
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Autori: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Džeho Li Tae-Hee Han Min-Ho Park Dej Jool Jung Džeongmin Seo Hong-Kju Seo Hjunsu Čo Eunhye Kim Džin Čung Sung-Jul Čoi Teck-Su Kim Tae-Vu Li Seunghjup Ju Sažetak Gralenska organska svetlosna-emisiona (OLED) kola su se nedavno pojavila kao ključni element neophodan u displejima i osvetljenju sledeće generacije, uglavnom zbog njihovog potencijala za visoko savitljive izvore svetlosti. Međutim, njihova efikasnost je, u najboljem slučaju, bila slična efikasnosti konvencionalnih, oplemenjenih indijum-tin-oksidom. Ovde predlažemo idealnu strukturu elektrode zasnovanu na sinergističkom delovanju TiO2 slojeva visokog indeksa i slojeva za ubrizgavanje rupa niskog indeksa koji sendviču grafenske elektrode, što rezultira idealnom situacijom gde je pojačanje rezonancijom šupljine maksimizirano, a gubitak na površinskom plazmonskom polaronu ublažen. Predloženi pristup dovodi do OLED uređaja koji pokazuju ultravisoku spoljnu kvantnu efikasnost od 40,8 i 62,1% (64,7 i 103% sa poluloptastim sočivom) za pojedinačne i višestruke spojene uređaje, respektivno. OLED uređaji napravljeni na plastici sa tim elektrodama su višestruko savitljivi sa radijusom od 2,3 mm, delimično zbog TiO2 slojeva koji podnose savojno naprezanje do 4% putem otklanjanja pukotina kaljenjem. Uvod Prednosti oblika, kao što su savitljivost i rastegljivost, donele su organskim svetlosnim-emisionim (OLED) uređajima veliku pažnju za upotrebu u novim uređajima poput nosivih, rolne ili sklopivih displeja koji zahtevaju mobilnost, deformabilnost i/ili proširivost , . Puno ostvarivanje takvog potencijala, međutim, nije trivijalno i zahteva značajan napor u raznim aspektima kao što su razvoj tehnologija tankoslojnih tranzistora sa niskom temperaturom i/ili savitljivog pakovanja . Još jedan važan aspekt koji treba uzeti u obzir za visoko savitljive displeje je pronalaženje providnih elektroda (TE) koje mogu zameniti indijum-tin-oksid (ITO) elektrode, koje se tipično bore sa ograničenom savitljivošću i potencijalnim problemima troškova povezanih sa velikom potražnjom i/ili nestabilnim snabdevanjem . U tom smislu, predloženo je nekoliko vrsta savitljivih 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 tanak list sp2-hibridizovanih atoma ugljenika – smatra se obećavajućim jer se očekuje da jedinstvena kombinacija njegove inherentne tankoće 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 izazvane hrapavošću, visoku propustljivost, nisku otpornost lista i visok stepen savitljivosti, sve istovremeno , . Laka priprema grafena visokog kvaliteta 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 , . Pokazano je da i jedno-slojeviti grafen (SLG) i višeslojni grafen (MLG) imaju performanse adekvatne za TE u OLED uređajima , . Posebno, efikasni grafenski OLED uređaji su postignuti uz pomoć slojeva za ubrizgavanje rupa (HIL) korišćenih za prevazilaženje njihove relativno niske radne funkcije, koja je poznata kao oko 4,5 eV. Takvi injekcioni slojevi uključuju provodne polimere sa gradijentnim elektronskim svojstvima nazvane samonikleni gradijentni HIL (GraHIL) , i tanke MoO3 pufer slojeve u kombinaciji sa provodnim polimerima pol (3,4-etilendioksitiofen): polistiren sulfonata (PEDOT:PSS) . Uprkos tome, efikasnost snage i spoljna kvantna efikasnost (EQE) ovih najsavremenijih grafenskih OLED uređaja su i dalje bili na nivou ITO-baziranih OLED uređaja, osim ako nije korišćeno glomazno hemisferično sočivo za pojačanje izlaza . Osiguranje najviše moguće efikasnosti je posebno važno za savitljive displeje primenjene u visoko prenosivim ili nosivim aplikacijama, jer se oni često moraju oslanjati na baterije sa prilično ograničenim kapacitetom energije zbog ograničenja u veličini, težini ili obliku. Ovo poziva na razvoj arhitekture uređaja koja može maksimizirati efikasnost grafenskih OLED uređaja. Ključni izazov je razvoj strukture ili metodologije za otključavanje njihovog punog optičkog potencijala, ali zadržavanje prednosti grafena u oblicima 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 i HIL slojevima niskog indeksa koji sendviče grafenske elektrode. Uz optički dizajn koji u potpunosti koristi sinergističku saradnju između visoko- i nisko-indeksnih slojeva koji kontrolišu i pojačanje rezonancije šupljine i gubitak na površinskom plazmonskom polaronu (SPP), predloženi grafenski OLED uređaji pokazuju ultravisoku EQE koja je bez presedana u onima koji koriste grafen kao providnu elektrodu. Nadalje, otkrivena je neuobičajeno visoka otpornost TiO2 na savojno naprezanje koja omogućava plastične OLED uređaje koji nisu samo efikasni, već i visoko savitljivi. Rezultati Optički dizajn visokoefikasnih grafenskih OLED uređaja Efikasnost OLED uređaja je konačno ograničena konačnom efikasnošću izlaza koja je tipično oko 20% u najboljem slučaju za uređaje sa izotropnim emiterima. Među raznim šemama pojačanja izlaza predloženim do sada , metod zasnovan na rezonanciji mikrošupljine ima prednosti u tome što održava planarnu geometriju bez upotrebe 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 displeja (na primer, zamućenje, difrakcija i slično), ali mogu pokazati visoko čiste, zasićene crvene (R), zelene (G), plave (B) primarne boje sa povećanom efikasnošću , . Sa slabim, ali još uvek značajnim efektom mikrošupljine, ITO-bazirani OLED uređaji se takođe mogu optimizovati 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-slobodnih, grafenskih OLED uređaja, međutim, grafenske elektrode se ne mogu napraviti dovoljno debele da kontrolišu dužinu šupljine, što otežava povećanje efikasnosti efekta 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 dielektričnim kapicama na tankim metalnim elektrodama , , , . Budući da svetlost može proći kroz grafen sa malom faznom razlikom zbog inherentne tankoće grafenske elektrode, 3 /4 dizajn šupljine se može postići povoljno, na primer, sa optičkom debljinom organskih plus injekcionih slojeva i sloja sa visokim indeksom prelamanja podešenom na približno 2 /4 i  /4, respektivno ( ). Konkretno, ' /4-debeo' sloj visokog indeksa takođe funkcioniše kao dielektrično ogledalo bez metala koje omogućava značajno refleksiju od donjeg sklopa elektroda ( bot) za svetlost koja pada iz organskih slojeva, kao što se može potvrditi na grafikonima na dnu slika  . Ovo pruža grafenskim OLED uređajima mogućnosti za povećanje njihove efikasnosti putem efekta rezonancije, što inače ne bi bilo moguće. Prikazano je da  bot i prateće pojačanje rezonancije rastu sa  H ( ). Visok indeks prelamanja je takođe koristan u smislu savitljivosti jer se ciljna optička debljina ( H H) može postići malom fizičkom debljinom  H, i jer pukotine izazvane savijanjem date folije generalno nastaju pri nižim početnim naprezanjima sa većom fizičkom debljinom . Uspešan sloj visokog indeksa u ovoj šemi trebao bi stoga imati što veći  H. Štaviše, trebalo bi da bude providan, i pre svega, ne sme biti oštećen datim procesom prenosa grafena. Među raznim kandidatima, tumbani TiO2 sloj je providan u vidljivom spektru i ima relativno visok indeks prelamanja ( =2,5). Za razliku od drugih slojeva visokog indeksa koje smo probali, TiO2 sloj se pokazao da ima hemijsku izdržljivost otpornu na procese prenosa grafena koji koriste rastvarač, kao što su aceton ili izopropil alkohol (IPA), omogućavajući formiranje visokokvalitetnog grafenskog elektroda na vrhu ( ). n 1a 17 20 21 22 λ λ λ Slika 1b λ R 1c,d R n Dodatna slika 1 n d d 23 n n Dodatna slika 2   ( ) Šematska struktura 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 za grafenski OLED uređaj bez TiO2 za poređenje slučaja kada su vrednosti debljine organskih slojeva iste kao kod OLED uređaja sa TiO2, ali bez HIL slojeva niskog indeksa. ( , ) Izračunata maksimalna spoljna kvantna efikasnost ( EQE) grafenskih OLED uređaja sa TiO2 pod-slojom kao funkcija debljine TiO2 i organskog sloja ( TiO2 i  org, respektivno). Isprekidane linije predstavljaju konture za  EQE od 10, 20, 30 ili 40% kako je naznačeno na grafikonu. ( ) Bez HIL sloja niskog indeksa; ( ) sa GraHIL kao HIL slojem niskog indeksa. Na dnu svakog slučaja, prikazana je refleksija ( bot) od donjeg sklopa elektroda (TiO2/grafen/(HIL)) kao celina kao funkcija  TiO2 za svetlost koja pada iz organskih slojeva. a b c d η d d η c d R d Vredi napomenuti da bi viši red mikrošupljine (na primer, drugi red, 5 /4 šupljina) zasnovan na debelom organskom sklopu takođe mogao biti moguć. 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 u konačnici dovodi do veće efikasnosti izlaza 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 kroz dužu udaljenost emiter-metal , . Alternativni metod koji se obično koristi za redukciju SPP je uključivanje unutrašnjih talasastih struktura ili nabora , ali tolerancija na električne kratke spojeve se često može kompromitovati ovakvim pristupima. Metoda koju ovde usvajamo je uključivanje sloja sa niskim indeksom prelamanja, za koji je pokazano da efikasno smanjuje SPP modove , . Srećom, GraHIL ili samonikli gradijentni sloj za ubrizgavanje rupa sastavljen od PEDOT:PSS i kopolimera tetra-fluoroetilena-perfluoro-3,6-dioksa-4-metil-7-oktensulfonske kiseline (PFI), koji su autori ranije predložili i pokazali da je vrlo efikasan u poboljšanju ubrizgavanja rupa u grafenskim OLED uređajima , ima indeks prelamanja oko 1,42 na   od 550 nm ( ), što je mnogo niže od indeksa prelamanja tipičnih organskih slojeva ( =1,8). Sa sinergističkim delovanjem visoko- i nisko-indeksnih slojeva koji sendviče grafenske slojeve, pojačanje efekta rezonancije šupljine i smanjenje SPP modova se stoga mogu postići istovremeno, tako da se EQE može značajno povećati čak i bez struktura za izlaz. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ Dodatna slika 3 n  predstavlja rezultate optičke simulacije zasnovane na naprednoj klasičnoj elektromagnetnoj teoriji sumiranoj od strane Furnoa  .  preko celog vidljivog spektra, i na   od 550 nm. Formalizam uzima u obzir Purcellov faktor, efekat dipolne orijentacije i ekscitacije na SPP i talasovodne modove. Sveobuhvatno uključivanje svih ovih faktora pokazuje se kritičnim za preciznu analizu i kvantitativni dizajn, jer se pod- ili nadcenjivanje može dogoditi kada se koristi pojednostavljeni pristup koji ne uzima u obzir jedan ili više tih efekata (pogledajte  ;   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 izvučeni delovi dodatno pojačavaju ( ). Takođe se može videti u   da upotreba TiO2 sloja ispod grafena efikasno suzbija količinu snage spojene na talasovodne i podložne modove putem pojačanja rezonancije. Ovo dovodi do značajnog povećanja efikasnosti izlaza, iako se takođe pokazuje povećanje gubitka na evanescentne modove zbog pomeranja poprečno-električnih talasovodnih modova ka većim normalizovanim talasnim vektorima u ravni ( ). Kombinovana upotreba visoko-indeksne (H) TiO2 i nisko-indeksne (L) GraHIL slojeve, rezultira idealnom situacijom gde je pojačanje rezonancije veliko, ali je gubitak na SPP/evanescentne modove ublažen. Dodatno, kombinovana upotreba stvara situaciju sličnu HL-skupovima, koji se obično koriste za višeslojne tankoslojne premaze , i čak dalje pojačava  bot ( ), omogućavajući dodatno pojačanje u Fabri-Pero rezonantnom efektu. Ono što čini predloženu tehnologiju jedinstvenom i naprednom u odnosu na konvencionalne tehnologije je upravo sinergistička saradnja ovih visoko- i nisko-indeksnih slojeva koji omogućavaju optičko upravljanje kako rezonantnim efektom, tako i SPP gubitkom u korist maksimalnog izlaza; i dodatno pojačanje rezonancije putem HL slaganja. Zajedno sa svojom inherentnom kompatibilnošću sa željenim električnim svojstvima (na primer, efikasno ubrizgavanje rupa), sve ove optičke prednosti omogućavaju potpuno otključavanje čak i skrivenog potencijala onoga što planarni OLED uređaji mogu zaista ponuditi. Konturne mape dobijene za optički dostupni maksimalni EQE ( EQE (max)) kao funkciju organske ( org) i TiO2 debljine ( TiO2) predstavljene na slikama   pokazuju da  EQE (max) može biti čak 44% kod uređaja sa oba GraHIL i TiO2 sloja, dok bi bio ograničen na 38% bez GraHIL ili na 31% bez TiO2. 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% veći od očekivanih za optimizovane, konvencionalne 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 (pogledajte   i   za poređenje sa onima kod konvencionalnih 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 spektre disipacije snage ponderisane spektrom emitera u proizvoljnim jedinicama (mapirano kao boja definisana u barovima boja) 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 izvučene, podložne (subs), talasovodne (wg) i evanescentne modove. ( ) Izračunata disipacija snage u odnosu na normalizovani talasni vektor u ravni na  =550 nm za različite strukture elektroda pod studijom. Za uređaje sa TiO2, dTiO2 je bio fiksiran na 55 nm i dorg je odabran za optimalne uslove u svakom slučaju. Za uređaje bez TiO2, dorg je postavljen na istu vrednost kao kod odgovarajućih uređaja sa TiO2. a b a b c λ Performanse napravljenih grafenskih OLED uređaja Inspirisani rezultatima simulacije prikazanim iznad, napravili smo zelene OLED uređaje zasnovane 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 strukturama anoda/(HIL) od TiO2/grafen/GraHIL; grafen/GraHIL; i ITO (185 nm)/GraHIL, gde OS1 označava organski višeslojni sklop definisan u Metodama. Eksperimentalni rezultati predstavljeni na slici   pokazuju da su maksimalni EQE, efikasnost snage i strujna efikasnost dobijeni za uređaj zasnovan na TiO2/grafen/GraHIL bili 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 grafen/GraHIL, i 27,4%, 104,3 lm W−1 i 106,2 cd A−1 za ITO/GraHIL uređaj. Primećeni visoki EQE u uređaju zasnovanom na TiO2/grafen/GraHIL potvrđuje sinergističku ulogu oba TiO2 i GraHIL sloja, i u skladu je sa rezultatima simulacije. Sa poluloptastim sočivom optički spojenim na poleđinu supstrata, uređaj zasnovan na TiO2/grafen/GraHIL pokazuje EQE, efikasnost snage i strujnu efikasnost čak 64,7%, 250,4 lm W−1 i 257,0 cd A−1, respektivno, dodatno ilustrujući obećavajući potencijal predloženih grafenskih OLED uređaja. Zatim smo dalje proširili predloženu šemu na tandem, višestruki spojeni OLED, u kojem je neto EQE poboljšan (na račun napona) jer je u konačnici dat kao zbir EQE pojedinačnih OLED uređaja ; ovaj pristup je popularan jer poboljšani EQE generalno dovodi do dužeg životnog veka rada . Višestruki spojeni OLED uređaji zasnovani 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 čak 62,1% i 120,8 lm W−1 (103,2% i 183,5 lm W−1 sa poluloptastim sočivom), demonstrirajući najsavremenije performanse i svestranu primenljivost predložene strukture elektroda. Simulacija ukazuje da primećena vrednost odgovara zbiru EQE vrednosti ekvivalentnih šupljina 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 (pogledajte  ,   i  N 3 31 32 Dodatnu sliku 7 Dodatnu tabelu 4 Dod

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

Building a website with React and Bulma

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

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

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

Building a website with React and Bulma

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

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

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

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps