
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Auteurs: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Samenvatting Grafeen-gebaseerde organische lichtemitterende diodes (OLED's) zijn onlangs naar voren gekomen als een essentieel element in beeldschermen en verlichting van de volgende generatie, voornamelijk vanwege hun potentieel voor zeer flexibele lichtbronnen. Hun efficiëntie is echter, op zijn best, vergelijkbaar met die van conventionele, op indiumtinoxide gebaseerde tegenhangers. Wij stellen hier een ideale elektrodestructuur voor, gebaseerd op een synergetische wisselwerking van TiO2-lagen met een hoge brekingsindex en injectielagen voor gaten met een lage brekingsindex die grafeenelektroden sandwicheren. Dit resulteert in een ideale situatie waarin de versterking door holteresonantie wordt gemaximaliseerd, terwijl het verlies aan oppervlakteplasmon-polaritons wordt beperkt. De voorgestelde aanpak leidt tot OLED's met een extreem hoge externe kwantumefficiëntie van 40,8 en 62,1% (64,7 en 103% met een halfronde lens) voor respectievelijk enkelvoudige en meervoudige junction-apparaten. De OLED's die op kunststoffen zijn gemaakt met deze elektroden zijn herhaaldelijk buigzaam bij een kromtestraal van 2,3 mm, deels dankzij de TiO2-lagen die flexurale spanning tot 4% weerstaan via scheurafbuigende taaiheid. Introductie Voordelen in vormfactor, zoals flexibiliteit en rekbaarheid, hebben organische lichtemitterende diodes (OLED's) veel aandacht gegeven voor gebruik in opkomende apparaten zoals draagbare, oprolbare of opvouwbare beeldschermen die mobiliteit, vervormbaarheid en/of uitrekbaarheid vereisen , . De volledige realisatie van een dergelijk potentieel is echter niet triviaal en vereist aanzienlijke inspanningen op diverse gebieden, zoals de ontwikkeling van dunne-film transistor technologieën bij lage temperaturen en/of flexibele inkapseling . Een ander belangrijk aspect om te overwegen voor zeer flexibele beeldschermen is het vinden van transparante elektroden (TE's) die indiumtinoxide (ITO) elektroden kunnen vervangen, welke doorgaans kampen met beperkte flexibiliteit en mogelijke kosteneffecten gerelateerd aan hoge vraag en/of onstabiele aanvoer . In dit opzicht werden verschillende soorten flexibele transparante elektroden, zoals metaalnanodraden, op koolstof gebaseerde materialen (bijvoorbeeld koolstofnanobuizen of grafeen) en metalen roosters in combinatie met andere soorten TE's, voorgesteld voor OLED's , , , , , . Van deze wordt grafeen - een atomair dun vel van sp2-gehybridiseerde koolstofatomen - als veelbelovend beschouwd, omdat de unieke combinatie van zijn inherente dunheid en superieure elektrische eigenschappen naar verwachting ideale transparante elektroden oplevert die weinig tot geen optische waas hebben, een gladde oppervlakte topologie die ruwheids-geïnduceerde elektrische kortsluiting en degradatie voorkomt, een hoge doorlaatbaarheid, lage plaatweerstand en tegelijkertijd een hoge mate van flexibiliteit bezitten , . Eenvoudige bereiding van hoogwaardig grafeen op grootschalige plastic substraten is onlangs gedemonstreerd voor transparante elektroden met massaproductie-compatibele methoden door industriële sectoren, wat hun praktische levensvatbaarheid aantoont , . Zowel enkelvoudig grafeen (SLG) als meerlaags grafeen (MLG) bleken voldoende prestaties te hebben voor TE's in OLED's , . Met name werden efficiënte grafeen-gebaseerde OLED's bereikt met behulp van injectielagen voor gaten (HIL's) om hun relatief lage werkfunctie, die rond de 4,5 eV bekend is, te overwinnen. Dergelijke injectielagen omvatten geleidende polymeren met gradiënt elektronische eigenschappen, genaamd zelf-georganiseerde gradiënt HIL (GraHIL) , en dunne MoO3-bufferlagen gecombineerd met geleidende polymeren van poly(3,4-ethyleendioxythiofeen):polystyreen sulfonaat (PEDOT:PSS) . Niettemin waren de energie-efficiëntie en de externe kwantumefficiëntie (EQE) van deze state-of-the-art grafeen-gebaseerde OLED's nog steeds vergelijkbaar met die van ITO-gebaseerde OLED's, tenzij een omvangrijke hemisferische lens werd gebruikt voor verbetering van de lichtuitkoppeling . Het veiligstellen van de hoogst mogelijke efficiëntie is bijzonder belangrijk voor flexibele beeldschermen toegepast op zeer draagbare of draagbare toepassingen, aangezien deze vaak afhankelijk moeten zijn van batterijen met een vrij beperkte energiemannen vanwege beperkingen in grootte, gewicht of vormfactoren. Dit vraagt om de ontwikkeling van een apparaatarchitectuur die de efficiëntie van grafeen-gebaseerde OLED's kan maximaliseren. Een belangrijke uitdaging is het ontwikkelen van een structuur of methodologie om hun volledige optische potentieel te ontsluiten en tegelijkertijd de voordelen van grafeen op het gebied van vormfactoren zoveel mogelijk te behouden. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 Daarom onderzoeken we hier een eenvoudige elektrodearchitectuur gebaseerd op TiO2-lagen met een hoge brekingsindex en HIL's met een lage brekingsindex die grafeenelektroden sandwicheren. Met het optische ontwerp dat volledig profiteert van de synergetische samenwerking tussen de lagen met hoge en lage brekingsindex, die zowel holteresonantie-versterking als verlies aan oppervlakteplasmon-polariton (SPP) beheersen, vertonen de voorgestelde grafeen-gebaseerde OLED's een ongekend hoge EQE voor apparaten die grafeen als transparante elektrode gebruiken. Bovendien wordt een ongewoon hoge weerstand van TiO2 tegen flexurale spanning onthuld, wat kunststof OLED's mogelijk maakt die niet alleen efficiënt zijn, maar ook zeer flexibel. Resultaten Optisch ontwerp van efficiënte grafeen-gebaseerde OLED's De efficiëntie van OLED's wordt uiteindelijk beperkt door een eindige uitkoppelings-efficiëntie die typisch rond de 20% ligt voor apparaten met isotrope emitters. Van de diverse scheidingen voor uitkoppelingsverbetering die tot nu toe zijn voorgesteld , heeft een methode gebaseerd op microholteresonantie voordelen omdat deze een planaire geometrie handhaaft zonder micro-/nanostructurering of lensstructuur, zodat de daaruit vervaardigde OLED's niet onderhevig zijn aan elektrische kortsluitingen en optische artefacten die ongunstig zijn voor beeldschermtoepassingen (bijv. vervaging, diffractie enz.) en toch zeer pure, verzadigde rode (R), groene (G), blauwe (B) primaire kleuren met verbeterde efficiëntie kunnen vertonen , . Met een zwak maar nog steeds significant microhol-effect kunnen ITO-gebaseerde OLED's ook worden geoptimaliseerd voor maximale efficiëntie, zonder optische waas of vervaging, simpelweg door de dikte van de ITO-lagen aan te passen; in dit schema wordt een eerste-orde, 3 /4 holteontwerp, waarbij   de golflengte vertegenwoordigt, bereikt met het open einde van de holtemodus aan de ITO/substraat-interface , . In het geval van ITO-vrije, grafeen-gebaseerde OLED's kunnen grafeenelektroden echter niet dik genoeg worden gemaakt om de holte lengte te regelen, wat het moeilijk maakt om de efficiëntie via het resonantie-effect te verhogen . 15 16 17 λ λ 18 19 20 Als alternatieve maatregel kan een dunne laag met een hoge brekingsindex ( H) onder grafeenlagen worden geplaatst, zoals getoond in  , op een manier die vergelijkbaar is met diëlektrisch gecoate dunne metaalelektroden , , , . Omdat licht door het grafeen kan gaan met weinig faseverschil door de inherente dunheid van een grafeenelektrode, kan een 3 /4 holteontwerp gemakkelijk worden bereikt, bijvoorbeeld met de optische dikte van de organische plus injectielagen en de laag met hoge brekingsindex ingesteld op ongeveer 2 /4 en  /4, respectievelijk ( ). Met name de ‘ /4-dikke’ laag met hoge brekingsindex fungeert ook als een metaalvrije diëlektrische spiegel die een significante reflectie van de bodemelektrodepackage ( bot) mogelijk maakt voor licht dat van organische lagen invalt, zoals kan worden bevestigd in de grafieken aan de onderkant van  . Dit biedt grafeen-gebaseerde OLED's de mogelijkheid om hun efficiëntie te verbeteren via het resonantie-effect, wat anders niet mogelijk zou zijn. Er wordt getoond dat  bot en de bijbehorende resonantie-verbetering toenemen met  H ( ). De hoge brekingsindex is ook gunstig voor flexibiliteit, omdat de beoogde optische dikte ( H H) kan worden bereikt met een lage fysieke dikte  H, en omdat buigings-geïnduceerde scheuren in een gegeven film over het algemeen ontstaan bij een lagere aanvangspanning met een grotere fysieke dikte . Een succesvolle laag met hoge brekingsindex in dit schema zou dus een zo hoog mogelijke  H moeten hebben. Bovendien moet deze transparant zijn en, bovenal, mag deze niet beschadigd raken door het gegeven grafeen-overdrachtsproces. Van de diverse kandidaten is een gesputterde TiO2-laag transparant in een zichtbaar spectraal bereik en heeft een relatief hoge brekingsindex ( =2,5). In tegenstelling tot andere geprobeerde lagen met hoge brekingsindex, blijkt de TiO2-laag een chemische bestendigheid te hebben die robuust is tegen grafeen-overdrachtsprocessen die oplosmiddelen gebruiken, zoals aceton of isopropanol (IPA), waardoor er een hoogwaardige grafeenelektrode bovenop kan worden gevormd ( ). n Fig. 1a 17 20 21 22 λ λ λ Fig. 1b λ R Fig. 1c,d R n Supplementaire Fig. 1 n d d 23 n n Supplementaire Fig. 2   ( ) Schematische apparaatstructuur van de voorgestelde OLED's. ( ) Verdeling van de intensiteit van het elektromagnetische veld (stippellijnen) van de onderzochte OLED's voor hun respectievelijke eerste-orde holteontwerp. De veld-intensiteitsverdeling van de grafeen-gebaseerde OLED zonder TiO2 is ook getoond ter vergelijking voor het geval waarin de diktewaarden van de organische lagen hetzelfde zijn als die van de OLED's met TiO2, maar zonder lagen met lage brekingsindex. ( , ) Berekende maximale externe kwantumefficiëntie ( EQE) van grafeen-gebaseerde OLED's met TiO2-onderlaag als functie van de dikte van de TiO2- en organische lagen (respectievelijk  TiO2 en  org). Stippellijnen vertegenwoordigen contourlijnen voor  EQE van 10, 20, 30 of 40% zoals aangegeven in de grafiek. ( ) Zonder een HIL met lage brekingsindex; ( ) met GraHIL als HIL met lage brekingsindex. Aan de onderkant van elke casus wordt de reflectie ( bot) van de bodemelektrodepackage (TiO2/grafeen/(HIL)) als geheel weergegeven als functie van  TiO2 voor licht dat van de organische lagen invalt. a b c d η d d η c d R d Het is vermeldenswaard dat een microholte-structuur van hogere orde (bijv. tweede orde, 5 /4 holte) gebaseerd op een dikke organische stapel ook mogelijk is. In dit werk werd echter eerst gekozen voor een eerste-orde holteontwerp omdat dit resulteert in een sterker Purcell-effect en minder golfgeleidende modi dan het ontwerp van hogere orde, wat uiteindelijk leidt tot een grotere uitkoppelings-efficiëntie en EQE , . Er blijven uitdagingen bestaan voor het eerste-orde holteontwerp, omdat de ideale locatie van een emissiezone beperkt is tot het eerste antinode van de organische/metalen interface, waardoor het moeilijk is om SPP-modi te verminderen door een langere emitter-naar-metaal afstand , . Een alternatieve methode die typisch wordt gebruikt voor SPP-reductie is het opnemen van interne golvende structuren of plooien , maar de tolerantie voor elektrische kortsluitingen kan met dergelijke benaderingen vaak worden aangetast. De methode die we hier hanteren is het opnemen van een laag met een lage brekingsindex, waarvan is aangetoond dat deze SPP-modi effectief vermindert , . Gelukkig heeft GraHIL of een zelf-georganiseerde gradiënt gat-injectielaag, samengesteld uit PEDOT:PSS en tetrafluoretheen-perfluoro-3,6-dioxa-4-methyl-7-octeensulfonzuur-copolymeer (PFI), die eerder door de auteurs werd voorgesteld en bewezen zeer effectief is in het verbeteren van de gat-injectie in grafeen-gebaseerde OLED's , een brekingsindex van ongeveer 1,42 bij   van 550 nm ( ), wat veel lager is dan die van typische organische lagen ( =1,8). Met de synergetische wisselwerking van lagen met hoge en lage brekingsindex die grafeenlagen sandwicheren, kunnen de versterking van het holteresonantie-effect en de reductie van SPP-modi dus tegelijkertijd worden bereikt, zodat de EQE aanzienlijk kan worden verhoogd, zelfs zonder uitkoppelingsstructuren. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ Supplementaire Fig. 3 n  presenteren de resultaten van de optische simulatie op basis van een geavanceerde klassieke elektromagnetische theorie, samengevat door Furno  .  over het gehele zichtbare spectraal bereik, en bij   van 550 nm. Het formalisme houdt rekening met de Purcell-factor, het dipooloriëntatie-effect en excitatie naar SPP- en golfgeleidende modi. Een uitgebreide opname van al deze factoren blijkt cruciaal te zijn voor een precieze analyse en kwantitatief ontwerp, aangezien over- of onderschattingen kunnen optreden wanneer een vereenvoudigde benadering wordt gebruikt die geen rekening houdt met één of meer van deze effecten (zie  ;   en   voor voorbeelden). De resultaten geven aan dat het gebruik van GraHIL de relatieve vermogensaandelen tussen verschillende modi herverdeelt naar kleinere in-plane golfvectoren, zodat het vermogen gekoppeld aan SPP-modi wordt verminderd en de uitgestraalde delen verder worden versterkt ( ). Het kan ook worden gezien in   dat het gebruik van de TiO2-laag onder grafeen effectief de hoeveelheid vermogen onderdrukt die via resonantie-verbetering wordt gekoppeld aan golfgeleidende en substraatmodi. Dit leidt tot een significante toename van de uitkoppelings-efficiëntie, hoewel het verlies aan evanescente modi ook toeneemt door de verschuiving van transversaal-elektrische golfgeleidende modi naar hogere genormaliseerde in-plane golfvectoren ( ). Het gecombineerde gebruik van hoog-brekingsindex (H) TiO2- en laag-brekingsindex (L) GraHIL-lagen resulteert in een ideale situatie waarin de resonantieversterking groot is, terwijl het verlies aan SPP/evanescente modi wordt beperkt. Bovendien creëert het gecombineerde gebruik een situatie vergelijkbaar met HL-stapels, die doorgaans worden gebruikt voor dunne-film coatings met meerdere lagen , en versterkt het  bot verder ( ), wat een aanvullende verbetering van het Fabry-Perot resonantie-effect mogelijk maakt. Wat de voorgestelde technologie uniek en geavanceerd maakt ten opzichte van conventionele technologieën, is inderdaad de synergetische samenwerking van deze lagen met hoge en lage brekingsindex, die optisch beheer van zowel het resonantie-effect als SPP-verlies mogelijk maken ten gunste van maximale uitkoppeling; en aanvullende resonantie-verbetering via HL-stapeling. Samen met hun inherente compatibiliteit met gewenste elektrische eigenschappen (bijv. efficiënte gat-injectie), stellen al deze optische voordelen het mogelijk om het verborgen potentieel van wat planaire OLED's werkelijk kunnen bieden, volledig te ontsluiten. Contourplots verkregen voor optisch beschikbare maximale EQE ( EQE (max)) als functie van de dikte van de organische laag ( org) en TiO2 ( TiO2), gepresenteerd in  , tonen aan dat  EQE (max) tot 44% kan bedragen in apparaten met zowel GraHIL- als TiO2-lagen, terwijl dit zonder GraHIL zou worden beperkt tot 38% of zonder TiO2 tot 31%. Optimale omstandigheden komen overeen met een situatie waarin  H (met H zijnde TiO2) dicht bij  /(4 H) (55 nm voor  =550 nm) komt. Het kan ook worden opgemerkt dat  EQE (max) van 44% hoger is dan die welke wordt verwacht voor geoptimaliseerde, conventionele holte-OLED's op basis van dun metaal met dezelfde emitter. Dit kan worden toegeschreven aan het feit dat de voorgestelde architectuur minder onderhevig is aan verlies door fotonabsorptie en/of SPP-modus excitatie binnen semi-transparante elektroden (zie   en   voor vergelijking met die van conventionele holte-OLED's op basis van dun metaal). Figuur 2a,b et al 19 λ Supplementaire Fig. 4 Supplementaire Tabel 1 Supplementaire Notitie 1 Supplementaire Fig. 5a Supplementaire Tabel 2 Supplementaire Fig. 5b 30 R Fig. 1d η d d Fig. 1c,d η d λ n λ η Supplementaire Fig. 6 Supplementaire Tabel 3   ( , ) Berekende vermogensverlies spectra gewogen met het emitter spectrum in willekeurige eenheden (gecodeerd als een kleur gedefinieerd in de kleurenbalken) versus in-plane golfvector: ( ) met TiO2 maar zonder GraHIL; ( ) met zowel TiO2 als GraHIL. De zwarte stippellijnen geven grenslijnen aan die representatieve optische modi verdelen, waaronder uitgestraalde, substraat-geïsoleerde (subs), golfgeleidende (wg) en evanescente modi. ( ) Berekende vermogensverlies versus genormaliseerde in-plane golfvector bij  =550 nm voor verschillende onderzochte elektrodestructuren. Voor de apparaten met TiO2 werd  TiO2 vastgezet op 55 nm en  org werd gekozen voor optimale omstandigheden in elk geval. Voor de apparaten zonder TiO2 werd  org ingesteld op dezelfde waarde als die van het corresponderende apparaat met TiO2. a b a b c λ d d d Apparaatprestaties van gefabriceerde grafeen-gebaseerde OLED's Geïnspireerd door de bovenstaande simulatie resultaten, hebben we groene OLED's gefabriceerd op basis van fosforescente emitters van bis(2-(2-pyridinyl- )fenyl-C)(acetylacetonato) iridium (III) (Ir(ppy)2acac) in een configuratie van glas/anode/(HIL)/OS1/LiF/Al met verschillende anode/(HIL) structuren van TiO2/grafeen/GraHIL; grafeen/GraHIL; en ITO (185 nm)/GraHIL, waarbij OS1 verwijst naar een organische meerlaagse stapel gedefinieerd in Methoden. Experimentele resultaten gepresenteerd in   tonen aan dat de maximale EQE, energie-efficiëntie en stroom-efficiëntie verkregen voor het TiO2/grafeen/GraHIL-gebaseerde apparaat respectievelijk 40,8%, 160,3 lm W−1 en 168,4 cd A−1 bedragen, terwijl deze waarden beperkt zijn tot 31,7%, 112,6 lm W−1 en 119,0 cd A−1 voor het grafeen/GraHIL-gebaseerde apparaat, en 27,4%, 104,3 lm W−1 en 106,2 cd A−1 voor het ITO/GraHIL-gebaseerde apparaat. De waargenomen hoge EQE in het TiO2/grafeen/GraHIL-gebaseerde apparaat bevestigt de synergetische rol van zowel de TiO2- als de GraHIL-lagen en komt overeen met de simulatie resultaten. Met een halfronde lens optisch gekoppeld aan de achterkant van een substraat, vertoont het TiO2/grafeen/GraHIL-gebaseerde apparaat een EQE, energie-efficiëntie en stroom-efficiëntie van respectievelijk 64,7%, 250,4 lm W−1 en 257,0 cd A−1, wat verder het veelbelovende potentieel van de voorgestelde grafeen-gebaseerde OLED's illustreert. Vervolgens hebben we het voorgestelde schema verder uitgebreid naar een tandem, meerlaagse OLED, waarin de netto EQE wordt verbeterd (ten koste van de spanning) omdat deze uiteindelijk wordt gegeven als de som van die van zijn individuele OLED's ; deze aanpak is populair omdat de verbeterde EQE over het algemeen leidt tot een langere levensduur . TiO2/grafeen/GraHIL-gebaseerde meerlaagse OLED's met een ladingsgeneratielaag (CGL) van 2,9-dimethyl-4,7-difenyl-1,10-fenantroline (BCP):Li/MoO3 vertonen een EQE en energie-efficiëntie van respectievelijk 62,1% en 120,8 lm W−1 (103,2% en 183,5 lm W−1 met de halfronde lens), wat de state-of-the-art prestaties en de veelzijdige toepasbaarheid van de voorgestelde elektrodestructuur aantoont. De simulatie geeft aan dat de waargenomen waarde overeenkomt met de som van de EQE-waarden van equivalente tweede-orde holtestructuren (één met de emissiezone nabij de tweede antinode van de kathode; en de andere met de emissiezone nabij de eerste antinode van de kathode) met een elektrische balansfactor van 0,89 (zie  ,   en   voor de gedetailleerde structuur voor meerlaagse OLED's en de gedetailleerde discussie over de simulatie resultaten). N Fig. 3 31 32 Supplementaire Fig. 7 Supplementaire Tabel 4 Supplementaire Notitie 2

Part of HackerNoon's growing list of open-source research papers, promoting free access to academic material.

Deze audio wordt geproduceerd in de originele taal van het verhaal!

Wetenschappers ontgrendelen ultra-efficiënte flexibele schermdisplays met grafeen en titaniumdioxide

About Author

OPMERKINGEN

LABELS

DIT ARTIKEL WERD GEPRESENTEERD IN

Related Stories

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps