```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Författare: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Sammanfattning Grafenbaserade organiska ljusemitterande dioder (OLED) har nyligen framkommit som en nyckelelement som är väsentlig i nästa generations bildskärmar och belysning, främst på grund av deras potential för mycket flexibla ljuskällor. Dock har deras effektivitet, i bästa fall, varit jämförbar med den hos konventionella, indiumtennoxidbaserade motsvarigheter. Vi föreslår här en ideal elektrodstruktur baserad på ett synergistiskt samspel mellan TiO2-lager med högt index och hålinjektionslager med lågt index som sandwichar grafenelektroderna, vilket resulterar i en idealisk situation där förbättring genom kavitetresonans maximeras samtidigt som förlust till ytplasmonpolaritoner minimeras. Den föreslagna metoden leder till OLED:er med ultrahög extern kvanteffektivitet på 40,8 och 62,1 % (64,7 och 103 % med en halvbollslins) för enkel- och multijunctionsenheter, respektive. OLED:erna tillverkade på plast med dessa elektroder är upprepade gånger böjbara med en radie på 2,3 mm, delvis på grund av TiO2-lagren som tål böjspänning upp till 4 % genom sprickavledande härdning. Introduktion Formfaktorfördelar såsom flexibilitet och töjbarhet har gett organiska ljusemitterande dioder (OLED) stor uppmärksamhet för användning i nya enheter som bärbara, rullbara eller hopfällbara bildskärmar som kräver rörlighet, deformerbarhet och/eller utvidgbarhet , . Fullständig realisering av sådan potential är dock inte trivial och kräver betydande ansträngningar inom olika aspekter såsom utveckling av lågtemperatur tunnfilmstransistortekniker och/eller flexibel inkapsling . En annan viktig aspekt att beakta för mycket flexibla bildskärmar är att hitta transparenta elektroder (TE) som kan ersätta indiumtennoxid (ITO) elektroder, vilka typiskt lider av begränsad flexibilitet och potentiella kostnadsproblem förknippade med hög efterfrågan och/eller instabil tillgång . I detta avseende har flera typer av flexibla transparenta elektroder såsom metallnanotrådar, kolfiberbaserade material (till exempel kolnanorör eller grafen) och metallgaller i kombination med andra typer av TE föreslagits för OLED:er , , , , , . Bland dem har grafen — ett atomärt tunt skikt av sp2-hybridiserade kolatomer — betraktats som lovande eftersom den unika kombinationen av dess inneboende tunnhet och överlägsna elektriska egenskaper förväntas möjliggöra ideala transparenta elektroder som har låg eller ingen optisk dis, jämn ytstruktur som förhindrar grovhetsinducerade elektriska kortslutningar och nedbrytning, hög transmittans, lågt ytmotstånd och hög grad av flexibilitet samtidigt , . Enkel framställning av högkvalitativt grafen på storplastsubstrat har nyligen demonstrerats för transparenta elektroder med produktionskompatibla metoder av industrisektorer, vilket visar deras praktiska genomförbarhet , . Både enskiktsgrafen (SLG) och flerskiktsgrafen (MLG) har visat sig ha prestanda som är tillräckliga för TE i OLED:er , . I synnerhet har effektiva grafenbaserade OLED:er uppnåtts med hjälp av hålinjektionslager (HIL) som används för att övervinna deras relativt låga utträdesarbete, vilket är känt för att vara runt 4,5 eV. Sådana injektionslager inkluderar ledande polymerer med gradient elektroniska egenskaper som kallas självorganiserad gradient HIL (GraHIL) , och tunna MoO3-buffertlager i kombination med ledande polymerer av poly(3,4-etylendioxitiofen): polystyrensulfonat (PEDOT:PSS) . Trots detta var energieffektiviteten och den externa kvanteffektiviteten (EQE) hos dessa toppmoderna grafenbaserade OLED:er fortfarande i nivå med ITO-baserade OLED:er, om inte en skrymmande halvklotformad lins användes för utkopplingförbättring . Att säkra den högst möjliga effektiviteten är särskilt viktigt för flexibla bildskärmar som används i mycket bärbara eller bärbara applikationer, eftersom de ofta måste förlita sig på batterier med en ganska begränsad energikapacitet på grund av begränsningar i storlek, vikt eller formfaktor. Detta kräver utveckling av en enhetsarkitektur som kan maximera effektiviteten hos grafenbaserade OLED:er. En viktig utmaning är att utveckla en struktur eller metodik för att låsa upp deras fulla optiska potential och samtidigt behålla grafenets fördelar i formfaktorer så mycket som möjligt. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 För detta ändamål utforskar vi här en enkel elektrodarkitektur baserad på TiO2-lager med högt index och HIL med lågt index som sandwichar grafenelektroder. Med den optiska designen som drar full nytta av det synergistiska samarbetet mellan lagren med högt och lågt index som styr både kavitetresonansförbättring och förlust till ytplasmonpolariton (SPP), visar de föreslagna grafenbaserade OLED:erna en aldrig tidigare skådad ultrahög EQE för de som använder grafen som transparent elektrod. Dessutom avslöjas en ovanligt hög resistans hos TiO2 mot böjspänning, vilket möjliggör plast-OLED:er som inte bara är effektiva utan också mycket flexibla. Resultat Optisk design av högeffektiva grafenbaserade OLED:er Effektiviteten hos OLED:er begränsas ytterst av en ändlig utkopplingseffektivitet som typiskt är runt 20 % som bäst för enheter med isotropa sändare. Bland olika metoder för att förbättra utkopplingen som föreslagits hittills , har en metod baserad på mikrokapacitetsresonans fördelar genom att den bibehåller en plan geometri utan att använda någon mikro/nanostrukturering eller linseformad struktur, så att OLED:erna som tillverkas av detta inte utsätts för elektriska kortslutningar och optiska artefakter som är ogynnsamma för bildskärmsapplikationer (till exempel oskärpa, diffraktion och så vidare) men ändå kan uppvisa mycket rena, mättade primärfärger (R, G, B) med förbättrad effektivitet , . Med en svag men fortfarande betydande mikrokapacitetseffekt kan ITO-baserade OLED:er också optimeras för maximal effektivitet, utan att orsaka optisk dis eller oskärpa, enbart genom att justera tjockleken på ITO-lagren; i detta schema uppnås en första ordningens 3 /4-kavitetsdesign, där   avser våglängden, med den öppna änden av kavitetsläget placerad vid ITO/substratgränssnittet , . I fallet med ITO-fria, grafenbaserade OLED:er kan grafenelektroder inte göras tillräckligt tjocka för att kontrollera kavitetens längd, vilket gör det utmanande att förbättra effektiviteten genom resonanseffekten . 15 16 17 λ λ 18 19 20 Som ett alternativt mått kan man placera ett tunt lager med högt brytningsindex ( H) under grafenlagren som visas i   på ett sätt som liknar metall-fria, dielektriska belagda elektroder , , , . Eftersom ljus kan passera genom grafenet med liten fasskillnad på grund av den inneboende tunnheten hos en grafenelektrod, kan en 3 /4-kavitetsdesign enkelt uppnås, till exempel med den optiska tjockleken hos det organiska plus injektionslagret och högbrytningsindexlagret inställt på ungefär 2 /4 respektive  /4 ( ). Särskilt fungerar det ' /4-tjocka' högbrytningsindexlagret också som en metall-fri, dielektrisk spegel som möjliggör signifikant reflektans från bottnen av elektrodenheten ( bot) för ljus som infaller från de organiska lagren, vilket kan bekräftas i graferna längst ner i  . Detta ger grafenbaserade OLED:er möjligheter att förbättra sin effektivitet via resonanseffekten, vilket annars inte skulle vara möjligt. Det visas att  bot och den medföljande resonansförbättringen ökar med  H ( ). Det höga brytningsindexet är också fördelaktigt med avseende på flexibilitet eftersom den önskade optiska tjockleken ( H H) kan uppnås med låg fysisk tjocklek  H, och eftersom böjningsinducerade sprickor i en given film generellt bildas vid en lägre startspänning med en större fysisk tjocklek . Ett framgångsrikt högbrytningsindexlager i detta system bör därför ha så hög  H som möjligt. Dessutom bör det vara transparent och, framför allt, inte skadas av en given grafenöverföringsprocess. Bland olika kandidater är ett sputterat TiO2-lager transparent i det synliga spektralområdet och har ett relativt högt brytningsindex ( =2,5). Till skillnad från andra högbrytningsindexlager vi provat, visar sig TiO2-lagret ha en kemisk beständighet som är robust mot grafenöverföringsprocesser som använder lösningsmedel, såsom aceton eller isopropylalkohol (IPA), vilket möjliggör bildning av ett högkvalitativt grafenelektrod ovanpå ( ). n Fig. 1a 17 20 21 22 λ λ λ Fig. 1b λ R Fig. 1c,d R n Kompletterande Fig. 1 n d d 23 n n Kompletterande Fig. 2   ( ) Schematisk enhetsstruktur för de föreslagna OLED:erna. ( ) Elektromagnetisk fältintensitetsfördelning (streckade linjer) för de studerade OLED:erna för deras respektive första ordningens kavitetsdesign. Fältintensitetsfördelningen för den grafenbaserade OLED:en utan TiO2 visas också för jämförelse för fallet där tjockleksvärdena för de organiska lagren är desamma som för OLED:erna med TiO2 men utan HIL med lågt index. ( , ) Beräknad maximal extern kvanteffektivitet ( EQE) för grafenbaserade OLED:er med TiO2 underlager som en funktion av tjockleken på TiO2 och det organiska lagret (respektive  TiO2 och  org). Streckade linjer representerar konturlinjer för  EQE på 10, 20, 30 eller 40 % som anges i grafen. ( ) Utan HIL med lågt index; ( ) med GraHIL som HIL med lågt index. Längst ner i varje fall presenteras reflektansen ( bot) från bottnen av elektrodenheten (TiO2/grafen/(HIL)) som helhet som en funktion av  TiO2 för ljus som infaller från de organiska lagren. a b c d η d d η c d R d Det är värt att notera att en mikrokapacitetsstruktur av högre ordning (till exempel andra ordningens, 5 /4-kavitet) baserad på en tjock organisk stapel också kan vara möjlig. I detta arbete valdes dock en första ordningens kavitetsdesign först eftersom den resulterar i en starkare Purcell-effekt och färre vågledarlägen än designen av högre ordning, vilket i slutändan leder till större utkopplingseffektivitet och EQE , . Utmaningar kvarstår för första ordningens kavitetsdesign eftersom den ideala placeringen av en emissionszon är begränsad till det första antinod från gränssnittet mellan organiskt material och metall, vilket gör det svårt att minska SPP-lägen genom ett längre avstånd mellan sändare och metall , . En alternativ metod som typiskt används för SPP-reduktion är att införliva interna vågiga strukturer eller korrugeringar , men toleransen för elektriska kortslutningar kan ofta komprometteras av sådana metoder. Metoden vi använder här är att inkludera ett lager med lågt brytningsindex, vilket har visat sig effektivt minska SPP-lägen , . Lyckligtvis har GraHIL eller ett självorganiserat gradient hålinjektionslager bestående av PEDOT:PSS och tetrafluoroeten-perfluoro-3, 6-dioxa-4-metyl-7-oktensulfonsyrakopolymer (PFI), som tidigare föreslagits av författarna och visat sig vara mycket effektivt för att förbättra hålinjektionen i grafenbaserade OLED:er , ett brytningsindex runt 1,42 vid   på 550 nm ( ), vilket är mycket lägre än för typiska organiska lager ( =1,8). Med det synergistiska samspelet mellan lager med högt och lågt index som sandwichar grafenlagren, kan förstärkningen av kavitetresonanseffekten och minskningen av SPP-lägen därmed göras samtidigt så att EQE kan ökas avsevärt även utan utkopplingsstrukturer. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ Kompletterande Fig. 3 n  presenterar de optiska simuleringsresultaten baserade på en avancerad klassisk elektromagnetisk teori sammanfattad av Furno et al.  över hela det synliga spektralområdet, och vid   på 550 nm. Formalismen tar hänsyn till Purcell-faktorn, dipolorienteringseffekten och excitationer till SPP- och vågledarlägen. En omfattande inkludering av alla dessa faktorer visar sig vara kritisk för en exakt analys och kvantitativ design, eftersom under- eller överskattning kan uppstå när man använder ett förenklat tillvägagångssätt som inte tar hänsyn till en eller flera av dessa effekter (se  ;   och   för exempel). Resultaten indikerar att användningen av GraHIL omfördelar de relativa effektinnehållen bland olika lägen mot mindre planvågvektorer, så att effekten som kopplas till SPP-lägen minskas och de utkopplade delarna ytterligare förbättras ( ). Det kan också ses i   att användningen av TiO2-lagret under grafen effektivt undertrycker mängden effekt som kopplas till vågledar- och substratlägen via resonansförbättring. Detta leder till en signifikant ökning av utkopplingseffektiviteten, även om förlusten till evanescenta lägen också visas öka på grund av skiftet av transversella elektriska vågledarlägen mot högre normaliserade planvågvektorer ( ). Den kombinerade användningen av högbrytande index (H) TiO2 och lågbrytande index (L) GraHIL-lager, resulterar i en idealisk situation där resonansförbättringen är stor, men förlusten till SPP/evanescenta lägen minimeras. Dessutom skapar den kombinerade användningen en situation som liknar HL-staplar, som typiskt används för flerskikt tunnfilmsbeläggning , och förbättrar till och med  bot ytterligare ( ), vilket möjliggör ytterligare förbättring av Fabry–Perot-resonanseffekten. Vad som gör den föreslagna tekniken unik och avancerad i förhållande till konventionella tekniker är just det synergistiska samarbetet mellan dessa lager med högt och lågt index som möjliggör optisk hantering av både resonanseffekten och SPP-förlusten till fördel för maximal utkoppling; och ytterligare resonansförbättring via HL-stapling. Tillsammans med deras inneboende kompatibilitet med önskvärda elektriska egenskaper (till exempel effektiv hålinjektion), tillåter alla dessa optiska fördelar att man fullt ut utnyttjar även den dolda potentialen hos vad plana OLED:er verkligen kan erbjuda. Konturdiagram erhållna för optiskt tillgänglig maximal EQE ( EQE (max)) som en funktion av den organiska ( org) och TiO2-tjockleken ( TiO2) som presenteras i   visar att  EQE (max) kan vara så hög som 44 % i enheter med både GraHIL och TiO2-lager medan den skulle begränsas till 38 % utan GraHIL eller till 31 % utan TiO2. Optimala förhållanden motsvarar en situation där  H (med H som TiO2) kommer nära  /(4 H) (55 nm för  =550 nm). Det kan också noteras att  EQE (max) på 44 % är högre än vad som förväntas för optimerade, konventionella tunna metallbaserade kavitet-OLED:er med samma sändare. Detta kan hänföras till det faktum att den föreslagna arkitekturen är mindre utsatt för förlust på grund av fotonabsorption och/eller SPP-modexcitation inom halvtransparenta elektroder (se   och   för jämförelse med konventionella tunna metallbaserade kavitet-OLED:er). Figur 2a,b 19 λ Kompletterande Fig. 4 Kompletterande Tabell 1 Kompletterande Not 1 Kompletterande Fig. 5a Kompletterande Tabell 2 Kompletterande Fig. 5b 30 R Fig. 1d η d d Fig. 1c,d η d λ n λ η Kompletterande Fig. 6 Kompletterande Tabell 3   ( , ) Beräknade effektdissipationsspektra viktade med sändarspektrumet i godtyckliga enheter (mappade som en färg definierad i färgstaplarna) kontra planvågvektor: ( ) med TiO2 men utan GraHIL; ( ) med både TiO2 och GraHIL. De svarta streckade linjerna indikerar gränslinjer som delar representativa optiska lägen inklusive utkopplade, substratbundna (subs), vågledda (wg) och evanescenta lägen. ( ) Beräknad effektdissipation kontra normaliserad planvågvektor vid  =550 nm för olika elektrodstrukturer under studium. För enheterna med TiO2 fixades  TiO2 till 55 nm och  org valdes för optimala förhållanden i varje fall. För enheterna utan TiO2 sattes  org till samma värde som motsvarande enhet i enheterna med TiO2. a b a b c λ d d d Prestanda för fabricerade grafenbaserade OLED:er Inspirerade av simuleringsresultaten ovan tillverkade vi gröna OLED:er baserade på fosforescerande sändare av bis(2-(2-pyridinyl- )fenyl-C)(acetylacetonato) iridium (III) (Ir(ppy)2acac) i konfigurationen glas/anod/(HIL)/OS1/LiF/Al med olika anod/(HIL)-strukturer av TiO2/grafen/GraHIL; grafen/GraHIL; och ITO (185 nm)/GraHIL, där OS1 hänvisar till en organisk flerskiktstapel definierad i Metoder. Experimentella resultat presenterade i   visar att den maximala EQE, energieffektivitet och ström effektivitet som erhölls för den TiO2/grafen/GraHIL-baserade enheten är så hög som 40,8 %, 160,3 lm W⁻¹ och 168,4 cd A⁻¹, respektive, medan dessa värden begränsades till 31,7 %, 112,6 lm W⁻¹ och 119,0 cd A⁻¹ för den grafen/GraHIL-baserade enheten, och 27,4 %, 104,3 lm W⁻¹ och 106,2 cd A⁻¹ för ITO/GraHIL-baserade enheten. Den observerade höga EQE i den TiO2/grafen/GraHIL-baserade enheten bekräftar den synergistiska rollen för både TiO2 och GraHIL-lagren och överensstämmer med simuleringsresultaten. Med en halvbollslins optiskt kopplad till baksidan av ett substrat, visar den TiO2/grafen/GraHIL-baserade enheten en EQE, energieffektivitet och strömeffektivitet så hög som 64,7 %, 250,4 lm W⁻¹ och 257,0 cd A⁻¹, respektive, vilket ytterligare illustrerar den lovande potentialen hos de föreslagna grafenbaserade OLED:erna. Vi utökade sedan det föreslagna systemet till en tandem, multijunction OLED, där den nettoprincipen för EQE förbättras (på bekostnad av spänning) eftersom den slutligen ges som summan av de individuella OLED:erna ; denna metod är populär eftersom den förbättrade EQE generellt leder till en längre driftlivslängd . TiO2/grafen/GraHIL-baserade multijunction OLED:er som innehåller ett laddningsgenererande lager (CGL) av 2, 9-dimetyl-4, 7-difenyl-1, 10-fenantrolin (BCP):Li/MoO3 uppvisar EQE och energieffektivitet så hög som 62,1 % och 120,8 lm W⁻¹ (103,2 % och 183,5 lm W⁻¹ med halvbollslinsen), vilket visar toppmodern prestanda och den mångsidiga tillämpligheten hos den föreslagna elektrodstrukturen. Simuleringen indikerar att det observerade värdet motsvarar summan av EQE-värden för motsvarande andra ordningens kavitetstrukturer (en med emissionszonen nära det andra antinod från katoden; och den andra med emissionszonen nära det första antinod från katoden) med en elektrisk balansfaktor på 0,89 (se  ,   och   för den detaljerade strukturen för multijunction OLED:er samt den detaljerade diskussionen om simuleringsresultaten). N Fig. 3 31 32 Kompletterande Fig. 7 Kompletterande Tabell 4 Kompletterande Not 2   ( – ) EQE ( ) energieffektivitet ( ) och ström effektivitet ( ) kontra luminanskarakteristik för grafenbaserade OLED:er med och utan TiO2 underlager. Data för ITO-baserade kontroll-OLED:er visas också för jämförelse. Alla enheter i denna figur innehåller GraHIL som lågbrytande index hålinjektionslager och är baserade på glassubstrat. I ( – ) motsvarar legenderna med (L), (M) och (L,M) data erhållna med en halvbollslins, med en multijunction arkitektur, och med både en multijunction arkitektur och en halvbollslins, respektive. ( ) Ström täthet ( )–spänning ( )–luminans ( ) karakter a c a b c a c d J V L

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

Det här ljudet är producerat på berättelsens originalspråk!

Forskare låser upp ultralätta flexibla skärmar med grafen och titandioxid

About Author

KOMMENTARER

HÄNG TAGGAR

DENNA ARTIKEL PRESENTERAS I

Related Stories

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps