
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Sažetak Organske svetleće diode zasnovane na grafenu (OLED) su se nedavno pojavile kao ključni element neophodan u displejima i osvetljenju sledeće generacije, uglavnom zbog njihovog potencijala za visoko fleksibilne izvore svetlosti. Međutim, njihova efikasnost je u najboljem slučaju bila slična efikasnosti konvencionalnih, oplemenjenih indijum kalaj oksidom. Ovde predlažemo idealnu strukturu elektroda zasnovanu na sinergističkom preplitanju TiO₂ slojeva visokog indeksa prelamanja i slojeva za ubrizgavanje rupa niskog indeksa prelamanja koji sendvičuju grafenske elektrode, što rezultira idealnom situacijom gde je pojačanje rezonancijom šupljine maksimizirano, a gubitak na površinskim plazmon polaritonima umanjen. Predloženi pristup dovodi do OLED uređaja koji pokazuju ultravisoku spoljnu kvantnu efikasnost od 40,8 i 62,1 % (64,7 i 103 % sa sočivom u obliku polukugle) za uređaje sa jednom i više spojeva, respektivno. OLED uređaji napravljeni na plastici sa ovim elektrodama mogu se višestruko savijati do radijusa od 2,3 mm, delimično zbog TiO₂ slojeva koji izdržavaju savojno naprezanje do 4 % putem otklanjanja pukotina radi žilavosti. Uvod Prednosti u pogledu forme, kao što su fleksibilnost i rastegljivost, donele su organskim svetlećim diodama (OLED) veliku pažnju za upotrebu u novim uređajima poput nosivih, rolujućih ili sklopivih displeja koji zahtevaju mobilnost, deformabilnost i/ili proširivost , . Puno ostvarenje takvog potencijala, međutim, nije trivijalno i zahteva značajan napor u različitim aspektima kao što je razvoj tehnologija tankoslojnih tranzistora sa niskom temperaturom i/ili fleksibilnog inkapsuliranja . Drugi važan aspekt koji treba uzeti u obzir za visoko fleksibilne displeje je pronalaženje providnih elektroda (TE) koje mogu zameniti elektrode od indijum kalaj oksida (ITO), koje se tipično bore sa ograničenom fleksibilnošću i potencijalnim problemima troškova povezanih sa velikom potražnjom i/ili nestabilnim snabdevanjem . U tom pogledu, predloženo je 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 za OLED uređaje , , , , , . Među njima, grafen – atomski tanki list sp²-hibridizovanih atoma ugljenika – smatran je obećavajućim jer se očekuje da jedinstvena kombinacija njegove inherentne tankosti i superiornih električnih karakteristika omogući idealne providne elektrode koje imaju nisku ili nikakvu optičku zamućenost, glatku površinsku topologiju koja sprečava električne kratke spojeve i degradaciju izazvanu hrapavošću, visoku propustljivost, nizak otpor lima i visok stepen fleksibilnosti istovremeno , . Laka priprema visokokvalitetnog grafena na plastičnim supstratima velikih razmera nedavno je demonstrirana za providne elektrode metodama kompatibilnim sa masovnom proizvodnjom u industrijskim sektorima, pokazujući njihovu praktičnu održivost , . Pokazalo se da i jednoslojni grafen (SLG) i višeslojni grafen (MLG) imaju performanse adekvatne za TE u OLED uređajima , . Konkretno, efikasni OLED uređaji zasnovani na grafenu postignuti su uz pomoć slojeva za ubrizgavanje rupa (HIL) koji se koriste za prevazilaženje njihovog relativno niskog radnog funkcionisanja, za koje se zna da je oko 4,5 eV. Takvi slojevi za ubrizgavanje uključuju provodne polimere sa gradijentnim elektronskim svojstvima pod nazivom samonapredni gradijentni HIL (GraHIL) , i tanke MoO₃ bafer slojeve u kombinaciji sa provodnim polimerima poli(3,4-etilendiodioksitiofena):polistiren sulfonata (PEDOT:PSS) . Uprkos tome, efikasnost snage i spoljna kvantna efikasnost (EQE) ovih najsavremenijih grafen-baziranih OLED uređaja i dalje su bili na nivou ITO-baziranih OLED uređaja, osim ako se nije koristilo glomazno hemisferično sočivo za poboljšanje izlazne svetlosti . Obezbeđivanje najviše moguće efikasnosti je posebno važno za fleksibilne displeje primenjene na visoko prenosive ili nosive uređaje, jer se oni često moraju oslanjati na baterije sa prilično ograničenim energetskim kapacitetom zbog ograničenja u veličini, težini ili faktorima forme. Ovo zahteva razvoj arhitekture uređaja koja može maksimizirati efikasnost grafen-baziranih OLED uređaja. Ključni izazov je razvoj strukture ili metodologije za otključavanje njihovog punog optičkog potencijala, a pritom zadržati prednosti grafena u faktorima forme koliko je to moguće. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 U tu svrhu, ovde istražujemo jednostavnu arhitekturu elektroda zasnovanu na TiO₂ slojevima visokog indeksa prelamanja i HIL slojevima niskog indeksa prelamanja koji sendvičuju grafenske elektrode. Sa optičkim dizajnom koji u potpunosti koristi sinergijsku saradnju između slojeva visokog i niskog indeksa prelamanja koji kontrolišu i rezonantno pojačanje šupljine i gubitak na 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 neobično visoka otpornost TiO₂ na savojno naprezanje, što omogućava plastične OLED uređaje koji nisu samo efikasni, već i veoma fleksibilni. Rezultati Optički dizajn visoko efikasnih grafen-baziranih OLED uređaja Efikasnost OLED uređaja je u krajnjoj liniji ograničena konačnom efikasnošću izlazne svetlosti koja je tipično oko 20% u najboljem slučaju za uređaje sa izotropnim emiterima. Među raznim šemama za poboljšanje izlazne svetlosti predloženim do sada , metod zasnovan na rezonanciji mikrošupljine ima prednosti jer održava planarnu geometriju bez upotrebe ikakvih mikro/nano struktura ili lentikularnih struktura, 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), a ipak mogu prikazati visoko čiste, zasićene crvene (R), zelene (G), plave (B) primarne boje sa poboljšanom efikasnošću , . Sa slabim, ali još uvek značajnim efektom mikrošupljine, ITO-bazirani OLED uređaji se takođe mogu optimizovati za maksimalnu efikasnost, bez izazivanja optičkog zamućenja ili izobličenja, 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 OLED uređaja bez ITO, baziranih na grafenu, međutim, grafenske elektrode ne mogu biti dovoljno debele da kontrolišu dužinu šupljine, što otežava poboljšanje efikasnosti efektem rezonancije . 15 16 17 λ λ 18 19 20 Kao alternativna mera, može se postaviti tanak sloj sa visokim indeksom prelamanja ( H) ispod grafenskih slojeva kao što je prikazano na slici   na način sličan dielektrično obloženim tankim metalnim elektrodama , , , . Budući da svetlost može proći kroz grafen sa malom faznom razlikom zbog inherentne tankosti grafenske elektrode, dizajn šupljine 3 /4 može se lako postići, na primer, sa optičkom debljinom organskih plus slojeva za ubrizgavanje i sloja sa visokim indeksom prelamanja podešenom na približno 2 /4 i  /4, respektivno (slika  ). Konkretno, „ /4-debeo“ sloj visokog indeksa prelamanja takođe funkcioniše kao dielektrično ogledalo bez metala koje omogućava značajnu refleksiju od donjeg sklopa elektrode ( bot) za svetlost koja pada sa organskih slojeva, kao što se može potvrditi na grafikonima prikazanim na dnu slika  . Ovo pruža grafen-baziranim OLED uređajima mogućnosti da poboljšaju svoju efikasnost putem efekta rezonancije, što inače ne bi bilo moguće. Pokazano je da  bot i prateće pojačanje rezonancije rastu sa  H ( ). Visoki indeks prelamanja je takođe koristan u smislu fleksibilnosti jer se ciljna optička debljina ( H H) može postići malom fizičkom debljinom  H, i jer savijanjem izazvano pucanje filma generalno formira na nižoj početnoj naprezanju sa većom fizičkom debljinom . Uspešan sloj visokog indeksa prelamanja u ovoj šemi trebao bi stoga imati što je moguće veći  H. Štaviše, trebao bi biti providan, i, iznad svega, ne sme biti oštećen datim procesom prenosa grafena. Među raznim kandidatima, TiO₂ sloj dobijen prskanjem je providan u vidljivom spektru i ima relativno visok indeks prelamanja ( =2,5). Za razliku od drugih slojeva visokog indeksa prelamanja koje smo isprobali, TiO₂ sloj pokazuje hemijsku otpornost koja je robusna protiv procesa prenosa grafena koji koriste rastvarače, kao što su aceton ili izopropil alkohol (IPA), omogućavajući formiranje visokokvalitetne grafenske elektrode na njegovoj površini ( ). n 1a 17 20 21 22 λ λ λ 1b λ R 1c,d R n Dodatna slika 1 n d d 23 n n Dodatna slika 2   ( ) Šematski prikaz strukture uređaja predloženih OLED uređaja. ( ) Distribucija intenziteta elektromagnetnog polja (isprekidane linije) OLED uređaja pod studijom za njihov odgovarajući dizajn šupljine prvog reda. Takođe je prikazana distribucija intenziteta polja grafen-baziranog OLED uređaja bez TiO₂ za poređenje kada su vrednosti debljine organskih slojeva iste kao kod OLED uređaja sa TiO₂ ali bez HIL sloja niskog indeksa prelamanja. ( , ) Izračunata maksimalna spoljna kvantna efikasnost ( EQE) grafen-baziranih OLED uređaja sa TiO₂ pod-slojom 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 sloja niskog indeksa prelamanja; ( ) sa GraHIL kao HIL slojem niskog indeksa prelamanja. Na dnu svakog slučaja, prikazana je refleksivnost ( bot) od donjeg sklopa elektrode (TiO₂/grafen/(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) zasnovana na debelom organskom sloju. U ovom radu, međutim, prvo je izabran dizajn šupljine prvog reda jer rezultira jačim Purcellovim efektom i manjim brojem talasovodnih modova nego dizajn višeg reda, što na kraju dovodi do veće efikasnosti izlazne svetlosti 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 usled većeg rastojanja emiter-metal , . Alternativna metoda koja se tipično koristi za smanjenje SPP je uključivanje unutrašnjih talasastih struktura ili korugacija , ali tolerancija na električne kratke spojeve se često može kompromitovati 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 samonapredni gradijentni sloj za ubrizgavanje rupa sastavljen od PEDOT:PSS i kopolimera tetrafluoroetilena-perfluoro-3, 6-dioksa-4-metil-7-oktensulfonske kiseline (PFI), koji su ranije predložili autori i pokazali se veoma efikasnim u poboljšanju ubrizgavanja rupa u grafen-baziranim OLED uređajima , ima indeks prelamanja oko 1,42 pri   od 550 nm ( ), što je mnogo niže od indeksa prelamanja tipičnih organskih slojeva ( =1,8). Sa sinergijskim preplitanjem slojeva visokog i niskog indeksa prelamanja koji sendvičuju grafenske slojeve, pojačanje efekta rezonancije šupljine i smanjenje SPP modova se stoga mogu izvoditi istovremeno, tako da se EQE može značajno povećati čak i bez struktura za izlaznu svetlost. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ Dodatna slika 3 n  predstavlja rezultate optičke simulacije zasnovane na naprednoj klasičnoj elektromagnetnoj teoriji koju je sažeto opisao Furno  .  u celom vidljivom spektru, i pri   od 550 nm. Formalizam uzima u obzir Purcellov faktor, efekat orijentacije dipola i ekscitacije na SPP i talasovodne modove. Sveobuhvatno uključivanje svih ovih faktora ispostavlja se kao kritično za preciznu analizu i kvantitativni dizajn, jer se potcenjivanje ili precenjivanje može dogoditi kada se koristi pojednostavljeni pristup koji ne uzima u obzir jedan ili više od ovih efekata (videti  ;   i   za primere). Rezultati ukazuju da upotreba GraHIL redistribuira relativne sadržaje snage među raznim modovima ka manjim talasnim vektorima u ravni, tako da se snaga spojena na SPP modove smanjuje, a izlazni delovi dodatno povećavaju ( ). Takođe se može videti u   da upotreba TiO₂ sloja ispod grafena efikasno potiskuje količinu snage spojene na talasovodne i supstratne modove putem rezonantnog pojačanja. Ovo dovodi do značajnog povećanja efikasnosti izlazne svetlosti, iako je gubitak na evanescentnim modovima takođe pokazao povećanje usled pomeranja transverzalno-električnih talasovodnih modova ka višim normalizovanim talasnim vektorima u ravni ( ). Kombinovana upotreba slojeva TiO₂ (H) visokog indeksa prelamanja i GraHIL (L) niskog indeksa prelamanja rezultira idealnom situacijom gde je pojačanje rezonancije veliko, a gubitak na SPP/evanescentnim modovima umanjen. Pored toga, kombinovana upotreba stvara situaciju sličnu HL-slojevima, koja se tipično koristi za višeslojne tankoslojne premaze , i dodatno povećava  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 prelamanja koji omogućavaju optičko upravljanje kako rezonantnim efektom tako i SPP gubitkom u korist maksimalnog izlaza svetlosti; i dodatno pojačanje rezonancije putem HL slaganja. Zajedno sa njihovom inherentnom kompatibilnošću sa željenim električnim svojstvima (na primer, efikasnim ubrizgavanjem rupa), sve ove optičke prednosti omogućavaju potpuno otključavanje čak i skrivenog potencijala onoga što planarni OLED uređaji mogu zaista ponuditi. Konturni grafikoni dobijeni za optički dostupnu maksimalnu EQE ( EQE (max)) kao funkciju debljine organskog ( org) i TiO₂ ( TiO₂) predstavljeni na slikama   pokazuju da  EQE (max) može biti čak 44% kod uređaja sa slojevima GraHIL i TiO₂, dok bi bez GraHIL bio ograničen na 38% ili bez TiO₂ na 31%. Optimalni uslovi odgovaraju situaciji gde  H (sa H koji je TiO₂) približava  /(4 H) (55 nm za  =550 nm). Takođe se može primetiti da je  EQE (max) od 44% viši od onih očekivanih za optimizovane, konvencionalne šupljinske OLED uređaje zasnovane na tankom metalu sa istim emiterom. Ovo se može pripisati činjenici da je predložena arhitektura manje podložna gubitku usled apsorpcije fotona i/ili ekscitacije SPP modova unutar poluprovidnih elektroda (videti   i   za poređenje sa onima kod konvencionalnih šupljinskih OLED uređaja zasnovanih na tankom metalu). Slika 2a,b et al 19 λ Dodatna slika 4 Dodatna tabela 1 Dodatna napomena 1 Dodatna slika 5a Dodatnoj tabeli 2 Dodatna slika 5b 30 R Slika 1d η d d 1c,d η d λ n λ η Dodatna slika 6 Dodatna tabela 3   ( , ) Izračunate spektra disipacije snage ponderisane emisionim spektrom emitera u proizvoljnim jedinicama (mapirane kao boja definisana u bojnim trakama) u odnosu na talasni vektor u ravni: ( ) sa TiO₂ ali bez GraHIL; ( ) sa oba TiO₂ i GraHIL. Crne isprekidane linije označavaju granične linije koje razdvajaju reprezentativne optičke modove uključujući izlazne, pod-konfinirane (subs), talasovodne (wg) i evanecentne modove. ( ) Izračunata disipacija snage u odnosu na normalizovani talasni vektor u ravni pri  =550 nm za razne istraživane strukture elektroda. Za uređaje sa TiO₂,  TiO₂ je fiksiran na 55 nm i  org je izabran za optimalne uslove u svakom slučaju. Za uređaje bez TiO₂,  org je postavljen na istu vrednost kao kod odgovarajućih uređaja sa TiO₂. a b a b c λ d d d Performanse izrađenih grafen-baziranih OLED uređaja Inspirisani gore prikazanim rezultatima simulacija, 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/grafen/GraHIL; grafen/GraHIL; i ITO (185 nm)/GraHIL, gde OS1 označava organski višeslojni sklop definisan u Metodama. Eksperimentalni rezultati prikazani na slici   pokazuju da su maksimalna EQE, efikasnost snage i efikasnost struje dobijeni za uređaj zasnovan na TiO₂/grafen/GraHIL iznosili 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 uređaj zasnovan na grafenu/GraHIL, i 27,4 %, 104,3 lm W⁻¹ i 106,2 cd A⁻¹ za uređaj ITO/GraHIL. Primećena visoka EQE kod uređaja zasnovanog na TiO₂/grafen/GraHIL potvrđuje sinergijsku ulogu i TiO₂ i GraHIL slojeva i konzistentna je sa rezultatima simulacija. Sa optički spojenim sočivom u obliku polukugle na zadnjoj strani supstrata, uređaj zasnovan na TiO₂/grafen/GraHIL 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 tandemni, višeslojni OLED, u kojem je neto EQE poboljšan (na račun napona) jer se konačno daje kao zbir EQE pojedinačnih OLED uređaja ; ovaj pristup je popularan jer poboljšani EQE generalno dovodi do dužeg životnog veka . Višeslojni OLED uređaji bazirani na TiO₂/grafen/GraHIL 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 sočivom u obliku polukugle), demonstrirajući najsavremenije performanse i svestranu primenljivost predložene strukture elektroda. Simulacija ukazuje da primećena vrednost odgovara zbiru EQE vrednosti ekvivalentnih struktura šupljine drugog reda (jedne sa zonom emisije blizu drugog antinoda od katode; i druge sa zonom emisije blizu prvog antinoda od katode) sa faktorom električne ravnoteže od 0,89 (videti  N 3 31 32

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 otkrili ultra-efikasne fleksibilne displeje koristeći grafen i titanijum dioksid

About Author

КОМЕНТАРИ

ХАНГ ТАГС

ОВАЈ ЧЛАНАК ЈЕ ПРЕДСТАВЉЕН У

Related Stories

Scaling Web Testing with Automation: Srikanth Srinivas’s Digital Strategy Breakthrough

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

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

Building a website with React and Bulma

Scaling Web Testing with Automation: Srikanth Srinivas’s Digital Strategy Breakthrough

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

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

Building a website with React and Bulma

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps