
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Apstrakt Grafen-bazni organski svetlosni emisioni diodni (OLED) uređaji su se nedavno pojavili kao ključni element neophodan u displejima i osvetljenju sledeće generacije, uglavnom zbog svog potencijala za visoko fleksibilne izvore svetlosti. Međutim, njihova efikasnost je u najboljem slučaju bila slična efikasnosti konvencionalnih, baziranih na indijum kalaj-oksidu. Mi ovde predlažemo idealnu strukturu elektrode zasnovanu na sinergističkom međudjelovanju TiO2 slojeva visokog indeksa i slojeva za ubrizgavanje rupa niskog indeksa koji sendvičuju grafen elektrode, što rezultira idealnom situacijom gde je pojačanje rezonancijom šupljine maksimizirano, a gubitak ka površinskom plazmon polaritonu ublažen. Predloženi pristup dovodi do OLED uređaja koji pokazuju ultravisoku spoljnu kvantnu efikasnost od 40,8 i 62,1% (64,7 i 103% sa poluloptastom sočivom) za pojedinačne i višestruke spojeve uređaja, respektivno. OLED uređaji napravljeni na plastici sa tim elektrodama mogu se više puta savijati sa radijusom od 2,3 mm, delimično zbog TiO2 slojeva koji podnose naprezanje savijanja do 4% putem kaljavog otklanjanja otpornosti na lomljenje. Uvod Prednosti oblika kao što su fleksibilnost i rastegljivost su donele organskim svetlosnim emisionim diodama (OLED) veliku pažnju za upotrebu u nastalim uređajima poput nosivih, rolajućih ili sklopivih displeja koji zahtevaju mobilnost, deformabilnost i/ili proširivost , . Puno ostvarenje takvog potencijala, međutim, nije trivijalno i zahteva značajan napor u raznim aspektima kao što je razvoj tehnologija tankoslojnih tranzistora sa niskom temperaturom i/ili fleksibilnog enkapsulacije . Drugi važan aspekt koji treba razmotriti za visoko fleksibilne displeje je pronalaženje providnih elektroda (TE) koje mogu zameniti indijum kalaj-oksid (ITO) elektrode, koje se tipično bore sa ograničenom fleksibilnošću i potencijalnim problemima troškova povezanih sa visokom potražnjom i/ili nestabilnim snabdevanjem . U tom pogledu, nekoliko vrsta fleksibilnih providnih elektroda kao što su metalne nanožice, materijali na bazi ugljenika (na primer, ugljenične nanocevi ili grafen) i metalne mreže u kombinaciji sa drugim vrstama TE predložene su za OLED uređaje , , , , , . Među njima, grafen — atomski tanki sloj sp2-hibridizovanih ugljeničnih atoma — smatran je obećavajućim jer se očekuje da jedinstvena kombinacija njegove inherentne tankosti i superiornih električnih karakteristika omogući idealne providne elektrode koje imaju malu ili nikakvu optičku zamućenost, glatku površinsku topologiju koja sprečava električne kratke spojeve i degradaciju uzrokovanu hrapavošću, visoku propusnost, nisku otpornost na list i visok stepen fleksibilnosti u isto vreme , . Laka priprema visokokvalitetnog grafena na plastičnim supstratima velikih razmera nedavno je demonstrirana za providne elektrode sa metodama kompatibilnim sa masovnom proizvodnjom od strane industrijskih sektora, demonstrirajući njihovu praktičnu održivost , . I jedno-slojni grafen (SLG) i višeslojni grafen (MLG) pokazali su se kao adekvatni za TE u OLED uređajima , . Posebno su efikasni OLED uređaji bazirani na grafenu postignuti uz pomoć slojeva za ubrizgavanje rupa (HIL) korišćenih da prevaziđu njihovu relativno nisku radnu funkciju, koja je poznata da iznosi oko 4,5 eV. Takvi injekcioni slojevi uključuju provodne polimere sa gradijentnim elektronskim svojstvima nazvane samorganizujući gradijentni HIL (GraHIL) , i tanke MoO3 bafer slojeve u kombinaciji sa provodnim polimerima poli(3,4-etilendidioksitiofena): polistiren sulfonat (PEDOT:PSS) . Ipak, efikasnost snage i spoljna kvantna efikasnost (EQE) ovih najsavremenijih grafen-baziranih OLED uređaja bili su još uvek na nivou ITO-baziranih OLED uređaja, osim ako nije korišćeno glomazno hemisferično sočivo za pojačanje izlaznog svetla . Obezbeđivanje najviše moguće efikasnosti je posebno važno za fleksibilne displeje primenjene u visoko prenosivim ili nosivim aplikacijama, jer se često moraju oslanjati na baterije sa prilično ograničenim kapacitetom energije zbog ograničenja u veličini, težini ili obliku. Ovo zahteva razvoj arhitekture uređaja koja može maksimizirati efikasnost grafen-baziranih OLED uređaja. Ključni izazov je razviti strukturu ili metodologiju za otključavanje njihovog punog optičkog potencijala, zadržavajući istovremeno prednosti grafena u oblicima što je više moguće. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 U tom cilju, mi ovde istražujemo jednostavnu arhitekturu elektrode zasnovanu na TiO2 slojevima visokog indeksa i HIL niskog indeksa koji sendvičuju grafen elektrode. Sa optičkim dizajnom koji u potpunosti koristi sinergijsku saradnju između slojeva visokog i niskog indeksa koji kontrolišu i rezonanciju šupljine i gubitak ka površinskom plazmon polaritonu (SPP), predloženi grafen-bazirani OLED uređaji pokazuju ultravisoku EQE koja je bez presedana kod onih koji koriste grafen kao providnu elektrodu. Štaviše, otkrivena je neuobičajeno visoka otpornost TiO2 na naprezanje savijanja, što omogućava plastične OLED uređaje koji nisu samo efikasni, već i visoko fleksibilni. Rezultati Optički dizajn visoko efikasnih grafen-baziranih OLED uređaja Efikasnost OLED uređaja je konačno ograničena konačnom efikasnošću izlaznog svetla koja je tipično oko 20% u najboljem slučaju za uređaje sa izotropnim emiterima. Među raznim šemama za pojačanje izlaznog svetla predloženim do sada , metod zasnovan na rezonanciji mikrošupljine ima prednosti u tome što održava planarnu geometriju bez korišćenja bilo kakve mikro/nano strukture ili sočivaste strukture, tako da OLED uređaji napravljeni na taj način nisu podložni električnim kratkim spojevima i optičkim artefaktima nepovoljnim za primenu u displejima (na primer, zamućenje, difrakcija i tako dalje), ali mogu pokazati visoko čiste, zasićene crvene (R), zelene (G), plave (B) primarne boje sa pojačanom efikasnošću , . Sa slabim, ali još uvek značajnim efektom mikrošupljine, ITO-bazirani OLED uređaji takođe mogu biti optimizovani za maksimalnu efikasnost, bez izazivanja optičke zamućenosti ili zamućenja, jednostavnim podešavanjem debljine ITO slojeva; u ovoj šemi, dizajn šupljine prvog reda, 3 /4, gde   označava talasnu dužinu, postiže se sa otvorenim krajem moda šupljine postavljenim na interfejsu ITO/supstrat , . U slučaju ITO-free, grafen-baziranih OLED uređaja, međutim, grafen elektrode se ne mogu napraviti dovoljno debele da kontrolišu dužinu šupljine, što otežava pojačavanje efikasnosti rezonantnim efektom . 15 16 17 λ λ 18 19 20 Kao alternativna mera, može se postaviti tanak sloj sa visokim indeksom prelamanja ( H) ispod grafen slojeva, kao što je prikazano na slici  , na način sličan dijamantskim kapiranim tankim metalnim elektrodama , , , . Budući da svetlost može proći kroz grafen sa malom faznom razlikom zbog inherentne tankosti grafen elektrode, 3 /4 dizajn šupljine se može postići povoljno, na primer, sa optičkom debljinom organskih plus injekcionih slojeva i sloja visokog indeksa postavljenom na približno 2 /4 i  /4, respektivno (slika  ). Konkretno, ‘ /4-debeo’ sloj visokog indeksa takođe funkcioniše kao metal-free, dijamantsko ogledalo koje omogućava značajnu refleksiju od donjeg sklopa elektroda ( bot) za svetlost koja pada sa organskih slojeva, kao što se može potvrditi na grafikonima prikazanim na dnu slike  . Ovo pruža grafen-baziranim OLED uređajima mogućnosti za povećanje efikasnosti putem rezonantnog efekta, što inače ne bi bilo moguće. Prikazano je da se  bot i prateće pojačanje rezonancije povećavaju sa  H ( ). Visoki indeks prelamanja je takođe koristan u smislu fleksibilnosti jer se ciljna optička debljina ( H H) može postići niskom fizičkom debljinom  H, i jer se savijanjem izazvano pucanje datog filma generalno formira pri nižem početnom naprezanju sa većom fizičkom debljinom . Uspešan sloj visokog indeksa u ovoj šemi bi stoga trebalo da ima što je moguće veći  H. Nadalje, trebalo bi da bude providan, i, iznad svega, ne sme biti oštećen datim procesom prenosa grafena. Među raznim kandidatima, TiO2 sloj nanesen raspršivanjem je providan u vidljivom spektru i ima relativno visok indeks prelamanja ( =2,5). Za razliku od drugih slojeva visokog indeksa koje smo isprobali, TiO2 sloj se pokazuje hemijski otporan na procese prenosa grafena koji koriste rastvarač, kao što su aceton ili izopropil alkohol (IPA), omogućavajući formiranje visokokvalitetne grafen elektrode na njegovom vrhu ( ). n 1a 17 20 21 22 λ λ λ 1b λ R 1c,d R n Prateća slika 1 n d d 23 n n Prateća slika 2   ( ) Šematski prikaz strukture predloženih OLED uređaja. ( ) Distribucija intenziteta elektromagnetnog polja (isprekidane linije) OLED uređaja pod ispitivanjem za njihov odgovarajući dizajn šupljine prvog reda. Prikazana je i distribucija intenziteta polja grafen-baziranog OLED-a bez TiO2 radi poređenja za slučaj kada su vrednosti debljine organskih slojeva iste kao kod OLED-a sa TiO2, ali bez HIL niskog indeksa. ( , ) Izračunata maksimalna spoljna kvantna efikasnost ( EQE) grafen-baziranih OLED uređaja sa TiO2 pod-slojem kao funkcija debljine TiO2 i organskog sloja ( TiO2 i  org, respektivno). Isprekidane linije predstavljaju konturne linije za  EQE od 10, 20, 30 ili 40% kako je naznačeno na grafikonu. ( ) Bez HIL niskog indeksa; ( ) sa GraHIL kao HIL niskog indeksa. Na dnu svakog slučaja, prikazana je refleksija ( bot) od donjeg sklopa elektroda (TiO2/graphene/(HIL)) kao celina kao funkcija  TiO2 za svetlost koja pada sa organskih slojeva. a b c d η d d η c d R d Vredi napomenuti da je moguća i struktura mikrošupljine višeg reda (na primer, drugog reda, 5 /4 šupljina) zasnovana na debelom organskom snopu. U ovom radu, međutim, prvo je izabran dizajn šupljine prvog reda jer rezultira jačim Purcellovim efektom i manje talasovodnih modova nego dizajn višeg reda, što na kraju dovodi do veće efikasnosti izlaznog svetla i EQE , . Izazovi i dalje postoje za dizajn šupljine prvog reda jer je idealna lokacija zone emisije ograničena na prvi antinodus od interfejsa organski/metal, što otežava smanjenje SPP modova dužim rastojanjem emiter-metal , . Alternativna metoda koja se tipično koristi za redukciju SPP uključuje unutrašnje talasaste strukture ili korugacije , ali tolerancija na električne kratke spojeve se često može ugroziti takvim pristupima. Metod koji mi usvajamo ovde je uključivanje sloja sa niskim indeksom prelamanja, za koji je pokazano da efikasno smanjuje SPP modove , . Srećom, GraHIL ili samorganizujući gradijentni sloj za ubrizgavanje rupa sastavljen od PEDOT:PSS i kopolimera tetra-fluoroetilena-perfluoro-3, 6-dioksao-4-metil-7-oktenasulfonske kiseline (PFI), koji je ranije predložen od strane autora i pokazao se kao vrlo efikasan u poboljšanju ubrizgavanja rupa u grafen-baziranim OLED uređajima , ima indeks prelamanja oko 1,42 na   od 550 nm ( ), što je mnogo niže od indeksa tipičnih organskih slojeva ( =1,8). Sa sinergijskim međudjelovanjem slojeva visokog i niskog indeksa koji sendvičuju grafen slojeve, pojačanje efekta rezonancije šupljine i smanjenje SPP modova se stoga može uraditi istovremeno tako da se EQE može značajno povećati čak i bez struktura za izlazno svetlo. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ Prateća slika 3 n Slika   predstavlja rezultate optičke simulacije zasnovane na naprednoj klasičnoj elektromagnetnoj teoriji rezimiranoj od strane Furno  .  preko celog vidljivog spektra, i na   od 550 nm. Formalizam uzima u obzir Purcellov faktor, efekat orijentacije dipola, i ekscitacije ka SPP i talasovodnim modovima. Sveobuhvatno uključivanje svih ovih faktora se pokaže kritičnim za preciznu analizu i kvantitativni dizajn, jer se može dogoditi pod- ili precenjivanje kada se koristi pojednostavljeni pristup koji ne uzima u obzir jedan ili više tih efekata (videti  ;   i   za primere). Rezultati ukazuju da upotreba GraHIL-a preraspoređuje relativne sadržaje snage među raznim modovima ka manjim talasnim vektorima u ravni, tako da se snaga spojena ka SPP modovima smanjuje, a izlazni delovi dodatno povećavaju ( ). Takođe se može videti u   da upotreba TiO2 sloja ispod grafena efikasno potiskuje količinu snage spojene ka talasovodnim i supstratnim modovima putem pojačanja rezonancije. Ovo dovodi do značajnog povećanja efikasnosti izlaznog svetla, iako se gubitak ka evanescentnim modovima takođe povećava zbog pomeranja transverzalno-električnih talasovodnih modova ka višim normalizovanim talasnim vektorima u ravni ( ). Kombinovana upotreba visokog indeksa (H) TiO2 i niski indeks (L) GraHIL slojeva, rezultira idealnom situacijom gde je pojačanje rezonancije veliko, a gubitak ka SPP/evanescentnim modovima ublažen. Dodatno, kombinovana upotreba stvara situaciju sličnu HL-paketima, koji se tipično koriste za višeslojne tankoslojne premaze , i dodatno pojačava  bot ( ), omogućavajući dodatno pojačanje u Fabry–Perot rezonantnom efektu. Ono što čini predloženu tehnologiju jedinstvenom i naprednom u odnosu na konvencionalne tehnologije je upravo sinergijska saradnja ovih slojeva visokog i niskog indeksa koji omogućavaju optičko upravljanje kako rezonantnim efektom, tako i SPP gubitkom u korist maksimalnog izlaznog svetla; i dodatno pojačanje rezonancije putem HL pakovanja. Zajedno sa njihovom inherentnom kompatibilnošću sa željenim električnim svojstvima (na primer, efikasnim ubrizgavanjem rupa), svi ovi optički benefiti omogućavaju potpuno otključavanje čak i skrivenog potencijala onoga što planarni OLED uređaji mogu zaista ponuditi. Konturne mape dobijene za optički dostupnu maksimalnu EQE ( EQE (max)) kao funkciju organske ( org) i TiO2 debljine ( TiO2) prikazane na slici   pokazuju da  EQE (max) može biti čak 44% kod uređaja sa GraHIL i TiO2 slojevima, dok bi bio ograničen na 38% bez GraHIL-a ili 31% bez TiO2. Optimalni uslovi odgovaraju situaciji gde  H (sa H koji je TiO2) prilazi  /(4 H) (55 nm za  =550 nm). Takođe se može primetiti da je  EQE (max) od 44% veći od onih očekivanih za optimizovane, konvencionalne OLED uređaje bazirane na tankom metalu sa istim emiterom. Ovo se može pripisati činjenici da je predložena arhitektura manje podložna gubitku usled apsorpcije fotona i/ili SPP mode ekscitacije unutar poluprovidnih elektroda (videti   i   za poređenje sa onima kod konvencionalnih OLED uređaja baziranih na tankom metalu). 2a,b et al 19 λ Prateća slika 4 Prateća tabela 1 Prateća napomena 1 Prateća slika 5a Pratećoj tabeli 2 Prateća slika 5b 30 R Slika 1d η d d 1c,d η d λ n λ η Prateća slika 6 Prateća tabela 3   ( , ) Izračunate spektre disipacije snage ponderisane spektrom emitera u proizvoljnim jedinicama (mapirano kao boja definisana u bojnim barovima) naspram talasnog vektora u ravni: ( ) sa TiO2, ali bez GraHIL; ( ) sa oba TiO2 i GraHIL. Crne isprekidane linije označavaju granične linije koje dele reprezentativne optičke modove uključujući izlazne, pod-konfinirane (subs), talasovodne (wg) i evanescentne modove. ( ) Izračunata disipacija snage naspram normalizovanog talasnog vektora u ravni na  =550 nm za razne ispitivane strukture elektroda. Za uređaje sa TiO2,  TiO2 je bio fiksiran na 55 nm, a  org je izabran za optimalne uslove u svakom slučaju. Za uređaje bez TiO2,  org je postavljen na istu vrednost kao i kod odgovarajućih uređaja sa TiO2. a b a b c λ d d d Performanse izrađenih grafen-baziranih OLED uređaja Inspirisani rezultatima simulacije prikazanim gore, izradili smo zelene OLED uređaje bazirane na fosforescentnim emiterima bis(2-(2-piridinil- )fenil-C)(acetilacetonato) iridijum (III) (Ir(ppy)2acac) u konfiguraciji staklo/anoda/(HIL)/OS1/LiF/Al sa različitim anodnim/(HIL) strukturama TiO2/graphene/GraHIL; graphene/GraHIL; i ITO (185 nm)/GraHIL, gde OS1 označava organski višeslojni paket definisan u Metodama. Eksperimentalni rezultati predstavljeni na slici   pokazuju da su maksimalna EQE, efikasnost snage i efikasnost struje dobijene za TiO2/graphene/GraHIL bazirani uređaj čak 40,8%, 160,3 lm W−1 i 168,4 cd A−1, respektivno, dok su te vrednosti ograničene na 31,7%, 112,6 lm W−1 i 119,0 cd A−1 za graphene/GraHIL bazirani uređaj, i 27,4%, 104,3 lm W−1 i 106,2 cd A−1 za ITO/GraHIL bazirani uređaj. Uočena visoka EQE u TiO2/graphene/GraHIL baziranom uređaju potvrđuje sinergijsku ulogu kako TiO2, tako i GraHIL slojeva, i u skladu je sa rezultatima simulacije. Sa poluloptastom sočivom optički spojenom sa zadnje strane supstrata, TiO2/graphene/GraHIL bazirani uređaj pokazuje EQE, efikasnost snage i efikasnost struje od čak 64,7%, 250,4 lm W−1 i 257,0 cd A−1, respektivno, dodatno ilustrujući obećavajući potencijal predloženih grafen-baziranih OLED uređaja. Zatim smo dalje proširili predloženu šemu na tandem, višestruki OLED, u kojem se poboljšava ukupna EQE (na račun napona) jer se ona na kraju daje kao zbir onih pojedinačnih OLED uređaja ; ovaj pristup je popularan jer poboljšana EQE generalno dovodi do dužeg operativnog veka . TiO2/graphene/GraHIL bazirani višestruki OLED uređaji koji sadrže sloj za generisanje naboja (CGL) od 2, 9-dimetil-4, 7-difenil-1, 10-fenantrolina (BCP):Li/MoO3 pokazuju EQE i efikasnost snage od čak 62,1% i 120,8 lm W−1 (103,2% i 183,5 lm W−1 sa poluloptastom sočivom), demonstrirajući najsavremenije performanse i svestranu primenljivost predložene strukture elektrode. Simulacija ukazuje da posmatrana vrednost odgovara zbiru EQE vrednosti ekvivalentnih struktura šupljine drugog reda (jedna sa zonom emisije blizu drugog antinoda od katode; i druga sa zonom emisije blizu prvog antinoda od katode) sa faktorom električne ravnoteže od 0,89 (videti  ,   i  N 3 31 32 Prateću sliku 7 Prateću tabelu 4

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

Овај аудио је произведен на оригиналном језику приче!

Naučnici otključali ultra-efikasne fleksibilne ekrane koristeći grafen i titanijum dioksid

About Author

КОМЕНТАРИ

ХАНГ ТАГС

ОВАЈ ЧЛАНАК ЈЕ ПРЕДСТАВЉЕН У

Related Stories

Leadership Success Story: Srinath Muralinathan's Transformative Projects at Amazon

Building the Cloud Future: Sreedevi Velagala's Trek in AWS Architecture

Building a website with React and Bulma

Sravana Kumar Reddy Yeruva’s Fusion Transformation Sets a New Standard in ERP Excellence

Leadership Success Story: Srinath Muralinathan's Transformative Projects at Amazon

Building the Cloud Future: Sreedevi Velagala's Trek in AWS Architecture

Building a website with React and Bulma

Sravana Kumar Reddy Yeruva’s Fusion Transformation Sets a New Standard in ERP Excellence

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps