```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Autori: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Organické svetlo emitujúce diódy (OLED) založené na graféne sa v poslednej dobe objavili ako kľúčový prvok nevyhnutný v displejoch a osvetlení budúcej generácie, najmä vďaka svojmu potenciálu pre vysoko flexibilné zdroje svetla. Ich účinnosť však, v najlepšom prípade, zodpovedala konvenčným náprotivkom na báze oxidu india a cínu. Tu navrhujeme ideálnu štruktúru elektród založenú na synergickom prepojení vrstiev TiO2 s vysokým indexom lomu a vrstiev s nízkym indexom lomu pre vstrekovanie dier, ktoré obklopujú grafénové elektródy, čo vedie k ideálnej situácii, kde je zosilnenie rezonanciou dutiny maximalizované, zatiaľ čo straty na povrchových plazmónových polaritónoch sú zmiernené. Navrhovaný prístup vedie k OLED s ultra vysokou externou kvantovou účinnosťou 40,8 a 62,1 % (64,7 a 103 % s polguľovou šošovkou) pre jednovrstvové a viacvrstvové zariadenia, resp. OLED vyrobené na plastoch s týmito elektródami sú opakovane ohýbateľné s polomerom 2,3 mm, čiastočne vďaka vrstvám TiO2, ktoré odolávajú ohybovému namáhaniu až do 4 % prostredníctvom spevnenia pomocou odklonu trhlín. Úvod Výhody vo forme, ako je flexibilita a roztiahnuteľnosť, priniesli organickým svetlo emitujúcim diódam (OLED) veľkú pozornosť pre použitie v nových zariadeniach, ako sú nositeľné, rolovacie alebo skladacie displeje, ktoré vyžadujú mobilitu, deformovateľnosť a/alebo rozťažnosť , . Plné uskutočnenie takéhoto potenciálu však nie je triviálne a vyžaduje si značné úsilie v rôznych aspektoch, ako je vývoj nízko-teplotných technológií tenkých tranzistorov a/alebo flexibilného zapuzdrenia . Ďalším dôležitým aspektom, ktorý treba zvážiť pre vysoko flexibilné displeje, je nájsť priehľadné elektródy (TE), ktoré môžu nahradiť elektródy z oxidu india a cínu (ITO), ktoré sa zvyčajne vyznačujú obmedzenou flexibilitou a potenciálnymi nákladovými problémami spojenými s vysokým dopytom a/alebo nestabilnou ponukou . V tomto ohľade bolo pre OLED navrhnutých niekoľko druhov flexibilných priehľadných elektród, ako sú kovové nanodrôty, materiály na báze uhlíka (napríklad uhlíkové nanorúrky alebo grafén) a kovové mriežky v spojení s inými typmi TE , , , , , . Spomedzi nich je grafén – atomárne tenká vrstva uhlíkových atómov s sp2 hybridizáciou – považovaný za sľubný, pretože sa očakáva, že jedinečná kombinácia jeho vrodenej tenkosti a vynikajúcich elektrických vlastností umožní ideálne priehľadné elektródy s nízkym alebo žiadnym optickým zákalom, hladkou povrchovou topológiou zabraňujúcou skratom a degradácii spôsobeným drsnosťou, vysokou priepustnosťou, nízkym plošným odporom a vysokým stupňom flexibility súčasne , . Jednoduchá príprava vysokokvalitného grafénu na veľkých plastových substrátoch bola nedávno demonštrovaná pre priehľadné elektródy pomocou metód kompatibilných s hromadnou výrobou v priemyselných odvetviach, čo preukazuje ich praktickú životaschopnosť , . Jednovrstvový grafén (SLG) aj viacvrstvový grafén (MLG) preukázali dostatočný výkon pre TE v OLED , . Konkrétne, efektívne OLED založené na graféne boli dosiahnuté s pomocou vrstiev na vstrekovanie dier (HIL) používaných na prekonanie ich relatívne nízkej výstupnej práce, ktorá je známa ako okolo 4,5 eV. Tieto vstrekovacie vrstvy zahŕňajú vodivé polyméry s gradientnými elektronickými vlastnosťami nazývané samousporiadaná gradientná HIL (GraHIL)  a tenké MoO3 medzivrstvy v spojení s vodivými polymérmi poly(3,4-etyléndioxytiofén):polystyrénsulfonát (PEDOT:PSS) . Napriek tomu, účinnosť napájania a externá kvantová účinnosť (EQE) týchto najmodernejších grafénových OLED boli stále na úrovni ITO-založených OLED, pokiaľ sa nepoužila objemná hemisférická šošovka na zosilnenie výstupu svetla . Zabezpečenie najvyššej možnej účinnosti je obzvlášť dôležité pre flexibilné displeje používané v vysoko prenosných alebo nositeľných aplikáciách, pretože sa často musia spoliehať na batérie s pomerne obmedzenou kapacitou energie kvôli obmedzeniam vo veľkosti, hmotnosti alebo forme. To si vyžaduje vývoj architektúry zariadenia, ktorá môže maximalizovať účinnosť grafénových OLED. Kľúčovou výzvou je vyvinúť štruktúru alebo metodológiu na odomknutie ich plného optického potenciálu, pričom si zachováme výhody grafénu vo forme čo najviac. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 Na tento účel tu skúmame jednoduchú architektúru elektród založenú na vrstvách TiO2 s vysokým indexom lomu a HIL s nízkym indexom lomu, ktoré obklopujú grafénové elektródy. S optickým dizajnom, ktorý plne využíva synergickú spoluprácu medzi vrstvami s vysokým a nízkym indexom lomu, ktoré kontrolujú zosilnenie rezonancie dutiny aj straty na povrchových plazmónových polaritónoch (SPP), navrhované grafénové OLED vykazujú ultra vysokú EQE, ktorá je bezprecedentná u tých, ktoré používajú grafén ako priehľadnú elektródu. Okrem toho sa odhaľuje neobvykle vysoká odolnosť TiO2 voči ohybovému namáhaniu, ktorá umožňuje plastové OLED, ktoré sú nielen účinné, ale aj vysoko flexibilné. Výsledky Optický návrh vysoko účinných grafénových OLED Účinnosť OLED je nakoniec obmedzená konečnou účinnosťou výstupu svetla, ktorá je typicky maximálne okolo 20 % pre zariadenia s izotropnými emitermi. Spomedzi rôznych navrhovaných schém zosilnenia výstupu svetla  má metóda založená na rezonancii mikro dutiny výhody v tom, že si zachováva planárnu geometriu bez použitia akejkoľvek mikro/nano štruktúry alebo šošovkovitej štruktúry, takže OLED z nich vyrobené nie sú vystavené elektrickým skratom a optickým artefaktom nevýhodným pre displejové aplikácie (napríklad rozmazanie, difrakcia atď.), ale zároveň môžu vykazovať vysoko čisté, nasýtené červené (R), zelené (G), modré (B) primárne farby so zosilnenou účinnosťou , . So slabým, ale stále významným efektom mikro dutiny, môžu byť aj ITO-založené OLED optimalizované pre maximálnu účinnosť bez toho, aby spôsobovali akýkoľvek optický zákal alebo rozmazanie, jednoducho úpravou hrúbky ITO vrstiev; v tejto schéme je prvý rád, 3 /4 dizajn dutiny, kde   odkazuje na vlnovú dĺžku, umiestnený s otvoreným koncom módu dutiny na rozhraní ITO/substrát , . V prípade OLED bez ITO, založených na graféne, však grafénové elektródy nemôžu byť dostatočne hrubé na kontrolu dĺžky dutiny, čo sťažuje zosilnenie účinnosti rezonančným efektom . 15 16 17 λ λ 18 19 20 Ako alternatívne opatrenie je možné umiestniť tenkú vrstvu s vysokým indexom lomu ( H) pod grafénové vrstvy, ako je znázornené na  , spôsobom podobným ako u tenkých kovových elektród pokrytých dielektrikom , , , . Keďže svetlo môže prechádzať cez grafén s malým fázovým rozdielom kvôli vrodenej tenkosti grafénovej elektródy, dizajn dutiny 3 /4 je možné pohodlne dosiahnuť, napríklad s optickou hrúbkou organických plus vstrekovacích vrstiev a vrstvy s vysokým indexom lomu nastavenou približne na 2 /4 a  /4, resp. ( ). Najmä vrstva s vysokým indexom lomu hrubá „ /4“ funguje tiež ako bezkovové, dielektrické zrkadlo, ktoré umožňuje významnú odrazivosť spodného zostavenia elektród ( bot) pre svetlo dopadajúce z organických vrstiev, ako je možné potvrdiť v grafoch zobrazených v spodnej časti  . To poskytuje grafénovým OLED príležitosti na zvýšenie ich účinnosti prostredníctvom rezonančného efektu, ktorý by inak nebol možný. Ukazuje sa, že  bot a sprievodné zosilnenie rezonancie sa zvyšujú s  H ( ). Vysoký index lomu je tiež prospešný z hľadiska flexibility, pretože cieľová optická hrúbka ( H H) môže byť dosiahnutá s nízkou fyzickou hrúbkou  H, a pretože ohybom indukované praskanie danej vrstvy vo všeobecnosti vzniká pri nižšej počiatočnej deformácii s väčšou fyzickou hrúbkou . Úspešná vrstva s vysokým indexom lomu v tejto schéme by teda mala mať čo najväčší  H. Okrem toho by mala byť priehľadná a predovšetkým by nemala byť poškodená daným procesom prenosu grafénu. Spomedzi rôznych kandidátov je naprašovaná vrstva TiO2 v viditeľnom spektre priehľadná a má relatívne vysoký index lomu ( =2,5). Na rozdiel od iných nami skúšaných vrstiev s vysokým indexom lomu sa vrstva TiO2 ukázala ako chemicky odolná voči procesom prenosu grafénu, ktoré používajú rozpúšťadlá, ako je acetón alebo izopropylalkohol (IPA), čo umožňuje vytvorenie vysokokvalitnej grafénovej elektródy na jej vrchole ( ). n obr. 1a 17 20 21 22 λ λ λ obr. 1b λ R obr. 1c,d R n doplnkový obr. 1 n d d 23 n n doplnkový obr. 2   ( ) Schematická štruktúra zariadenia navrhovaných OLED. ( ) Distribúcia intenzity elektromagnetického poľa (prerušované čiary) OLED pri štúdiu pre ich príslušný dizajn dutiny prvého rádu. Pre porovnanie je tiež zobrazená distribúcia intenzity poľa u grafénového OLED bez TiO2 pre prípad, kde sú hodnoty hrúbky organických vrstiev rovnaké ako u OLED s TiO2, ale bez HIL s nízkym indexom lomu. ( , ) Vypočítaná maximálna externá kvantová účinnosť ( EQE) grafénových OLED s podvrstvou TiO2 ako funkcia hrúbky TiO2 a organickej vrstvy ( TiO2 a  org, resp.). Prerušované čiary predstavujú kontúry pre  EQE 10, 20, 30 alebo 40 % podľa indikácie v grafe. ( ) Bez HIL s nízkym indexom lomu; ( ) s GraHIL ako HIL s nízkym indexom lomu. V spodnej časti každého prípadu je zobrazená odrazivosť ( bot) celého spodného zostavenia elektród (TiO2/grafén/(HIL)) ako funkcia  TiO2 pre svetlo dopadajúce z organických vrstiev. a b c d η d d η c d R d Je pozoruhodné, že štruktúra mikro dutiny vyššieho rádu (napríklad druhého rádu, 5 /4 dutina) založená na hrubom organickom zväzku môže byť tiež možná. V tejto práci však bol najprv zvolený dizajn dutiny prvého rádu, pretože vedie k silnejšiemu Purcellovmu efektu a menšiemu počtu vlnovodových módov ako dizajn vyššieho rádu, čo v konečnom dôsledku vedie k väčšej účinnosti výstupu svetla a EQE , . Pre dizajn dutiny prvého rádu stále existujú výzvy, pretože ideálna poloha emisnej zóny je obmedzená na prvý antinód od rozhrania organický/kov, čo sťažuje redukciu SPP módov dlhšou vzdialenosťou emitera od kovu , . Alternatívnou metódou typicky používanou na redukciu SPP je začlenenie vnútorných vlnitých štruktúr alebo zvlnení , ale tolerancia k elektrickým skratom môže byť takýmito prístupmi často ohrozená. Metóda, ktorú tu používame, je začleniť vrstvu s nízkym indexom lomu, u ktorej sa preukázalo, že efektívne redukuje SPP módy , . Našťastie, GraHIL alebo samousporiadaná gradientná vrstva na vstrekovanie dier zložená z PEDOT:PSS a kopolyméru tetrafluóretylénu-perfluór-3,6-dioxa-4-metyl-7-okténsulfonovej kyseliny (PFI), ktorá bola predtým navrhnutá autormi a preukázala sa ako veľmi účinná pri zlepšovaní vstrekovania dier v grafénových OLED , má index lomu okolo 1,42 pri   550 nm ( ), čo je oveľa nižšie ako u typických organických vrstiev ( =1,8). So synergickým prepojením vrstiev s vysokým a nízkym indexom lomu obklopujúcich grafénové vrstvy, môže byť zosilnenie rezonančného efektu dutiny a redukcia SPP módov uskutočnené súčasne, takže EQE môže byť výrazne zvýšená aj bez štruktúr na výstup svetla. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ doplnkový obr. 3 n  predstavujú výsledky optických simulácií založené na pokročilej klasickej elektromagnetickej teórii zhrnutej Furnom  .  v celom viditeľnom spektre a pri   550 nm. Formalizmus zohľadňuje Purcellov faktor, efekt orientácie dipólu a excitácie na SPP a vlnovodové módy. Komplexné začlenenie všetkých týchto faktorov sa ukázalo ako kritické pre presnú analýzu a kvantitatívny návrh, pretože podcenenie alebo precenenie môže nastať, ak sa použije zjednodušený prístup, ktorý nezohľadňuje jeden alebo viac z týchto efektov (pozri  ;   a   pre príklady). Výsledky naznačujú, že použitie GraHIL redistribuuje pomery relatívneho výkonu medzi rôznymi módmi smerom k menším vlnovým vektorom v rovine, čím sa znižuje výkon pripojený k SPP módom a ďalej sa zvyšujú výstupujúce časti ( ). Z   je tiež vidieť, že použitie vrstvy TiO2 pod grafénom účinne potláča množstvo výkonu pripojeného k vlnovodovým a substrátovým módov prostredníctvom zosilnenia rezonancie. To vedie k významnému zvýšeniu účinnosti výstupu svetla, hoci straty na evanescentných módoch sa tiež zvyšujú kvôli posunu priečne-elektrických vlnovodových módov smerom k vyšším normalizovaným vlnovým vektorom v rovine ( ). Kombinované použitie vrstiev TiO2 (H) s vysokým indexom lomu a GraHIL (L) s nízkym indexom lomu vedie k ideálnej situácii, kde je zosilnenie rezonancie veľké, zatiaľ čo straty na SPP/evanescentné módy sú zmiernené. Okrem toho kombinované použitie vytvára situáciu podobnú HL-vrstvám, ktoré sa bežne používajú pre viacvrstvové povlaky tenkých vrstiev , a ešte viac zosilňuje  bot ( ), čo umožňuje dodatočné zosilnenie v rezonančnom efekte Fabry–Perot. To, čo robí navrhovanú technológiu jedinečnou a pokročilou v porovnaní s konvenčnými technológiami, je práve synergická spolupráca týchto vrstiev s vysokým a nízkym indexom lomu, ktoré umožňujú optické riadenie rezonančného efektu aj strát SPP vo výhode maximálneho výstupu svetla; a dodatočné zosilnenie rezonancie prostredníctvom HL vrstvenia. Spolu s ich prirodzenou kompatibilitou s požadovanými elektrickými vlastnosťami (napr. efektívne vstrekovanie dier) všetky tieto optické výhody umožňujú plne odomknúť aj skrytý potenciál toho, čo planárne OLED skutočne môžu ponúknuť. Kontúrové grafy získané pre opticky dostupnú maximálnu EQE ( EQE (max)) ako funkciu organickej vrstvy ( org) a hrúbky TiO2 ( TiO2) prezentované na   ukazujú, že  EQE (max) môže byť až 44 % v zariadeniach s vrstvami GraHIL a TiO2, zatiaľ čo by bola obmedzená na 38 % bez GraHIL alebo na 31 % bez TiO2. Optimálne podmienky zodpovedajú situácii, kde  H (s H je TiO2) sa blíži k  /(4 H) (55 nm pre  =550 nm). Možno tiež poznamenať, že  EQE (max) 44 % je vyššia ako očakávané pre optimalizované, konvenčné OLED s dutinou na báze tenkého kovu s rovnakým emitorom. To možno pripísať skutočnosti, že navrhovaná architektúra je menej náchylná na straty spôsobené absorpciou fotónov a/alebo excitáciou SPP módov v polopriehľadných elektródach (pozri   a   pre porovnanie s konvenčnými OLED s dutinou na báze tenkého kovu). Obrázok 2a,b a kol 19 λ doplnkový obr. 4 doplnková tabuľka 1 doplnková poznámka 1 doplnkový obr. 5a doplnkovej tabuľky 2 doplnkový obr. 5b 30 R obr. 1d η d d obr. 1c,d η d λ n λ η doplnkový obr. 6 doplnková tabuľka 3   ( , ) Vypočítané spektrá rozptylu výkonu vážené spektrom emitera v ľubovoľných jednotkách (mapované ako farba definovaná v farebných lištách) voči vlnovému vektoru v rovine: ( ) s TiO2, ale bez GraHIL; ( ) s TiO2 aj GraHIL. Čierne prerušované čiary označujú hraničné čiary oddeľujúce reprezentatívne optické módy vrátane výstupových, substrátom obmedzených (subs), vlnovodových (wg) a evanescentných módov. ( ) Vypočítaný rozptyl výkonu voči normalizovanému vlnovému vektoru v rovine pri  =550 nm pre rôzne študované štruktúry elektród. Pre zariadenia s TiO2 bola  TiO2 pevne stanovená na 55 nm a  org bola zvolená pre optimálne podmienky v každom prípade. Pre zariadenia bez TiO2 bola  org nastavená na rovnakú hodnotu ako u zodpovedajúceho náprotivku v zariadeniach s TiO2. a b a b c λ d d d Výkonnosť vyrobených grafénových OLED Na základe vyššie uvedených výsledkov simulácií sme vyrobili zelené OLED založené na fosforescenčných emitoroch bis(2-(2-pyridinyl- )fenyl-C)(acetylacetonato)iridium (III) (Ir(ppy)2acac) v konfigurácii sklo/anóda/(HIL)/OS1/LiF/Al s rôznymi štruktúrami anóda/(HIL) TiO2/grafén/GraHIL; grafén/GraHIL; a ITO (185 nm)/GraHIL, kde OS1 označuje organický viacvrstvový zväzok definovaný v Metódach. Experimentálne výsledky prezentované na   ukazujú, že maximálna EQE, účinnosť napájania a prúdová účinnosť dosiahnuté pre zariadenie založené na TiO2/grafén/GraHIL sú až 40,8 %, 160,3 lm W−1 a 168,4 cd A−1, resp., zatiaľ čo tieto hodnoty sú obmedzené na 31,7 %, 112,6 lm W−1 a 119,0 cd A−1 pre zariadenie založené na grafén/GraHIL a 27,4 %, 104,3 lm W−1 a 106,2 cd A−1 pre zariadenie ITO/GraHIL. Pozorovaná vysoká EQE v zariadení TiO2/grafén/GraHIL potvrdzuje synergickú úlohu vrstiev TiO2 aj GraHIL a je v súlade s výsledkami simulácií. S polguľovou šošovkou opticky spojenou so zadnou stranou substrátu vykazuje zariadenie TiO2/grafén/GraHIL EQE, účinnosť napájania a prúdovú účinnosť až 64,7 %, 250,4 lm W−1 a 257,0 cd A−1, resp., čo ďalej ilustruje sľubný potenciál navrhovaných grafénových OLED. Následne sme rozšírili navrhovanú schému na tandemový, viacvrstvový OLED, kde sa čistá EQE zlepšuje (na úkor napätia), pretože je nakoniec daná ako súčet EQE jednotlivých OLED ; tento prístup je populárny, pretože zlepšená EQE zvyčajne vedie k dlhšej prevádzkovej životnosti . Viacvrstvové OLED založené na TiO2/grafén N obr. 3 31 32

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

Tento zvuk je vyrobený v pôvodnom jazyku príbehu!

Vedci odomkli ultra-efektívne flexibilné obrazovky pomocou grafénu a oxidu titaničitého

About Author

KOMENTÁRE

ZAVISTE ŠTÍTKY

TENTO ČLÁNOK BOL PREDSTAVENÝ V

Related Stories

Behavior of a shapely Spider

Mutmut: a Python mutation testing system

112 Stories To Learn About Hackernoon Community

THE CRAB-SPIDER

Behavior of a shapely Spider

Mutmut: a Python mutation testing system

112 Stories To Learn About Hackernoon Community

THE CRAB-SPIDER

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps