
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 svetelné diódy (OLED) založené na graféne sa v poslednej dobe objavili ako kľúčový prvok nevyhnutný pre displeje a osvetlenie budúcej generácie, najmä kvôli ich potenciálu pre vysoko flexibilné svetelné zdroje. Ich účinnosť však bola v najlepšom prípade porovnateľná s konvenčnými náprotivkami na báze oxidu india a cínu. Tu navrhujeme ideálnu štruktúru elektród založenú na synergickom vzájomnom pôsobení vrstiev TiO2 s vysokým indexom lomu a vrstiev s nízkym indexom lomu na vstrekovanie dier, ktoré obklopujú grafénové elektródy, čo vedie k ideálnej situácii, kde sa zosilnenie rezonanciou dutiny maximalizuje, ale strata na povrchovom plazmónovom poloritone je zmiernená. Navrhovaný prístup vedie k OLED s ultra vysokou vonkajšou kvantovou účinnosťou 40,8 a 62,1 % (64,7 a 103 % s polguľovým objektívom) 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 odklonom trhlín. Úvod Výhody formového faktora, ako je flexibilita a roztiahnuteľnosť, priniesli organickým svetelným diódam (OLED) značnú pozornosť pre použitie v nových zariadeniach, ako sú nositeľné, kotúčové alebo skladacie displeje, ktoré vyžadujú mobilitu, deformovateľnosť a/alebo roztiahnuteľnosť , . Plné naplnenie takéhoto potenciálu je však netriviálne a vyžaduje si značné úsilie v rôznych aspektoch, ako je vývoj nízko-teplotných technológií tenkých vrstiev tranzistorov a/alebo flexibilného zapuzdrenia . Ďalším dôležitým aspektom, ktorý treba zvážiť pre vysoko flexibilné displeje, je nájdenie transparentných elektród (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 sa pre OLED navrhlo niekoľko druhov flexibilných transparentných elektród, ako sú kovové nanodrôty, uhlíkové materiály (napr. uhlíkové nanorúrky alebo grafén) a kovové mriežky v spojení s inými typmi TE , , , , , . Spomedzi nich sa grafén – atómovo tenká vrstva atómov uhlíka s sp2 hybridizáciou – považuje za sľubný, pretože sa očakáva, že jedinečná kombinácia jeho prirodzenej tenkosti a vynikajúcich elektrických vlastností umožní ideálne transparentné elektródy s nízkou alebo žiadnou optickou hmlou, hladkou povrchovou topológiou zabraňujúcou skratom a degradácii indukovaným drsnosťou, vysokou priepustnosťou, nízkym plošným odporom a vysokým stupňom flexibility súčasne , . Jednoduchá príprava vysokokvalitného grafénu na veľkých plastových substrátoch bola nedávno demonštrovaná pre transparentné elektródy pomocou metód kompatibilných s hromadnou výrobou priemyselnými sektormi, čo dokazuje ich praktickú životaschopnosť , . Jednovrstvový grafén (SLG) aj viacvrstvový grafén (MLG) sa ukázali ako dostatočné pre TE v OLED , . Najmä účinné grafénové OLED sa dosiahli pomocou vrstiev na vstrekovanie dier (HIL), ktoré sa používajú 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 medzivrstvy MoO3 spojené s vodivými polymérmi poly(3,4-etyléndioxytyofénu):polystyrénsulfonát (PEDOT:PSS) . Napriek tomu bola energetická účinnosť a vonkajšia kvantová účinnosť (EQE) týchto najmodernejších grafénových OLED stále na úrovni ITO-založených OLED, pokiaľ sa nepoužil objemný polguľový objektív na zosilnenie výstupného svetla . Zabezpečenie čo najvyššej účinnosti je obzvlášť dôležité pre flexibilné displeje aplikované na vysoko prenosné alebo nositeľné aplikácie, pretože sa často musia spoliehať na batérie s pomerne obmedzenou kapacitou energie z dôvodu obmedzení veľkosti, hmotnosti alebo formových faktorov. To si vyžaduje vývoj architektúry zariadenia, ktorá môže maximalizovať účinnosť grafénových OLED. Kľúčovou výzvou je vyvinúť štruktúru alebo metodiku na odomknutie ich plného optického potenciálu a zároveň zachovať výhody grafénu vo formových faktoroch 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, ktoré riadia zosilnenie rezonancie dutiny a straty na povrchovom plazmónovom poloritone (SPP), navrhované grafénové OLED vykazujú ultra vysokú EQE, ktorá je bezprecedentná u tých, ktoré používajú grafén ako transparentnú 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 obmedzená v konečnom dôsledku konečnou účinnosťou výstupu svetla, ktorá je zvyčajne najviac okolo 20 % pre zariadenia s izotropnými žiaričmi. Spomedzi rôznych navrhnutých schém zosilnenia výstupu svetla  má metóda založená na rezonancii mikro dutiny výhody v tom, že zachováva planárnu geometriu bez použitia akýchkoľvek mikro/nano štruktúr alebo šošovkových štruktúr, takže OLED z nich vyrobené nie sú vystavené elektrickým skratom a optickým artefaktom nevýhodným pre displejové aplikácie (napr. rozmazanie, difrakcia atď.), ale môžu vykazovať vysoko čisté, nasýtené primárne farby červená (R), zelená (G), modrá (B) so zosilnenou účinnosťou , . Pri slabom, ale stále významnom efekte mikro dutiny môžu byť ITO-založené OLED tiež optimalizované pre maximálnu účinnosť bez toho, aby došlo k akejkoľvek optickej haze alebo rozmazaniu, jednoducho úpravou hrúbky ITO vrstiev; v tejto schéme sa dosahuje prvý rád, 3 /4 návrh dutiny, kde   odkazuje na vlnovú dĺžku, s otvoreným koncom mód dutiny umiestneným 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 efektom rezonancie . 15 16 17 λ λ 18 19 20 Ako alternatívne opatrenie možno umiestniť tenkú vrstvu s vysokým indexom lomu ( H) pod grafénové vrstvy, ako je znázornené na obr. 1a, spôsobom podobným dielectric-capped thin-metal elektródam , , , . Pretože svetlo môže prechádzať cez grafén s malou fázovou diferenciou kvôli prirodzenej tenkosti grafénovej elektródy, 3 /4 návrh dutiny sa dá pohodlne dosiahnuť napríklad s optickou hrúbkou organických plus vstrekovacích vrstiev a vrstvy s vysokým indexom lomu nastavenou na približne 2 /4 a  /4, resp. (Obr. 1b). Najmä „ /4-hrubá“ vrstva s vysokým indexom lomu funguje aj ako bezkovová dielektrická zrkadlo, ktoré umožňuje významnú odrazivosť od spodnej zostavy elektród ( bot) pre svetlo dopadajúce z organických vrstiev, ako možno potvrdiť v grafoch zobrazených v spodnej časti obr. 1c,d. To poskytuje grafénovým OLED príležitosti na zosilnenie ich účinnosti prostredníctvom efektu rezonancie, 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 ohýbaním indukovaná trhlina danej vrstvy sa všeobecne tvorí pri nižšom počiatočnom namáhaní s väčšou fyzickou hrúbkou . Úspešná vrstva s vysokým indexom lomu v tejto schéme by preto mala mať čo najväčší  H. Okrem toho by mala byť transparentná a predovšetkým by nemala byť poškodená daným procesom prenosu grafénu. Spomedzi rôznych kandidátov je naprašovaná vrstva TiO2 transparentná v rozsahu viditeľného spektra a má relatívne vysoký index lomu ( =2,5). Na rozdiel od iných vrstiev s vysokým indexom lomu, ktoré sme skúšali, sa vrstva TiO2 ukazuje ako chemicky odolná voči procesom prenosu grafénu, ktoré používajú rozpúšťadlo, ako je acetón alebo izopropylalkohol (IPA), čo umožňuje vytvorenie vysokokvalitnej grafénovej elektródy na jej povrchu ( ). n 17 20 21 22 λ λ λ λ R R n Doplnkový obrázok 1 n d d 23 n n Doplnkový obrázok 2   ( ) Schematická štruktúra zariadenia navrhovaných OLED. ( ) Distribúcia intenzity elektromagnetického poľa (pretrhávané čiary) OLED pod štúdiom pre ich príslušný návrh dutiny prvého rádu. Pre porovnanie je zobrazená aj distribúcia intenzity poľa pre grafénové OLED bez TiO2 pre prípad, keď sú hodnoty hrúbky organických vrstiev rovnaké ako pri OLED s TiO2, ale bez HIL s nízkym indexom lomu. ( , ) Vypočítaná maximálna vonkajšia kvantová účinnosť ( EQE) grafénových OLED s vrstvou TiO2 pod ňou ako funkcia hrúbky TiO2 a organickej vrstvy ( TiO2 a  org, resp.). Pretrhávané čiary predstavujú kontúrové čiary pre  EQE 10, 20, 30 alebo 40 % podľa grafu. ( ) Bez HIL s nízkym indexom lomu; ( ) s GraHIL ako HIL s nízkym indexom lomu. V spodnej časti každého prípadu je odrazivosť ( bot) z celej spodnej zostavy elektród (TiO2/grafén/(HIL)) prezentovaná ako funkcia  TiO2 pre svetlo dopadajúce z organických vrstiev. a b c d η d d η c d R d Stojí za zmienku, že štruktúra mikro dutiny vyššieho rádu (napr. druhý rád, 5 /4 dutina) založená na hrubom organickom zložení môže byť tiež možná. V tejto práci bol však najprv zvolený návrh dutiny prvého rádu, pretože vedie k silnejšiemu Purcellovmu efektu a menšiemu počtu vlnovodových módov ako návrh vyššieho rádu, čo nakoniec vedie k väčšej účinnosti výstupu svetla a EQE , . Pre návrh dutiny prvého rádu stále zostávajú výzvy, pretože ideálna poloha emisnej zóny je obmedzená na prvom antinóde od rozhrania organické/kovové, čo sťažuje redukciu SPP módov dlhšou vzdialenosťou žiariča od kovu , . Alternatívna metóda bežne používaná na redukciu SPP je začlenenie vnútorných vlnovitých štruktúr alebo zvlnení , ale tolerancia voči elektrickým skratom môže byť takýmito prístupmi často ohrozená. Metóda, ktorú tu používame, je začleniť vrstvu s nízkym indexom lomu, ktorá, ako sa ukázalo, účinne redukuje SPP módy , . Našťastie, GraHIL alebo samousporiadaná gradientná vrstva na vstrekovanie dier zložená z PEDOT:PSS a kopolyméru kyseliny tetrafluóretylén-perfluór-3,6-dioxa-4-metyl-7-okténsulfónovej (PFI), ktorú predtým navrhli autori a ukázala 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 indexy lomu typických organických vrstiev ( =1,8). So synergickým vzájomným pôsobením vrstiev s vysokým a nízkym indexom lomu obklopujúcich grafénové vrstvy sa teda môže súčasne dosiahnuť zosilnenie efektu rezonancie dutiny a redukcia SPP módov, čo môže výrazne zvýšiť EQE aj bez výstupných štruktúr. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ Doplnkový obrázok 3 n  predstavuje výsledky optických simulácií založené na pokročilej klasickej elektromagnetickej teórii zhrnutej Furnom et al.  v celom rozsahu viditeľného spektra a pri   550 nm. Formalizmus berie do úvahy Purcellov faktor, efekt orientácie dipólu a excitácie na SPP a vlnovodové módy. Komplexné zahrnutie všetkých týchto faktorov sa ukazuje ako kritické pre presnú analýzu a kvantitatívny návrh, pretože pod- alebo nadhodnotenie môže nastať, ak sa použije zjednodušený prístup, ktorý nezohľadňuje jeden alebo viac z týchto efektov (pozri  ;   a   pre príklady). Výsledky naznačujú, že použitie GraHIL pretvára pomerné obsahy výkonu medzi rôznymi módmi smerom k menším vlnovým vektorom v rovine, čím sa redukuje výkon viazaný na SPP módy a ďalej sa zosilňujú odklonené časti ( ). V   je tiež vidieť, že použitie vrstvy TiO2 pod grafénom účinne potláča množstvo výkonu viazaného na vlnovodové a substrátové módy prostredníctvom zosilnenia rezonancie. To vedie k významnému zvýšeniu účinnosti výstupu svetla, aj keď sa ukazuje, že strata na evanescentných módoch sa tiež zvyšuje kvôli posunu priečnych elektrických vlnovodových módov smerom k vyšším normalizovaným vlnovým vektorom v rovine ( ). Kombinované použitie vrstiev s vysokým indexom (H) TiO2 a nízkym indexom (L) GraHIL vedie k ideálnej situácii, kde je zosilnenie rezonancie veľké, ale strata na SPP/evanescentných módoch je zmiernená. Okrem toho kombinované použitie vytvára situáciu podobnú HL-stackom, ktoré sa typicky používajú pre viacvrstvové tenkovrstvové povlaky , 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, ktoré umožňujú optické riadenie rezonančného efektu aj strát SPP v prospech maximálneho výstupu svetla; a dodatočné zosilnenie rezonancie prostredníctvom HL stackingu. Spolu s ich prirodzenou kompatibilitou s požadovanými elektrickými vlastnosťami (napr. účinné vstrekovanie dier) všetky tieto optické výhody umožňujú plne odomknúť aj skrytý potenciál toho, čo planárne OLED môžu skutočne ponúknuť. Kontúrové grafy získané pre opticky dostupnú maximálnu EQE ( EQE (max)) ako funkciu organickej ( org) a TiO2 hrúbky ( TiO2) prezentované na   ukazujú, že  EQE (max) môže byť až 44 % v zariadeniach s vrstvami GraHIL aj TiO2, zatiaľ čo bez GraHIL by bola obmedzená na 38 % alebo bez TiO2 na 31 %. Optimálne podmienky zodpovedajú situácii, kde sa  H (s H byť TiO2) blíži k  /(4 H) (55 nm pre  =550 nm). Je tiež možné poznamenať, že  EQE (max) 44 % je vyššia ako u optimalizovaných, konvenčných dutinových OLED na báze tenkého kovu s rovnakým žiaričom. To možno pripísať skutočnosti, že navrhovaná architektúra nie je taká náchylná na straty spôsobené absorpciou fotónov a/alebo excitáciou SPP módov v polovodičových elektródach (pozri   a   pre porovnanie s konvenčnými dutinovými OLED na báze tenkého kovu). Obrázok 2a,b 19 λ Doplnkový obrázok 4 Doplnková tabuľka 1 Doplnková poznámka 1 Doplnkový obrázok 5a Doplnková tabuľka 2 Doplnkový obrázok 5b 30 R Obrázok 1d η d d obr. 1c,d η d λ n λ η Doplnkový obrázok 6 Doplnková tabuľka 3   ( , ) Vypočítané spektrá disipácie energie vážené emisným spektrom v ľubovoľných jednotkách (mapované ako farba definovaná v lištách s farbami) oproti vlnovému vektoru v rovine: ( ) s TiO2, ale bez GraHIL; ( ) s TiO2 aj GraHIL. Čierne pretrhávané čiary označujú hraničné čiary oddeľujúce reprezentatívne optické módy vrátane odklonených, substrátovo viazaných (subs), vlnovodových (wg) a evanescentných módov. ( ) Vypočítaná disipácia energie oproti normalizovanému vlnovému vektoru v rovine pri  =550 nm pre rôzne študované štruktúry elektród. Pre zariadenia s TiO2 bola  TiO2 fixovaná 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 náprotivka v zariadeniach s TiO2. a b a b c λ d d d Výkonnosť vyrobených grafénových OLED Inšpirovaní výsledkami simulácií uvedenými vyššie, sme vyrobili zelené OLED na báze fosforescenčných žiaričov bis(2-(2-pyridinyl- )fenyl-C)(acetylacetonato) irídium (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 odkazuje na viacvrstvovú organickú zostavu definovanú v metódach. Experimentálne výsledky prezentované na   ukazujú, že maximálna EQE, energetická účinnosť a prúdová účinnosť získané pre zariadenie na báze 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 na báze grafén/GraHIL a 27,4 %, 104,3 lm W−1 a 106,2 cd A−1 pre zariadenie na báze ITO/GraHIL. Pozorovaná vysoká EQE v zariadení na báze TiO2/grafén/GraHIL potvrdzuje synergickú úlohu vrstiev TiO2 aj GraHIL a je v súlade s výsledkami simulácií. S polguľovým objektívom opticky spojeným so zadnou stranou substrátu vykazuje zariadenie na báze TiO2/grafén/GraHIL EQE, energetickú účinnosť 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. Potom sme rozšírili navrhovanú schému na tandemový, viacvrstvový OLED, v ktorom sa čistá EQE zlepšuje (na úkor napätia), pretože je nakoniec daná ako súčet EQE jednotlivých OLED ; tento prístup je populárny, pretože zlepšená EQE všeobecne vedie k dlhšej prevádzkovej životnosti . Viacvrstvové OLED na báze TiO2/grafén/GraHIL obsahujúce vrstvu na generovanie náboja (CGL) 2, 9-dimetyl-4, 7-difenyl-1, 10-fenantrolínu (BCP):Li/MoO3 vykazujú EQE a energetickú účinnosť až 62,1 % a 120,8 lm W−1 (103,2 % a 183,5 lm W−1 s polguľovým objektívom), čo demonštruje najmodernejší výkon a všestrannú použiteľnosť navrhovanej štruktúry elektród. Simulácia naznačuje, že pozorovaná hodnota zodpovedá súčtu hodnôt EQE ekvivalentných štruktúr dutiny druhého rádu (jedna s emisnou zónou blízko druhého antinódu od katódy; a druhá s emisnou zónou blízko prvého antinódu od katódy) s faktorom elektrickej rovnováhy 0,89 (pozri  ,  N obr. 3 31 32 Doplnkový obrázok 7

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 ultraefektívne flexibilné obrazovkové displeje pomocou grafénu a oxidu titaničitého

About Author

KOMENTÁRE

ZAVISTE ŠTÍTKY

TENTO ČLÁNOK BOL PREDSTAVENÝ V

Related Stories

When Blood Told

Code Smell 298 - How to Fix Microsoft Windows Time Waste

16 Best Sklearn Datasets for Building Machine Learning Models

THE CRAB-SPIDER

When Blood Told

Code Smell 298 - How to Fix Microsoft Windows Time Waste

16 Best Sklearn Datasets for Building Machine Learning Models

THE CRAB-SPIDER

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps