд энэ нь хэсэгчлэн 4% хүртэлх нугалалтын дарамтанд тэсвэртэй TiO₂ давхаргуудтай холбоотой бөгөөд энэ нь ан цав үүсэхээс сэргийлэх аргаар ялгардаг. Танилцуулга Уян хатан байдал, суналт зэрэг хэлбэр дүрсийн давуу талууд нь органик гэрэлтүүлэгч диод (OLED)-ийг зөөврийн, ороомог хэлбэрийн болон эвхэгддэг дэлгэц гэх мэт шинэлэг төхөөрөмжүүдэд хэрэглэхэд ихээхэн анхаарал татсан бөгөөд энэ нь хөдөлгөөн, деформаци болон/эсвэл өргөтгөх чадварыг шаарддаг , . Гэсэн хэдий ч ийм боломжийг бүрэн дүүрэн хэрэгжүүлэх нь тийм ч амар биш бөгөөд бага температурт нимгэн хальман транзисторын технологи болон/эсвэл уян хатан бүрэлтийг хөгжүүлэх зэрэг янз бүрийн талбарт ихээхэн хүчин чармайлт шаарддаг . Уян хатан дэлгэцийн хувьд өөр нэг чухал зүйлийг авч үзэх шаардлагатай нь ихэвчлэн хязгаарлагдмал уян хатан байдал, өндөр эрэлт ба/эсвэл тогтворгүй хангамжтай холбоотой зардлын асуудалтай тулгардаг индиум цагаан тугалга исэл (ITO) электродуудыг орлох боломжтой ил тод электродуудыг (TE) олох явдал юм . Энэ талаар металл нано утс, нүүрстөрөгчийн үндсэн материал (жишээлбэл, нүүрстөрөгчийн нано хоолой эсвэл графен) ба бусад төрлийн TE-тэй хослуулсан металл тор гэх мэт уян хатан ил тод электродуудын хэд хэдэн төрлийг OLED-д санал болгосон , , , , , . Тэдгээрийн дотроос графен - sp²-гибридчлэгдсэн нүүрстөрөгчийн атомуудын атом тусгаарлагдсан давхарга - нь түүний өвөрмөц нимгэн байдал, цахилгаан шинж чанарын өндөр чанар нь бага эсвэл огт оптик бүдэгрэлгүй, ойлгомжгүй цахилгаан богино холболт ба доройтлоос үүдэлтэй барзгар байдлыг урьдчилан сэргийлэх, өндөр дамжуулалт, бага хуудасны эсэргүүцэл ба өндөр уян хатан байдлыг нэгэн зэрэг хангасан төгс ил тод электродууд болох төлөвтэй байгаа тул ирээдүйтэй гэж үзэгдэж байна , . Хуванцар субстратууд дээр өндөр чанартай графенийг амархан бэлтгэх нь аж үйлдвэрийн салбаруудад масс үйлдвэрлэлд тохиромжтой аргуудаар ил тод электродын хувьд саяхан батлагдсан бөгөөд тэдгээрийн бодит боломжийг харуулсан , . Нэг давхар графен (SLG) ба олон давхар графен (MLG) аль аль нь OLED-д TE-ийн хувьд хангалттай гүйцэтгэлтэй байсан нь харагдсан , . Тухайлбал, цэнэг дамжуулалтын давхаргын (HIL) тусламжтайгаар үр ашигтай графен-суурьтай OLED-ууд нь тэдний харьцангуй бага ажиллах функц, ойролцоогоор 4.5 eV байдаг нь нөхцөлд хүртэл хийгдсэн. Ийм дамжуулагч давхаргууд нь өөрийгөө зохион байгуулдаг градиент HIL (GraHIL) гэж нэрлэгддэг электрон шинж чанарын градиенттэй дамжуулагч полимерүүдийг агуулдаг , мөн поли(3,4-этилендиокситиофен): полистирол сульфонат (PEDOT:PSS) бүхий дамжуулагч полимерүүдтэй хослуулсан нимгэн MoO₃ буфер давхаргууд . Гэсэн хэдий ч эдгээр хамгийн сүүлийн үеийн графен-суурьтай OLED-уудын эрчим хүчний үр ашиг ба гадаад квантын үр ашиг (EQE) нь том хагас бөмбөрцөг хэлбэртэй линз ашиглагдаагүй тохиолдолд ITO-суурьтай OLED-уудтай дүйцэхүйц хэвээр байсан . Хамгийн өндөр боломжит үр ашгийг баталгаажуулах нь ялангуяа уян хатан дэлгэц нь хэмжээ, жин эсвэл хэлбэр дүрсийн хязгаарлалтаас болж энергийн багтаамж нь маш хязгаарлагдмал зайтай байдаг зайлшгүй зайлшгүй хэрэглээнд хамаардаг тул энэ нь зайлшгүй чухал ач холбогдолтой юм. Энэ нь графен-суурьтай OLED-уудын үр ашгийг хамгийн ихээр нэмэгдүүлэх чадвартай төхөөрөмжийн архитектурыг хөгжүүлэхийг шаардаж байна. Нэг гол сорилт нь тэдгээрийн оптик боломжийг бүрэн нээх бүтцийг эсвэл аргыг боловсруулах явдал юм. Графены давуу талыг аль болох хэлбэр дүрстэйгээ хадгалах. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 Үүний тулд бид энд өндөр индексжүүлэлттэй TiO₂ давхаргууд болон бага индексжүүлэлттэй HIL-үүд нь графен электродуудыг ороосон энгийн электродын архитектурыг судалж байна. Өндөр ба бага индексжүүлэлттэй давхаргуудын синергетик хамтын ажиллагаанаас бүрэн ашиг тус авч, циклийн резонансын нэмэгдэл ба гадаргуугийн плазмон поляритон (SPP) руу чиглэсэн алдагдлыг хянадаг оптик дизайны тусламжтайгаар санал болгосон графен-суурьтай OLED-ууд нь графен ашигласан эдгээр төхөөрөмжүүдэд урьд өмнө байгаагүй хэт өндөр EQE-ийг үзүүлдэг. Цаашилбал, TiO₂-ийн уян хатан дарамтанд гайхалтай өндөр эсэргүүцэл нь уян хатан OLED-уудыг зөвхөн үр ашигтай төдийгүй өндөр уян хатан байдлыг хангадаг. Үр дүн Өндөр үр ашигтай графен-суурьтай OLED-уудын оптик дизайн OLED-уудын үр ашиг нь эцсийн эцэст ердийн 20% орчим байдаг гадаад гэрэл гаргах чадвараар хязгаарлагддаг. Одоог хүртэл санал болгосон янз бүрийн гадаад гэрэл гаргах схемүүдээс , микроциклийн резонансад суурилсан арга нь ямар нэгэн микро/нано бүтэц эсвэл линз хэлбэрийн бүтэц ашиглахгүйгээр хавтгай геометрийг хадгалж чаддаг тул үүссэн OLED-ууд нь цахилгаан богино холболт ба дэлгэцийн хэрэглээнд тааламжгүй оптик гажиг (жишээлбэл, бүдэгрэл, дифракци гэх мэт) үүсгэхгүй, гэхдээ сайжруулсан үр ашигтайгаар өндөр цэвэр, ханасан улаан (R), ногоон (G), цэнхэр (B) анхдагч өнгө үзүүлж чаддаг давуу талтай , . Сул боловч бас чухал микроциклийн нөлөөтэйгөөр, ITO-суурьтай OLED-ууд нь оптик бүдэгрэл эсвэл бүдэгрэл үүсгэхгүйгээр зөвхөн ITO давхаргын зузааныг тохируулах замаар хамгийн их үр ашигт тохируулагдах боломжтой. Энэ схемийг дагаад, эхний ээлжийн, 3λ/4 циклийн дизайн, энд λ нь долгионы уртыг илэрхийлдэг, циклийн горимын нээлттэй төгсгөлийг ITO/субстрат интерфэйс дээр байрлуулна , . ITO-гүй, графен-суурьтай OLED-уудын хувьд, графен электродуудыг циклийн уртыг хянах хангалттай зузаан хийх боломжгүй тул энэ нь резонансын нөлөөгөөр үр ашгийг дээшлүүлэхэд хэцүү болгодог . 15 16 17 18 19 20 Үүний оронд, өндөр индексжүүлэлттэй (nH) нимгэн давхаргыг графений давхаргын доор байрлуулж болно, энэ нь -д харуулав. Энэ нь диэлектрик бүрхүүл бүхий нимгэн металл электродуудтай төстэй , , , . Гэрэл нь графенийг бага фазын ялгаатайгаар нэвтэлж чаддаг тул графен электродын өвөрмөц нимгэн байдалтай холбоотой, 3λ/4 циклийн дизайныг амархан хийж болно, жишээлбэл, органик + дамжуулагч давхаргууд ба өндөр индексжүүлэлттэй давхаргын оптик зузаан нь тус тусдаа ойролцоогоор 2λ/4 ба λ/4 байхаар тохируулна ( ). Ялангуяа, 'λ/4 зузаантай' өндөр индексжүүлэлттэй давхарга нь металлгүй, диэлектрик толь болж ажилладаг бөгөөд органик давхаргуудаас ирж буй гэрлийн хувьд доод электродын угсралтын (Rbot) ихээхэн ойлтыг бий болгодог. Үүнийг -д үзүүлсэн графикуудаас харж болно. Энэ нь графен-суурьтай OLED-уудад резонансын нөлөөгөөр үр ашгийг дээшлүүлэх боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь өөрөөр боломжгүй байсан. Rbot болон дагалдах резонансын нэмэгдэл нь nH-тэй нэмэгддэг нь харагдлаа ( ). Өндөр индексжүүлэлт нь уян хатан байдлын үүднээс ашигтай байдаг, учир нь зорилтот оптик зузаан (nHdH) нь бага физик зузаан dH-тэйгээр олж авч болно, мөн нугалалтаас үүдэлтэй хальман ан цав нь ерөнхийдөө илүү өндөр физик зузаантай үед бага эхлэх дарамттай үүсдэг . Энэ схемийн амжилттай өндөр индексжүүлэлттэй давхарга нь аль болох өндөр nH байх ёстой. Цаашилбал, энэ нь ил тод байх ёстой, хамгийн чухал нь графен дамжуулах үйл явцаар гэмтэх ёсгүй. Янз бүрийн сонголтуудаас, шатааж хийсэн TiO₂ давхарга нь харагдах спектрийн мужид ил тод байдаг бөгөөд харьцангуй өндөр индексжүүлэлттэй (n=2.5) байдаг. Бидний туршиж үзсэн бусад өндөр индексжүүлэлттэй давхаргуудаас ялгаатай нь TiO₂ давхарга нь ацетон эсвэл изопропилийн спирт (IPA) зэрэг уусгагчийг ашигладаг графен дамжуулах үйл явцад тэсвэртэй химийн тэсвэртэй байдаг нь чанартай графен электродын үүсэх боломжийг олгодог ( ). Зураг 1a 17 20 21 22 Зураг 1b Зураг 1c,d Нэмэлт зураг 1 23 Нэмэлт зураг 2 ( ) Санал болгосон OLED-уудын төхөөрөмжийн бүдүүвч зураг. ( ) Судалгаанд хамрагдсан OLED-уудын эхний ээлжийн циклийн дизайны цахилгаан соронзон орны эрчим (тасархай шугамууд). TiO₂гүй графен-суурьтай OLED-ын талбайн эрчим нь TiO₂-тэй боловч бага индексжүүлэлттэй HILгүй OLED-ын тохиолдлын харьцуулалтаар бас харагдуулна. ( , ) TiO₂ доод давхаргатай графен-суурьтай OLED-ын тооцоолсон хамгийн их гадаад квантын үр ашиг (ηEQE) нь TiO₂ болон органик давхаргын зузаан (dTIO₂ болон dorg, тус тус) -аас хамааралтай. Тасархай шугамууд нь 10, 20, 30 эсвэл 40% ηEQE-ийн контурын шугамуудыг зааж байна. ( ) Бага индексжүүлэлттэй HILгүй; ( ) GraHIL-ийг бага индексжүүлэлттэй HIL болгон ашигласан. Тус тусын доод талд, органик давхаргуудаас ирж буй гэрлийн хувьд доод электродын угсралтын (TiO₂/graphene/(HIL)) ойлт (Rbot) нь dTIO₂-ийн функц болгон үзүүлсэн. a b c d c d Анхаарах зүйл нь зузаан органик багц дээр суурилсан өндөр ээлжийн микро-циклийн бүтэц (жишээлбэл, хоёрдугаар ээлж, 5λ/4 циклийн) бас боломжтой байж болно. Гэхдээ энэ ажилд эхний ээлжийн циклийн дизайн нь илүү хүчтэй Пурселл нөлөө ба өндөр ээлжийн загвараас бага долгион дамжуулагч горимуудтай тулгардаг тул эцсийн эцэст илүү их гадаад гэрэл гаргах чадвар ба EQE-ийг бий болгодог , . Эхний ээлжийн циклийн дизайнд бэрхшээлүүд хэвээр байна, учир нь ялгаруулах бүсийн хамгийн тохиромжтой байршил нь катодтой ойр байх эхний антинод байршилтай хязгаарлагддаг тул ялгаруулагчаас металл руу чиглэсэн зайг уртасгах замаар SPP горимуудыг бууруулахад хэцүү болдог , . SPP-г бууруулахын тулд өөр нэг арга бол дотоод долгионт бүтэц эсвэл хотгор байгууламжийг оруулах явдал юм , гэхдээ цахилгаан богино холболтод тэсвэртэй байдал нь ийм арга барилаар ихэвчлэн алдагддаг. Бидний энд хэрэглэсэн арга нь бага индексжүүлэлттэй давхаргыг оруулах явдал бөгөөд энэ нь SPP горимуудыг үр дүнтэй бууруулдаг нь тогтоогдсон , . Аз болоход, GraHIL эсвэл PEDOT:PSS ба тетра-фторэтилен-перфлюоро-3, 6-диокса-4-метил-7-октенсульфоны хүчлийн сополимер (PFI) -аас бүрдсэн өөрийгөө зохион байгуулдаг цэнэг дамжуулагч градиент давхарга, нь өмнө нь зохиогчдын санал болгосон бөгөөд графен-суурьтай OLED-уудад цэнэг дамжуулалтыг сайжруулахад маш үр дүнтэй байсан , нь 550 нм долгионы урттай λ дээр ойролцоогоор 1.42 индексийн хугарлын коэффициенттэй байдаг ( ), энэ нь ердийн органик давхаргуудын хугарлын коэффициент (n=1.8) -аас хамаагүй бага юм. Өндөр ба бага индексжүүлэлттэй давхаргуудын синергетик харилцан үйлчлэлийн ачаар, циклийн резонансын нөлөөг сайжруулах ба SPP горимуудыг бууруулах нь нэгэн зэрэг хийгдэж болно, ингэснээр гадаад гэрэл гаргах бүтэцгүйгээр ч EQE-ийг ихээхэн нэмэгдүүлэх боломжтой. 24 25 25 26 27 28 29 13 Нэмэлт зураг 3 нь Фурино ба бусад -ийн товчлолд оруулсан дэвшилтэт сонгодог цахилгаан соронзон онолын үндсэн дээр хийсэн оптик симуляцийн үр дүнг үзүүлдэг. Тайлан нь Пурселл коэффициент, диполь чиглэлийн нөлөө, SPP ба долгион дамжуулагч горимуудын өдөөлтийг харгалзан үздэг. Эдгээр бүх хүчин зүйлсийн цогц байдал нь нарийвчлалтай анализ ба тоон дизайны хувьд чухал ач холбогдолтой юм, учир нь нэг буюу хэд хэдэн эффектийг харгалзан үзэхгүйгээр энгийн аргыг ашиглавал хэт үнэлэх эсвэл доогуур үнэлэх боломжтой (үзнэ үү ; ба жишээ болгон). Эндүүрлээс харахад GraHIL-ийг ашиглах нь янз бүрийн горимууд дахь харьцангуй эрчим хүчний агуулгыг доод хавтгайтай долгионы векторуудын хувьд дахин хуваарилдаг тул SPP горимууд руу чиглэсэн эрчим хүч буурч, гаргасан хэсэг нь нэмэгддэг ( ). Мөн -аас харахад графений доор TiO₂-ийг ашиглах нь резонансын нэмэгдлийн улмаас долгион дамжуулагч ба субстрат горимууд руу чиглэсэн эрчим хүчний хэмжээг үр дүнтэй дарангуйлдаг. Энэ нь гадаад гэрэл гаргах чадварыг ихээхэн нэмэгдүүлдэг, гэхдээ evanescent горимууд руу чиглэсэн алдагдал нь хэвтээ-цахилгаан долгион дамжуулагч горимуудыг өндөр хэвийн хавтгайтай долгионы тоолуур руу шилжүүлэхтэй холбоотойгоор нэмэгддэг нь бас харагддаг ( ). Өндөр индексжүүлэлттэй (H) TiO₂ болон бага индексжүүлэлттэй (L) GraHIL давхаргуудын хамтарсан хэрэглээ нь резонансын нэмэгдэл их байх боловч SPP/evanescent горимууд руу чиглэсэн алдагдлыг бууруулсан төгс нөхцлийг бий болгодог. Нэмж дурдахад, хамтарсан хэрэглээ нь HL-багцтай төстэй нөхцлийг бий болгодог бөгөөд энэ нь ихэвчлэн олон давхаргын нимгэн хальман бүрхүүлд ашиглагддаг , мөн Rbot-ийг цаашид сайжруулдаг ( ), энэ нь Фабри-Перотын резонансын нөлөөг нэмж сайжруулах боломжийг олгодог. Санал болгосон технологийг сонгодог технологиудтай харьцуулахад өвөрмөц ба дэвшилтэт болгодог зүйл нь эдгээр өндөр ба бага индексжүүлэлттэй давхаргуудын синергетик хамтын ажиллагаа бөгөөд энэ нь хамгийн их гадаад гэрэл гаргахын тулд резонансын нөлөө ба SPP алдагдлыг оптик менежментийг хийх боломжийг олгодог; мөн HL бүтэцээр дамжуулан нэмэлт резонансын нэмэгдэл юм. Тусгай цахилгаан шинж чанарт (жишээлбэл, үр ашигтай цэнэг дамжуулалт) тэдгээрийн өөрийн нийцэмжтэй байдлыг харгалзан үзвэл, эдгээр бүх оптик ашиг нь хавтгай OLED-ууд бодит байдалдаа юу өгч чадахыг бүрэн нээх боломжийг олгодог. Хавтгай OLED-уудын хамгийн их EQE (ηEQE (max)) -ийн боломжит утгын контурын зураг нь органик (dorg) ба TiO₂ зузаан (dTIO₂) -аас хамааралтай байдлыг -д үзүүлсэн нь GraHIL ба TiO₂ давхаргуудтай төхөөрөмжүүдэд ηEQE (max) нь 44% хүрч болохыг харуулж байна, харин GraHILгүй бол 38% эсвэл TiO₂гүй бол 31% хязгаарлагдах болно. Хамгийн тохиромжтой нөхцөл нь d Зураг 2a,b 19 Нэмэлт зураг 4 Нэмэлт хүснэгт 1 Нэмэлт тэмдэглэл 1 Нэмэлт зураг 5a Нэмэлт хүснэгт 2 Нэмэлт зураг 5b 30 Зураг 1d Зураг 1c,d