
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Autorzy: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Abstrakt Organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED) oparte na grafenie stały się ostatnio kluczowym elementem niezbędnym w wyświetlaczach i oświetleniu nowej generacji, głównie ze względu na ich potencjał jako wysoce elastycznych źródeł światła. Jednak ich wydajność była co najwyżej porównywalna z tradycyjnymi odpowiednikami opartymi na tlenku indu cyny. W niniejszej pracy proponujemy idealną strukturę elektrody opartą na synergistycznym oddziaływaniu warstw TiO2 o wysokim współczynniku załamania światła i warstw wstrzykujących dziury o niskim współczynniku załamania światła, otaczających elektrody grafenowe, co prowadzi do idealnej sytuacji, w której wzmocnienie przez rezonans wnęki jest zmaksymalizowane, a straty do polarytonów plazmonów powierzchniowych są zminimalizowane. Proponowane podejście prowadzi do OLEDów wykazujących ultra-wysoką zewnętrzną wydajność kwantową 40,8 i 62,1% (64,7 i 103% z soczewką półkulistą) dla urządzeń z pojedynczymi i wieloma złączami, odpowiednio. OLEDy wykonane na tworzywach sztucznych z tymi elektrodami można wielokrotnie zginać z promieniem 2,3 mm, częściowo dzięki warstwom TiO2 wytrzymującym naprężenia zginające do 4% poprzez utwardzanie przez odchylanie pęknięć. Wprowadzenie Zalety dotyczące formy, takie jak elastyczność i rozciągliwość, przyciągnęły uwagę do organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED) w zastosowaniach w nowych urządzeniach, takich jak wyświetlacze do noszenia, zwijane lub składane, które wymagają mobilności, odkształcalności i/lub rozszerzalności , . Pełna realizacja tego potencjału jest jednak nietrywialna i wymaga znaczących wysiłków w różnych aspektach, takich jak rozwój technologii cienkowarstwowych tranzystorów polowych i/lub elastycznych enkapsulacji . Innym ważnym aspektem do rozważenia w przypadku wysoce elastycznych wyświetlaczy jest znalezienie przezroczystych elektrod (TE), które mogą zastąpić elektrody z tlenku indu cyny (ITO), które zazwyczaj cierpią z powodu ograniczonej elastyczności i potencjalnych problemów z kosztami związanych z wysokim popytem i/lub niestabilnymi dostawami . W związku z tym zaproponowano kilka rodzajów elastycznych przezroczystych elektrod, takich jak nanodruty metalowe, materiały węglowe (na przykład nanorurki węglowe lub grafen) i siatki metalowe połączone z innymi rodzajami TE dla OLED , , , , , . Wśród nich grafen – atomowo cienka warstwa atomów węgla o hybrydyzacji sp2 – jest uważany za obiecujący, ponieważ unikalne połączenie jego inherentnej cienkości i doskonałych właściwości elektrycznych ma pozwolić na idealne przezroczyste elektrody, które mają niskie lub zerowe zamglenie optyczne, gładką topologię powierzchni zapobiegającą zwarciom i degradacji spowodowanej chropowatością, wysoką przepuszczalność, niską rezystancję powierzchniową i wysoki stopień elastyczności jednocześnie , . Łatwe przygotowanie wysokiej jakości grafenu na wielkoskalowych podłożach z tworzyw sztucznych zostało ostatnio zademonstrowane dla przezroczystych elektrod za pomocą metod zgodnych z produkcją masową przez sektory przemysłowe, co pokazuje ich praktyczną wykonalność , . Zarówno grafen jednowarstwowy (SLG), jak i wielowarstwowy (MLG) okazały się mieć wydajność wystarczającą dla TE w OLED , . W szczególności wydajne OLEDy oparte na grafenie osiągnięto za pomocą warstw wstrzykujących dziury (HIL), które służą do przezwyciężenia ich stosunkowo niskiej pracy wyjściowej, która wynosi około 4,5 eV. Takie warstwy wstrzykujące obejmują przewodzące polimery o gradientowych właściwościach elektronicznych zwane samoorganizującą się gradientową warstwą wstrzykującą dziury (GraHIL) , oraz cienkie warstwy buforowe MoO3 połączone z przewodzącymi polimerami poli(3,4-etylenodioksytiofenu): polistyrenosulfonianu (PEDOT:PSS) . Niemniej jednak, wydajność energetyczna i zewnętrzna wydajność kwantowa (EQE) tych najnowocześniejszych grafenowych OLEDów była nadal na poziomie ITO-podobnych OLEDów, chyba że użyto dużej soczewki półkulistej do wzmocnienia ekstrakcji światła . Zapewnienie najwyższej możliwej wydajności jest szczególnie ważne dla elastycznych wyświetlaczy stosowanych w wysoce przenośnych lub noszonych zastosowaniach, ponieważ często muszą one polegać na bateriach o dość ograniczonej pojemności energetycznej ze względu na ograniczenia w rozmiarze, wadze lub formie. Wymaga to opracowania architektury urządzenia, która pozwoli zmaksymalizować wydajność grafenowych OLEDów. Kluczowym wyzwaniem jest opracowanie struktury lub metodologii odblokowującej ich pełny potencjał optyczny, zachowując jednocześnie w jak największym stopniu zalety grafenu w zakresie formy. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 W tym celu badamy prostą architekturę elektrody opartą na warstwach TiO2 o wysokim współczynniku załamania światła i warstwach HIL o niskim współczynniku załamania światła, otaczających elektrody grafenowe. Dzięki projektowi optycznemu, który w pełni wykorzystuje synergistyczną współpracę między warstwami o wysokim i niskim współczynniku załamania światła, kontrolującymi zarówno wzmocnienie rezonansu wnęki, jak i straty do polarytonów plazmonów powierzchniowych (SPP), proponowane grafenowe OLEDy wykazują ultra-wysoką EQE, niespotykaną w urządzeniach wykorzystujących grafen jako przezroczystą elektrodę. Ponadto ujawniono nietypowo wysoką odporność TiO2 na naprężenia zginające, co umożliwia stworzenie elastycznych OLEDów, które są nie tylko wydajne, ale także wysoce elastyczne. Wyniki Optyczny projekt wysoce wydajnych OLEDów opartych na grafenie Wydajność OLEDów jest ostatecznie ograniczona przez skończoną wydajność ekstrakcji światła, która zazwyczaj wynosi co najwyżej około 20% dla urządzeń z izotropowymi emiterami. Spośród różnych proponowanych do tej pory schematów zwiększania ekstrakcji światła , metoda oparta na rezonansie mikrownęki ma zalety polegające na utrzymaniu płaskiej geometrii bez użycia jakiejkolwiek mikro/nanostrukturyzacji lub struktury soczewkowej, dzięki czemu wykonane w ten sposób OLEDy nie są narażone na zwarcia elektryczne i artefakty optyczne niekorzystne dla zastosowań wyświetlaczy (np. rozmycie, dyfrakcja itp.), a jednocześnie mogą wykazywać wysoce czyste, nasycone czerwone (R), zielone (G), niebieskie (B) kolory podstawowe ze zwiększoną wydajnością , . Dzięki słabemu, ale wciąż znaczącemu efektowi mikrownęki, OLEDy oparte na ITO mogą być również zoptymalizowane pod kątem maksymalnej wydajności, bez powodowania zamglenia optycznego ani rozmycia, po prostu przez dostosowanie grubości warstw ITO; w tym schemacie, pierwszorzędny projekt wnęki 3 /4, gdzie   odnosi się do długości fali, jest realizowany z otwartym końcem modów wnęki umieszczonym na interfejsie ITO/podłoże , . W przypadku OLEDów bez ITO, opartych na grafenie, elektrody grafenowe nie mogą być wystarczająco grube, aby kontrolować długość wnęki, co utrudnia zwiększenie wydajności przez efekt rezonansu . 15 16 17 λ λ 18 19 20 Jako alternatywne rozwiązanie można umieścić cienką warstwę o wysokim współczynniku załamania światła ( H) pod warstwami grafenu, jak pokazano na  , w sposób podobny do metalowych elektrod pokrytych dielektrykiem , , , . Ponieważ światło może przechodzić przez grafen z niewielką różnicą faz ze względu na jego inherentną cienkość, projekt wnęki 3 /4 można wygodnie osiągnąć, na przykład, z grubością optyczną warstw organicznych plus wstrzykujących oraz warstwy o wysokim współczynniku załamania światła ustawioną odpowiednio na około 2 /4 i  /4 ( ). W szczególności ' /4-gruba' warstwa o wysokim współczynniku załamania światła działa również jako metalowa, dielektryczna lustrzana warstwa, która umożliwia znaczące odbicie od dolnego zespołu elektrody ( bot) dla światła padającego z warstw organicznych, co można potwierdzić na wykresach pokazanych na dole  . Daje to grafenowym OLEDom możliwość zwiększenia ich wydajności poprzez efekt rezonansu, czego inaczej nie byłoby możliwe. Pokazano, że  bot i związane z tym wzmocnienie rezonansu rosną wraz z  H ( ). Wysoki współczynnik załamania światła jest również korzystny pod względem elastyczności, ponieważ docelową grubość optyczną ( H H) można osiągnąć przy małej grubości fizycznej  H, a ponieważ pęknięcie wywołane zginaniem danej warstwy zazwyczaj powstaje przy niższym progu odkształcenia przy większej grubości fizycznej . Udana warstwa o wysokim współczynniku załamania światła w tym schemacie powinna zatem mieć jak największe  H . Ponadto powinna być przezroczysta, a przede wszystkim nie powinna być uszkodzona przez dany proces transferu grafenu. Spośród różnych kandydatów, napylana warstwa TiO2 jest przezroczysta w zakresie widzialnym i ma stosunkowo wysoki współczynnik załamania światła ( =2,5). W przeciwieństwie do innych wypróbowanych warstw o wysokim współczynniku załamania światła, warstwa TiO2 okazuje się mieć odporność chemiczną, która jest odporna na procesy transferu grafenu wykorzystujące rozpuszczalniki, takie jak aceton lub alkohol izopropylowy (IPA), co pozwala na utworzenie na jej wierzchu wysokiej jakości elektrody grafenowej ( ). n rysunku 1a 17 20 21 22 λ λ λ rysunek 1b λ R rysunku 1c,d R n Rysunek uzupełniający 1 n d d 23 n n Rysunek uzupełniający 2   ( ) Schematyczna struktura urządzenia proponowanych OLEDów. ( ) Dystrybucja intensywności pola elektromagnetycznego (linie przerywane) OLEDów poddanych badaniom dla ich odpowiedniego projektu wnęki pierwszego rzędu. Rozkład intensywności pola grafenowego OLEDa bez TiO2 również przedstawiono dla porównania, gdy wartości grubości warstw organicznych są takie same jak w OLEDach z TiO2, ale bez HIL o niskim współczynniku załamania światła. ( , ) Obliczona maksymalna zewnętrzna wydajność kwantowa ( EQE) grafenowych OLEDów z warstwą bazową TiO2 jako funkcja grubości TiO2 i warstwy organicznej (odpowiednio  TiO2 i  org). Linie przerywane reprezentują linie konturowe dla  EQE wynoszącego 10, 20, 30 lub 40%, jak wskazano na wykresie. ( ) Bez HIL o niskim współczynniku załamania światła; ( ) z GraHIL jako HIL o niskim współczynniku załamania światła. Na dole każdego przypadku przedstawiono współczynnik odbicia ( bot) z dolnego zespołu elektrody (TiO2/grafen/(HIL)) jako całości jako funkcję  TiO2 dla światła padającego z warstw organicznych. a b c d η d d η c d R d Należy zauważyć, że struktura mikrownęki wyższego rzędu (np. drugiego rzędu, 5 /4) oparta na grubej stosie organicznym może być również możliwa. W tej pracy jednak projekt wnęki pierwszego rzędu został wybrany jako pierwszy, ponieważ prowadzi do silniejszego efektu Purcella i mniejszej liczby modów falowodu niż projekt wyższego rzędu, ostatecznie prowadząc do większej wydajności ekstrakcji światła i EQE , . Wyzwania nadal istnieją dla projektu wnęki pierwszego rzędu, ponieważ idealne położenie strefy emisji jest ograniczone do pierwszego anty-węzła od interfejsu organicznego/metalowego, co utrudnia redukcję modów SPP przez dłuższy dystans od emitera do metalu , . Alternatywną metodą zazwyczaj stosowaną do redukcji SPP jest włączenie wewnętrznych falistych struktur lub falistości , ale tolerancja na zwarcia elektryczne może być często naruszona przez takie podejścia. Metoda, którą tutaj przyjmujemy, polega na włączeniu warstwy o niskim współczynniku załamania światła, która, jak wykazano, skutecznie redukuje mody SPP , . Na szczęście GraHIL lub samoorganizująca się gradientowa warstwa wstrzykująca dziury składająca się z PEDOT:PSS i kopolimeru kwasu tetrafluoroetylenowo-perfluoro-3,6-dioksa-4-metyl-7-oktensulfonowego (PFI), która została wcześniej zaproponowana przez autorów i okazała się bardzo skuteczna w poprawie wstrzykiwania dziur w grafenowych OLEDach , ma współczynnik załamania światła około 1,42 przy   550 nm ( ), co jest znacznie niższe niż w typowych warstwach organicznych ( =1,8). Dzięki synergistycznemu oddziaływaniu warstw o wysokim i niskim współczynniku załamania światła otaczających warstwy grafenu, wzmocnienie efektu rezonansu wnęki i redukcja modów SPP mogą być zatem wykonane jednocześnie, tak aby EQE mogło być znacząco zwiększone nawet bez struktur ekstrakcji światła. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ Rysunek uzupełniający 3 n  przedstawia wyniki symulacji optycznych oparte na zaawansowanej klasycznej teorii elektromagnetycznej podsumowanej przez Furno  .  w całym widzialnym zakresie widmowym i przy   550 nm. Formalizm uwzględnia współczynnik Purcella, efekt orientacji dipola oraz wzbudzenia do modów SPP i falowodu. Kompleksowe uwzględnienie wszystkich tych czynników jest krytyczne dla precyzyjnej analizy i projektowania ilościowego, ponieważ niedoszacowanie lub przeszacowanie może wystąpić, gdy używa się uproszczonego podejścia, które nie uwzględnia jednego lub więcej z tych efektów (patrz  ;   oraz   dla przykładów). Wyniki wskazują, że zastosowanie GraHIL redystrybuuje względne udziały mocy między różnymi modami w kierunku mniejszych wektorów falowych w płaszczyźnie, tak że moc sprzężona z modami SPP jest redukowana, a wyekstrahowane porcje są dalej wzmacniane ( ). Można również zauważyć w  , że zastosowanie warstwy TiO2 pod grafenem skutecznie tłumi ilość mocy sprzężonej z modami falowodu i podłoża poprzez wzmocnienie rezonansu. Prowadzi to do znaczącego wzrostu wydajności ekstrakcji światła, chociaż straty do modów ewanescencyjnych również wzrastają z powodu przesunięcia poprzecznie-elektrycznych modów falowodu w kierunku wyższych znormalizowanych wektorów falowych w płaszczyźnie ( ). Połączone użycie warstw TiO2 o wysokim współczynniku załamania światła (H) i GraHIL o niskim współczynniku załamania światła (L) skutkuje idealną sytuacją, w której wzmocnienie rezonansu jest duże, a straty do modów SPP/ewanescencyjnych są zminimalizowane. Ponadto połączone użycie tworzy sytuację podobną do stosów HL, zazwyczaj stosowanych do wielowarstwowych powłok filmowych , a nawet dalej zwiększa  bot ( ), umożliwiając dodatkowe wzmocnienie efektu rezonansu Fabry-Perota. To, co czyni proponowaną technologię unikalną i zaawansowaną w porównaniu z konwencjonalnymi technologiami, to synergistyczna współpraca tych warstw o wysokim i niskim współczynniku załamania światła, które umożliwiają zarządzanie optyczne zarówno efektem rezonansu, jak i stratą SPP z korzyścią dla maksymalnej ekstrakcji światła; oraz dodatkowe wzmocnienie rezonansu poprzez układanie HL. Wraz z ich natywną kompatybilnością z pożądanymi właściwościami elektrycznymi (np. wydajnym wstrzykiwaniem dziur), wszystkie te korzyści optyczne pozwalają na pełne odblokowanie ukrytego potencjału, jaki mogą zaoferować płaskie OLEDy. Wykresy konturowe uzyskane dla maksymalnej dostępnej optycznie EQE ( EQE (max)) jako funkcji grubości warstwy organicznej ( org) i TiO2 ( TiO2) przedstawione na   pokazują, że  EQE (max) może wynosić aż 44% w urządzeniach z warstwami zarówno GraHIL, jak i TiO2, podczas gdy bez GraHIL byłaby ograniczona do 38%, a bez TiO2 do 31%. Optymalne warunki odpowiadają sytuacji, w której  H (gdzie H to TiO2) zbliża się do  /(4 H) (55 nm dla  =550 nm). Można również zauważyć, że  EQE (max) wynoszące 44% jest wyższe niż oczekiwane dla zoptymalizowanych, konwencjonalnych OLEDów z wnęką opartych na cienkim metalu z tym samym emiterem. Można to przypisać faktowi, że proponowana architektura jest mniej podatna na straty spowodowane absorpcją fotonów i/lub wzbudzeniem modów SPP w półprzezroczystych elektrodach (patrz   oraz   w celu porównania z konwencjonalnymi OLEDami z wnęką opartych na cienkim metalu). Rysunek 2a,b et al 19 λ Rysunek uzupełniający 4 Tabela uzupełniająca 1 Notatka uzupełniająca 1 Rysunek uzupełniający 5a Tabeli uzupełniającej 2 Rysunek uzupełniający 5b 30 R rysunek 1d η d d rysunku 1c,d η d λ n λ η Rysunek uzupełniający 6 Tabela uzupełniająca 3   ( , ) Obliczone widma rozpraszania mocy ważone widmem emitera w jednostkach arbitralnych (mapowane jako kolor zdefiniowany na paskach kolorów) w stosunku do wektora falowego w płaszczyźnie: ( ) z TiO2, ale bez GraHIL; ( ) z TiO2 i GraHIL. Czarne linie przerywane wskazują linie graniczne dzielące reprezentatywne mody optyczne, w tym wyekstrahowane, ograniczone do podłoża (subs), falowodowe (wg) i ewanescencyjne mody. ( ) Obliczone rozpraszanie mocy w stosunku do znormalizowanego wektora falowego w płaszczyźnie przy  =550 nm dla badanych struktur elektrod. Dla urządzeń z TiO2  TiO2 było ustalone na 55 nm, a  org wybrano dla optymalnych warunków w każdym przypadku. Dla urządzeń bez TiO2  org ustawiono na tę samą wartość co jego odpowiednik w urządzeniach z TiO2. a b a b c λ d d d Wydajność wykonanych grafenowych OLEDów Zainspirowani wynikami symulacji pokazanymi powyżej, wykonaliśmy zielone OLEDy oparte na emiterach fosforescencyjnych bis(2-(2-pirydynylo- )fenylo-C)(acetyloacetoniano)iryd (III) (Ir(ppy)2acac) w konfiguracji szkło/anoda/(HIL)/OS1/LiF/Al z różnymi strukturami anody/(HIL) TiO2/grafen/GraHIL; grafen/GraHIL; i ITO (185 nm)/GraHIL, gdzie OS1 oznacza wielowarstwowy stos organiczny zdefiniowany w Metodach. Wyniki eksperymentalne przedstawione na   pokazują, że maksymalne EQE, wydajność energetyczna i wydajność prądowa uzyskane dla urządzenia opartego na TiO2/grafen/GraHIL wynoszą odpowiednio 40,8%, 160,3 lm W−1 i 168,4 cd A−1, podczas gdy te wartości są ograniczone do 31,7%, 112,6 lm W−1 i 119,0 cd A−1 dla urządzenia opartego na grafenie/GraHIL, oraz 27,4%, 104,3 lm W−1 i 106,2 cd A−1 dla urządzenia ITO/GraHIL. Zaobserwowane wysokie EQE w urządzeniu opartym na TiO2/grafen/GraHIL potwierdza synergistyczną rolę warstw TiO2 i GraHIL i jest zgodne z wynikami symulacji. Z soczewką półkulistą optycznie połączoną z tyłem podłoża, urządzenie TiO2/grafen/GraHIL wykazuje EQE, wydajność energetyczną i wydajność prądową na poziomie odpowiednio 64,7%, 250,4 lm W−1 i 257,0 cd A−1, co dalej ilustruje obiecujący potencjał proponowanych grafenowych OLEDów. Następnie rozszerzyliśmy proponowany schemat na tandemowy, wielozłączowy OLED, w którym wypadkowe EQE jest poprawione (kosztem napięcia), ponieważ jest ono ostatecznie podane jako suma EQE poszczególnych OLEDów ; podejście to jest popularne, ponieważ poprawa EQE zazwyczaj prowadzi do dłuższego czasu eksploatacji . Wielozłączowe OLEDy oparte na TiO2/grafen/GraHIL zawierające warstwę generującą ładunek (CGL) 2,9-dimetylo-4,7-difenylo-1,10-fenantroliny (BCP):Li/MoO3 wykazują EQE i wydajność energetyczną na poziomie odpowiednio 62,1% i 120,8 lm W−1 (103,2% i 183,5 lm W−1 z soczewką półkulistą), demonstrując najnowocześniejszą wydajność i wszechstronną zastosowalność proponowanej struktury elektrody. Symulacja wskazuje, że zaobserwowana wartość odpowiada sumie wartości EQE równ N rysunku 3 31 32

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

Ten dźwięk jest produkowany w oryginalnym języku historii!

Naukowcy odkryli ultra-wydajne elastyczne wyświetlacze dzięki grafenowi i dwutlenkowi tytanu

About Author

UWAGI

ZAWIEŚĆ TAGI

ARTYKUŁ TEN ZOSTAŁ PREZENTOWANY W

Related Stories

Verified Writers

Meet Klink Finance: HackerNoon Company of the Week

Reach More Readers! BOOST Your Story on HackerNoon

Meet AIOZ Network: HackerNoon Company of the Week

Verified Writers

Meet Klink Finance: HackerNoon Company of the Week

Reach More Readers! BOOST Your Story on HackerNoon

Meet AIOZ Network: HackerNoon Company of the Week

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps