Шинжлэх ухаан нь графен, титан диоксид ашиглан хэт үр ашигтай, уян хатан дэлгэцийн технологийг нээлээ

```html 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 (OLED) нь сүүлийн үед дараагийн үеийн дэлгэц, гэрэлтүүлгийн чухал хэсэг болон гарч ирсэн бөгөөд голчлон маш уян хатан гэрлийн эх үүсвэр болгох боломжтой гэдгээрээ онцлог юм. Гэсэн хэдий ч тэдний үр ашиг нь хамгийн сайн нь уламжлалт, индиум цагаан тугалга исэл (ITO) суурьтай төстэй байсан. Энд бид өндөр индекс-тэй TiO2 давхаргын синергетик харилцан үйлчлэлд суурилсан төгс электрод бүтцийг санал болгож байна. Түүнчлэн, графенийг дамжуулах давхаргууд нь дунд нь байрлаж, улмаар нүхний шүүлтүүрийн нөлөөгөөр хамгийн их нэмэгдэл үүсдэг боловч плазмон-поляритоны алдагдлыг бууруулдаг. Санал болгосон арга нь дан болон олон-түвшний төхөөрөмжүүдэд зориулж 40.8 ба 62.1% (хагас бөмбөлөг линзтэй бол 64.7 ба 103%) гадаад квантын үр ашгийг харуулсан OLED-ийг бий болгодог. Эдгээр электродуудтай хуванцар дээр хийсэн OLED нь TiO2 давхаргын ачаар 2.3 мм радиустай нугалах үед эвдрэлгүй давтагдан нугалагддаг бөгөөд хагарлыг сарниулах чадвараараа 4% хүртэлх суналтанд тэсвэртэй байдаг. Оршил Уян хатан байдал, суналт зэрэг хэлбэрээс үүдэлтэй давуу талууд нь органик гэрэлтүүлэгч (OLED) нь зөөврийн, ороомог хэлбэртэй эсвэл нугалах боломжтой дэлгэц зэрэг гарч буй төхөөрөмжүүдэд ашиглахад ихээхэн анхаарал татсан бөгөөд энэ нь хөдөлгөөнт байдал, деформаци болон/эсвэл суналт шаарддаг , . Гэсэн хэдий ч ийм боломжуудыг бүрэн хэрэгжүүлэх нь тийм ч энгийн биш бөгөөд бага температурт нимгэн хальстай транзистор технологи болон/эсвэл уян хатан бүрхүүлтэй байдал зэрэг янз бүрийн талбарт ихээхэн хүчин чармайлт шаарддаг . Илүү уян хатан дэлгэцийн хувьд нэмж анхаарах ёстой чухал зүйл бол индиум цагаан тугалга исэл (ITO) электродуудыг орлуулах чадвартай тунгалаг электродуудыг (TE) олох явдал юм. Энэ нь ерөнхийдөө хязгаарлагдмал уян хатан байдалтай байдаг ба өндөр эрэлт ба/эсвэл тогтворгүй нийлүүлэлттэй холбоотой өртөгтэй холбоотой асуудлуудтай байдаг . Үүнтэй холбогдуулан металл наношуур, нүүрстөрөгчийн материал (жишээлбэл, нүүрстөрөгчийн нано хоолой эсвэл графен) болон бусад төрлийн TE-тэй хослуулсан металл сүлжээ зэрэг хэд хэдэн төрлийн уян хатан тунгалаг электродууд OLED-д санал болгосон , , , , , . Тэдгээрийн дотроос графен нь sp2-эрлийзжүүлсэн нүүрстөрөгчийн атомуудын атом-нимгэн давхарга юм. Энэ нь уламжлалт нимгэн байдал ба дээд зэргийн цахилгаан шинж чанаруудын өвөрмөц хослол нь бага эсвэл бүр байхгүй оптик бүдгэрэл, тод байдал, бат бөх байдал, өндөр дамжуулалт, бага ялтсын эсэргүүцэлтэй төгс тунгалаг электродуудыг бий болгоно гэж хүлээгдэж байгаа тул амлалт өгсөн , . Том хэмжээний хуванцар субстрат дээр өндөр чанартай графенийг амархан бэлтгэх нь үйлдвэрлэлийн салбаруудад масс үйлдвэрлэлд тохиромжтой аргуудаар тунгалаг электродуудад үзүүлсэн нь тэдний практик боломжийг харуулсан , . Гаierstrass нь нэг давхар графен (SLG) ба олон давхар графен (MLG) аль аль нь OLED-д TE-ийн хувьд хангалттай гүйцэтгэлтэй байх нь тогтоогдсон , . Ялангуяа, графенийн харьцангуй бага ажил хийх чадвар (ойролцоогоор 4.5 eV) -ийг даван туулахад ашигладаг нүхний шүүлтүүрийн давхаргын (HIL) тусламжтайгаар үр ашигтай графен-суурьтай OLED-ийг олж авсан. Ийм шүүлтүүрийн давхаргууд нь өөрийгөө зохион байгуулдаг градиент HIL (GraHIL) гэгддэг өөр өөр цахилгаан шинж чанартай дамжуулагч полимерүүдийг багтаана , мөн поли(3,4-этилендиокситиофен): полистирен сульфат (PEDOT:PSS) дамжуулагч полимертэй хослуулсан нимгэн MoO3 буфер давхаргууд . Гэсэн хэдий ч, эдгээр хамгийн сүүлийн үеийн графен-суурьтай OLED-ийн эрчим хүчний үр ашиг ба гадаад квантын үр ашиг (EQE) нь том бөмбөлөг линз нь гадагш гаргах сайжруулалтад ашиглагдаагүй тохиолдолд ITO-суурьтай OLED-тэй тэнцүү байсан . хамгийн өндөр боломжит үр ашгийг хангах нь ялангуяа уян хатан дэлгэцүүдэд маш чухал, учир нь тэд хэмжээ, жин эсвэл хэлбэрийн хязгаарлалтаас болж зай багтаамжтай батерейг ихэвчлэн ашигладаг. Энэ нь графен-суурьтай OLED-ийн үр ашгийг хамгийн их байлгах төхөөрөмжийн архитектурыг боловсруулах шаардлагатай болгож байна. Гол сорилт нь тэдгээрийн бүх оптик боломжуудыг нээх, гэхдээ аль болох хэлбэрийн давуу талуудыг хадгалах бүтцийг боловсруулах явдал юм. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 Үүний тулд, бид өндөр индекс-тэй TiO2 давхаргын болон бага индекс-тэй HIL-ийн графенийн электродуудыг хооронд нь байрлуулсан энгийн электрод архитектурыг судалж байна. Оптик загвар нь өндөр ба бага индекс-тэй давхаргуудын хоорондох синергетик хамтын ажиллагааг бүрэн ашигладаг бөгөөд энэ нь резонансын нэмэгдлийг хянадаг бөгөөд плазмон-поляритоны алдагдлыг бууруулдаг. Санал болгосон графен-суурьтай OLED нь графенийг тунгалаг электрод болгон ашигласан OLED-уудад урьд өмнө байгаагүй өндөр EQE-ийг харуулдаг. Нэмж дурдахад, TiO2 нь суналтын деформацид ер бусын өндөр тэсвэртэй болох нь тогтоогдсон бөгөөд энэ нь хуванцар OLED-ийг зөвхөн үр ашигтай төдийгүй маш уян хатан болгодог. Үр дүн Өндөр үр ашигтай графен-суурьтай OLED-ийн оптик загвар OLED-ийн үр ашгийг ердийн байдлаар 20% орчим байдаг гадагш гаргах үр ашгийн улмаас хязгаарладаг. Одоогийн байдлаар санал болгосон олон төрлийн гадагш гаргах сайжруулалтын схемүүдээс , микрокавитийн резонанс дээр суурилсан арга нь хавтгай геометрийг хадгалдаг давуу талтай бөгөөд ямар нэгэн микро/нано бүтэц эсвэл линз бүтэц ашиглахгүй тул үүний улмаас OLED нь цахилгаан богино холболт ба дэлгэцийн хэрэглээнд тохиромжгүй оптик алдаанд (жишээлбэл, бүдгэрэл, дифракц гэх мэт) өртөхгүй бөгөөд өндөр цэвэр, ханасан улаан (R), ногоон (G), хөх (B) үндсэн өнгийг сайжруулсан үр ашигтайгаар харуулж чадна , . Сул боловч ач холбогдолтой микрокавитийн нөлөөгөөр ITO-суурьтай OLED-үүд нь оптик бүдгэрэл эсвэл бүдгэрэлгүйгээр хамгийн их үр ашгийг хангах зорилгоор оновчтой болгож болно. Үүний тулд ITO давхаргын зузааныг тохируулах шаардлагатай. Энэ схемийн хувьд эхний ээлжийн, 3 /4 кавитийн загвар нь кавитийн горимын нээлттэй төгсгөл ITO/субстратын интерфэйстэй байрладаг , . ITO-гүй, графен-суурьтай OLED-ийн хувьд, графенийн электродуудыг кавитийн уртыг хянах хангалттай зузаантай болгож чадахгүй тул резонансын нөлөөгөөр үр ашгийг сайжруулах нь хэцүү болгодог . 15 16 17 λ 18 19 20 Альтернатив арга бол графенийн давхаргын доор өндөр хугарлын индекс-тэй ( H) нимгэн давхаргыг байрлуулах явдал юм , энэ нь дамжуулагч металл электродын доорхи нимгэн давхаргын хэлбэртэй төстэй , , , . Гравен электрод нь маш нимгэн учраас гэрэл нь бага фазын зөрүүтэйгээр дамжин өнгөрч чаддаг тул 3 /4 кавитийн загвар нь тохиромжтой байдлаар хийгдэж болно. Жишээлбэл, органик ба шүүлтүүрийн давхаргын оптик зузаан ба өндөр хугарлын индекс-тэй давхаргын оптик зузаан нь тус тус ойролцоогоор 2 /4 ба /4 байх болно ( ). Ялангуяа, ' /4 зузаантай' өндөр индекс-тэй давхарга нь металлгүй, диэлектрик толины үүрэг гүйцэтгэж, доод электрод угсралтын ( bot) хангалттай ойлтыг органик давхаргуудаас ирж буй гэрэлд хангадаг. Энэ нь доод талд байгаа зурагнуудаас шалгаж болно ( ). Энэ нь графен-суурьтай OLED-д резонансын нөлөөгөөр үр ашгийг сайжруулах боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь өөрөөр боломжгүй байсан. *R*bot ба нөлөөллийн резонансын нэмэгдэл нь *n*H-тэй хамт нэмэгддэг нь тогтоогдсон ( ). Өндөр хугарлын индекс-тэй байдал нь уян хатан байдлын хувьд ашигтай байдаг, учир нь зорилтот оптик зузаан ( H*d*H) нь бага бие махбодийн зузаан *d*H-тэй хүрч болно, мөн хагарлаас үүдэлтэй бөхийлтийн үед үүсдэг хагарлын эхлэх дарамт нь ихэвчлэн том бие махбодийн зузаантай байх үед бага байдаг . Энэ схемийн амжилттай өндөр индекс-тэй давхарга нь аль болох том *n*H-тэй байх ёстой. Түүнээс гадна, энэ нь тунгалаг байх ёстой, хамгийн чухал нь графенийг шилжүүлэх үйл явцад гэмтэх ёсгүй байх ёстой. Олон тооны сонголтуудаас, шатаасан TiO2 давхарга нь харагдах спектрийн мужид тунгалаг байдаг ба харьцангуй өндөр хугарлын индекс-тэй ( =2.5) байдаг. Бидний туршсан бусад өндөр индекс-тэй давхаргуудаас ялгаатай нь TiO2 давхарга нь ацетон эсвэл изопропил спирт (IPA) зэрэг уусгагч ашигладаг графенийг шилжүүлэх үйл явцад тэсвэртэй химийн тэсвэртэй байдаг нь түүний дээд талд өндөр чанартай графенийн электродыг үүсгэх боломжийг олгодог ( ). n 1-р зураг а 17 20 21 22 λ λ λ 1-р зураг б λ R 1-р зураг в,г Нэмэлт зураг 1 n 23 n Нэмэлт зураг 2 ( ) Санал болгосон OLED-ийн төхөөрөмжийн бүдүүвч зураг. ( ) Тус тусын эхний ээлжийн кавитийн загварт зориулсан OLED-ийн электромагнит талбайн эрчмийн хуваарилалт (тасархай шугамууд). Харьцуулсан тохиолдолд TiO2гүй графенийн суурьтай OLED-ийн талбайн эрчмийн хуваарилалт нь TiO2тай OLED-ийн зузаантай тэнцүү, гэхдээ бага индекс-тэй HILгүй байна. ( , ) TiO2 ба органик давхаргын зузаан (тус тус *d*TiO2 ба *d*org) -аас хамаарч TiO2-ийн доод давхаргатай графен-суурьтай OLED-ийн хамгийн их гадаад квантын үр ашиг ( EQE)-ийг тооцоолсон. Тасархай шугамууд нь зурагт заасан 10, 20, 30 эсвэл 40% -ийн *η*EQE-ийн контурыг илэрхийлнэ. ( ) Бага индекс-тэй HILгүй; ( ) Градиент HIL-ийг бага индекс-тэй HIL болгон ашигласан. Тус бүрийн доод талд нь органик давхаргуудаас ирж буй гэрэлд зориулсан доод электрод угсралтын (TiO2/graphene/(HIL)) ойлт (*R*bot) нь *d*TiO2-аас хамааралтайгаар харуулсан. a b c d η c d Өндөр эрэмбийн микро-кавитийн бүтэц (жишээлбэл, хоёр дахь ээлжийн, 5*λ*/4 кавити) нь зузаан органик багц дээр суурилсан байж болох нь анхаарал татаж байна. Гэсэн хэдий ч энэ ажилд эхний ээлжийн кавитийн загвар нь илүү хүчтэй Пурселлийн эффект ба өндөр эрэмбийн загвартай харьцуулахад бага тооны долгион дамжуулагч горим үүсгэдэг тул эцсийн эцэст гадагш гаргах үр ашиг ба EQE-ийг нэмэгдүүлдэг , . Эхний ээлжийн кавитийн загварт сорилтууд хэвээр байна, учир нь ялгаруулах бүсийн хамгийн тохиромжтой байршил нь органик/металл интерфэйсээс эхний антинодтой хязгаарлагддаг тул ялгаруулагчаас металл хүртэлх зайг уртасгах замаар SPP горимыг бууруулах нь хэцүү болдог , . SPP бууруулахын тулд ердийн ашигладаг арга бол дотоод долгионт бүтэц эсвэл гүрвэлзэх хөдөлгөөнийг ашиглах явдал юм , гэхдээ цахилгаан богино холболттой харьцах хандлага нь ийм аргаар ихэвчлэн алдагддаг. Бидний энд хэрэглэдэг арга бол бага хугарлын индекс-тэй давхаргыг ашиглах явдал бөгөөд энэ нь SPP горимыг үр ашигтай бууруулдаг нь тогтоогдсон , . Аз болоход, GraHIL эсвэл PEDOT:PSS ба тетра-флюороэтилен-перфлюоро-3, 6-диокса-4-метил-7-октанесульфоны хүчлийн кополимер (PFI) -аас бүрдсэн өөрийгөө зохион байгуулдаг градиент нүхний шүүлтүүрийн давхарга нь зохиогчдын санал болгосон бөгөөд графенийн суурьтай OLED-д нүхний шүүлтүүрийг сайжруулахад маш үр дүнтэй нь тогтоогдсон , нь 550 нм долгион урттай (λ) ойролцоогоор 1.42 хугарлын индекс-тэй байдаг ( ), энэ нь ердийн органик давхаргуудын (n=1.8) хугарлын индексаас хамаагүй бага юм. Өндөр болон бага индекс-тэй давхаргуудыг графенийн давхаргыг хооронд нь байрлуулсан синергетик харилцан үйлчлэлээр, кавитийн резонансын эффект болон SPP горим бууруулах нь зэрэгцэн хийгдэж болох тул гадагш гаргах бүтэцгүйгээр ч EQE-ийг ихээхэн сайжруулж болно. 24 25 25 26 27 28 29 13 Нэмэлт зураг 3 Furno et al. [19]-оор хураангуйлагдсан дэвшилтэт сонгодог электромагнетик онолоор үндэслэсэн оптик симуляцийн үр дүнг харуулдаг. Энэ нь бүх харагдах долгион урт ба 550 нм долгион урттай (λ) хамардаг. Формализм нь Пурселл хүчин зүйл, диполь ориентацийн эффект, SPP ба долгион дамжуулагч горимуудын өдөөлтийг харгалзан үздэг. Эдгээр бүх хүчин зүйлсийн иж бүрдэл багтаалт нь нарийвчилсан шинжилгээ ба тоон загварт чухал ач холбогдолтой, учир нь нэг эсвэл хэд хэдэн эффектүүдийг харгалзан үзэхгүйгээр энгийн аргыг ашиглавал алдаа гарч болно (үзнэ үү ; ба жишээ дурдав). Үр дүнгүүд нь GraHIL-ийг ашиглах нь янз бүрийн горимуудын харьцангуй эрчим хүчний агуулгыг жижиг дотоод-хавтгай долгионы вектор руу дахин хуваарилдаг бөгөөд энэ нь SPP горим руу дамжуулсан эрчим хүчийг бууруулж, гадагш гаргасан хэсгийг цаашид сайжруулдаг болохыг харуулж байна ( ). Мөн -т харахад графенийн доор TiO2-ийг ашиглах нь долгион дамжуулагч ба субстрат горимууд руу дамжуулсан эрчим хүчний хэмжээг резонансын нэмэгдлээр үр ашигтайгаар дарах нь тогтоогдсон. Энэ нь гадагш гаргах үр ашгийг ихээхэн нэмэгдүүлдэг, гэхдээ хэт авианы горим руу алдах нь хэт авианы горимууд руу дамжуулсан эрчим хүчний хэмжээг нэмэгдүүлдэгтэй холбоотой юм ( ). Өндөр индекс-тэй (H) TiO2 ба бага индекс-тэй (L) GraHIL давхаргуудын хослуулсан хэрэглээ нь резонансын нөлөө их, гэхдээ SPP/хэт авианы горим руу алдах нь буурдаг төгс нөхцөлийг бий болгодог. Нэмж дурдахад, хослуулсан хэрэглээ нь HL-блоксуудтай төстэй нөхцөлийг бий болгодог бөгөөд энэ нь нимгэн давхаргын оптик бүрхүүлд ихэвчлэн ашиглагддаг , мөн *R*bot-ийг цаашид сайжруулна ( ), энэ нь Фабри-Перотын резонансын эффектийг нэмж сайжруулах боломжийг олгодог. Санал болгосон технологийн өвөрмөц байдал ба уламжлалт технологиудтай харьцуулахад дэвшилтэт байдал нь эдгээр өндөр ба бага индекс-тэй давхаргуудын хоорондох синергетик хамтын ажиллагаа бөгөөд энэ нь хамгийн их гадагш гаргахын ашиг тусын тулд резонансын эффект болон SPP алдалтыг оптик удирдлагыг хангадаг; мөн HL стекжүүлэлтээр нэмэлт резонансын сайжруулалт. Тэдгээрийн хүссэн цахилгаан шинж чанартай (жишээлбэл, үр ашигтай нүхний шүүлтүүр) байгалийн нийцтэй байдалтай хамт, эдгээр бүх оптик ашиг нь хавтгай OLED-ийн бодит боломжийг бүрэн нээх боломжийг олгодог. Оптик боломжтой хамгийн их EQE (*η*EQE (max)) ба органик (*d*org) ба TiO2 зузаан (*d*TiO2) -аас хамаарч авсан контур зурагнууд нь -д харуулсан бөгөөд *η*EQE (max) нь GraHIL ба TiO2 давхаргыг хоёуланг нь агуулсан төхөөрөмжүүдэд 44% хүртэл, харин GraHILгүй бол 38% эсвэл TiO2гүй бол 31% хязгаарлагдах болно. Хамгийн тохиромжтой нөхцөл нь *d*H (*d* нь TiO2) нь *λ*/(4*n*H) (λ=550 нм-д 55 нм) -тай ойртох үед тохирдог. Мөн *η*EQE (max) нь 44% нь ижил ялгаруулагчтай, оновтой болгосон уламжлалт нимгэн металл суурьтай кавитийн OLED-ээс хүлээгдэж буй үр ашигтай өндөр байдаг нь анхаарал татаж байна. Энэ нь санал болгосон архитектур нь хагас дамжуулагч электродууд доторх фотон шингээлт ба/эсвэл SPP гори 2-р зураг а,б Нэмэлт зураг 4 Нэмэлт хүснэгт 1 Нэмэлт тэмдэглэл 1 Нэмэлт зураг 5а Нэмэлт хүснэгт 2 Нэмэлт зураг 5б 30 1-р зураг г 1-р зураг в,г