Waandishi: 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 Muhtasari OLED za kikaboni zenye msingi wa grafiti zimeibuka hivi karibuni kama kipengele muhimu kinachohitajika katika skrini za kizazi kijacho na taa, hasa kutokana na ahadi yao kwa vyanzo vya taa vinavyonyumbulika sana. Hata hivyo, ufanisi wao umekuwa, kwa hali nzuri, sawa na wenzao wa kawaida, wenye msingi wa oksidi ya bati indium. Hapa tunapendekeza muundo bora wa elektrodi kulingana na mwingiliano wa pamoja wa tabaka za TiO2 zenye faharisi ya juu na tabaka za kuingiza mashimo zenye faharisi ya chini zinazofunika elektrodi za grafiti, ambazo husababisha hali bora ambapo uboreshaji kwa resonance ya cavity unaongezeka huku hasara kwa plasmon polariton ya uso inapungua. Njia iliyopendekezwa husababisha OLED zinazoonyesha ufanisi wa juu sana wa quantum wa nje wa 40.8 na 62.1% (64.7 na 103% na lenzi ya nusu-mpira) kwa vifaa vya moja na vingi, mtawalia. OLED zilizotengenezwa kwenye plastiki zenye elektrodi hizo zinaweza kukunjwa mara kwa mara kwa radius ya 2.3 mm, sehemu kutokana na tabaka za TiO2 zinazostahimili mkazo wa kukunja hadi 4% kupitia ugumu wa uhamishaji wa nyufa. Utangulizi Faida za umbo kama vile unyumbulifu na kunyumbulika zimeleta diodes za kikaboni zinazotoa mwanga (OLEDs) umakini mkubwa kwa matumizi katika vifaa vinavyoibuka kama vile skrini zinazovaliwa, za roll-au za kukunja ambazo zinahitaji uhamaji, ubadilikaji na/au upanuzi , . Utimilifu kamili wa uwezekano huo, hata hivyo, sio rahisi na unahitaji juhudi kubwa katika nyanja mbalimbali kama vile maendeleo ya teknolojia za transistor za filamu nyembamba za joto la chini na/au vifuniko vinavyonyumbulika . Kipengele kingine muhimu cha kuzingatia kwa skrini zinazonyumbulika sana ni kutafuta elektrodi za uwazi (TEs) ambazo zinaweza kuchukua nafasi ya elektrodi za oksidi ya bati indium (ITO), ambazo kwa kawaida huathiriwa na unyumbulifu mdogo na masuala ya gharama yanayoweza kutokea yanayohusiana na mahitaji makubwa na/au usambazaji usio thabiti . Kwa kuzingatia hili, aina kadhaa za elektrodi za uwazi zinazonyumbulika kama vile waya za chuma, vifaa vya msingi wa kaboni (kwa mfano, nanobomba za kaboni au grafiti) na gridi za chuma pamoja na aina zingine za TEs zilipendekezwa kwa OLEDs , , , , , . Kati ya hizi, grafiti—filamu nyembamba ya atomiki ya atomi za kaboni zenye mseto wa sp2—imekuwa ikizingatiwa kuwa ya kuahidi kwa sababu mchanganyiko wake wa kipekee wa urefu wake wa ndani na sifa bora za umeme unatarajiwa kuruhusu elektrodi bora za uwazi zenye ukungu mdogo au usio na ukungu wa macho, topografia laini ya uso inayozuia saketi fupi na uharibifu unaosababishwa na ukwaruzwa, usafirishaji wa juu, upinzani mdogo wa karatasi na kiwango cha juu cha unyumbulifu kwa wakati mmoja , . Uandaaji rahisi wa grafiti ya ubora wa juu kwenye substrates kubwa za plastiki hivi karibuni umeonyeshwa kwa elektrodi za uwazi na mbinu zinazokubaliana na uzalishaji wa wingi na sekta za viwanda, kuonyesha uhalali wao wa vitendo , . Grafiti ya safu moja (SLG) na grafiti ya safu nyingi (MLG) zote zimeonyeshwa kuwa na utendaji unaofaa kwa TEs katika OLEDs , . Hasa, OLEDs za grafiti zenye ufanisi zimepata msaada wa tabaka za kuingiza mashimo (HILs) zinazotumiwa kushinda kazi yao ya chini ya kazi, ambayo inajulikana kuwa karibu 4.5 eV. Tabaka hizo za kuingiza zinajumuisha polima za kondakta na sifa za elektroniki za gradient zinazoitwa self-organized gradient HIL (GraHIL) , na tabaka nyembamba za bafa za MoO3 pamoja na polima za kondakta za poly(3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) . Hata hivyo, ufanisi wa nguvu na ufanisi wa juu wa quantum (EQE) wa OLEDs hizi za grafiti za kisasa bado zilikuwa sawa na zile za OLEDs za ITO, isipokuwa lenzi nene ya nusu-hemispherical ilitumiwa kwa uboreshaji wa utoaji wa mwanga . Kupata ufanisi wa juu zaidi ni muhimu sana kwa skrini zinazonyumbulika zinazotumiwa katika programu zinazobebeka sana au zinazovaliwa, kwani mara nyingi hulazimika kutegemea betri zenye uwezo mdogo wa nishati kutokana na vizuizi vya ukubwa, uzito au umbo. Hii inahitaji maendeleo ya muundo wa kifaa unaoweza kuongeza ufanisi wa OLEDs za grafiti. Changamoto kuu ni kuunda muundo au mbinu ya kufungua uwezo wao kamili wa macho huku ukihifadhi faida za grafiti katika umbo iwezekanavyo. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 Kwa kusudi hili, hapa tunachunguza muundo rahisi wa elektrodi kulingana na tabaka za TiO2 zenye faharisi ya juu na HILs zenye faharisi ya chini zinazofunika elektrodi za grafiti. Kwa muundo wa macho unaochukua faida kamili ya ushirikiano wa pamoja kati ya tabaka za faharisi ya juu na ya chini zinazodhibiti uboreshaji wa resonance ya cavity na hasara kwa plasmon polariton ya uso (SPP), OLEDs za grafiti zilizopendekezwa zinaonyesha EQE ya juu sana ambayo haijawahi kutokea katika zile zinazotumia grafiti kama elektrodi ya uwazi. Zaidi ya hayo, upinzani wa juu sana wa TiO2 dhidi ya mkazo wa kukunja unafichuliwa ambao huwezesha OLED za plastiki ambazo sio tu zenye ufanisi bali pia zinanyumbulika sana. Matokeo Muundo wa macho wa OLEDs za grafiti zenye ufanisi wa juu Ufanisi wa OLEDs hatimaye unazuiwa na ufanisi wa nje wa nje ambao kwa kawaida huwa karibu 20% kwa hali nzuri kwa vifaa vilivyo na vitoa risasi vya isotropic. Kati ya mipango mbalimbali ya uboreshaji wa utoaji wa mwanga iliyopendekezwa hadi sasa , mbinu inayotegemea resonance ya microcavity ina faida kwa kuwa inahifadhi jiometri ya planar bila kutumia miundo yoyote ya micro/nano au muundo wa lenticular ili OLEDs zinazotokana na hizi zisikumbane na saketi fupi za umeme na kasoro za macho zisizofaa kwa matumizi ya skrini (kwa mfano, ukungu, mtawanyiko na kadhalika) lakini bado zinaweza kuonyesha rangi safi na zilizojaa za msingi za nyekundu (R), kijani (G), bluu (B) na ufanisi ulioimarishwa , . Kwa athari dhaifu lakini bado kubwa ya microcavity, OLEDs za ITO pia zinaweza kuimarishwa kwa ufanisi wa juu zaidi, bila kusababisha ukungu wowote wa macho au ukungu, kwa kurekebisha tu unene wa tabaka za ITO; katika mpango huu, muundo wa cavity wa kwanza, 3 /4, ambapo inarejelea wavelength, hupatikana na ncha iliyo wazi ya modi ya cavity iko kwenye kiolesura cha ITO/substrate , . Kwa upande wa OLEDs zisizo na ITO, za msingi wa grafiti, elektrodi za grafiti haziwezi kufanywa kuwa nene vya kutosha kudhibiti urefu wa cavity, ambayo inafanya kuwa changamoto kuongeza ufanisi kwa athari ya resonance . 15 16 17 λ λ 18 19 20 Kama hatua mbadala, mtu anaweza kuweka safu nyembamba yenye faharisi ya juu ya refractive ( H) chini ya elektrodi za grafiti kama inavyoonyeshwa katika <a href="https://www.nature.com/articles/ncomms11791#Fig1">Kielelezo 1a</a> kwa njia sawa na elektrodi za chuma zilizofunikwa na dielectric , , , . Kwa sababu mwanga unaweza kupitia grafiti na tofauti ndogo ya awamu kutokana na urefu wake wa ndani wa elektrodi ya grafiti, muundo wa cavity wa 3 /4 unaweza kufikiwa kwa urahisi, kwa mfano, na unene wa macho wa kikaboni pamoja na tabaka za kuingiza na safu ya faharisi ya juu ya refractive iliyowekwa kwa takriban 2 /4 na /4, mtawalia (<a href="https://www.nature.com/articles/ncomms11791#Fig1">Kielelezo 1b</a>). Hasa, safu ya faharisi ya juu yenye unene wa ' /4' pia hufanya kazi kama kioo cha dielectric kisicho na metali kinachowezesha mshikamano mkubwa kutoka kwa mkusanyiko wa elektrodi ya chini ( bot) kwa mwanga unaoingia kutoka kwa tabaka za kikaboni, kama inavyoweza kuthibitishwa katika grafu zilizoonyeshwa chini ya <a href="https://www.nature.com/articles/ncomms11791#Fig1">Kielelezo 1c,d</a>. Hii inatoa fursa kwa OLEDs za grafiti kuongeza ufanisi wao kupitia athari ya resonance, ambayo vinginevyo haingewezekana. Inaonyeshwa kuwa bot na uboreshaji wa resonance unaoambatana huongezeka kwa H (<a href="https://www.nature.com/articles/ncomms11791#MOESM1492">Kielelezo cha Nyongeza 1</a>). Faharisi ya juu ya refractive pia ni ya manufaa kwa uhamishaji kwa sababu unene wa macho unaolengwa ( H H) unaweza kufikiwa na unene mdogo wa kimwili H, na kwa sababu mpasuko unaosababishwa na kukunjwa wa filamu yoyote kwa ujumla huunda kwa mwanzo wa chini wa strain na unene mkubwa wa kimwili . Safu yenye mafanikio ya faharisi ya juu katika mpango huu inapaswa kuwa na H kubwa iwezekanavyo. Zaidi ya hayo, inapaswa kuwa ya uwazi, na zaidi ya yote, haipaswi kuharibiwa na mchakato wa uhamishaji wa grafiti uliotolewa. Kati ya wagombea mbalimbali, safu ya TiO2 iliyopulizwa ni ya uwazi katika safu ya spectral ya kuona na ina faharisi ya juu ya refractive ( =2.5). Tofauti na tabaka zingine za faharisi ya juu tulizojaribu, safu ya TiO2 inageuka kuwa na uvumilivu wa kemikali unaostahimili michakato ya uhamishaji wa grafiti inayotumia vimumunyisho, kama vile asetoni au pombe ya isopropyl (IPA), ikiruhusu kuundwa kwa elektrodi ya grafiti ya ubora wa juu juu yake (<a href="https://www.nature.com/articles/ncomms11791#MOESM1492">Kielelezo cha Nyongeza 2</a>). n 17 20 21 22 λ λ λ λ R R n n d d 23 n n ( ) Muundo wa kifaa cha mfumo wa OLEDs zilizopendekezwa. ( ) Usambazaji wa kiwango cha nguvu ya sumakuumeme (mistari iliyokatwa) ya OLEDs zinazochunguzwa kwa muundo wao wa cavity wa kwanza. Usambazaji wa kiwango cha nguvu ya OLED ya grafiti bila TiO2 pia huonyeshwa kwa kulinganisha kwa kesi ambapo maadili ya unene wa tabaka za kikaboni ni sawa na yale ya OLEDs zenye TiO2 lakini bila HILs za faharisi ya chini. ( , ) Ufanisi wa juu zaidi wa quantum wa nje ( EQE) wa OLEDs za grafiti zenye safu ya chini ya TiO2 kama kazi ya unene wa TiO2 na kikaboni ( TiO2 na org, mtawalia). Mistari iliyokatwa huwakilisha mistari ya contour kwa EQE ya 10, 20, 30 au 40% kama inavyoonyeshwa kwenye grafu. ( ) Bila HIL ya faharisi ya chini; ( ) na GraHIL kama HIL ya faharisi ya chini. Chini ya kila kesi, mshikamano ( bot) kutoka kwa mkusanyiko wa elektrodi ya chini (TiO2/graphene/(HIL)) kwa ujumla huwasilishwa kama kazi ya TiO2 kwa mwanga unaoingia kutoka kwa tabaka za kikaboni. a b c d η d d η c d R d Ni muhimu kutambua kwamba muundo wa micro-cavity wa agizo la juu zaidi (kwa mfano, agizo la pili, cavity ya 5 /4) kulingana na mkusanyiko mnene wa kikaboni unaweza pia kuwa unawezekana. Katika kazi hii, hata hivyo, muundo wa cavity wa agizo la kwanza ulichaguliwa kwanza kwa sababu unasababisha athari kubwa ya Purcell na modi chache za wimbi kuliko muundo wa agizo la juu zaidi, hatimaye kusababisha ufanisi mkubwa wa utoaji na EQE , . Changamoto bado zinabaki kwa muundo wa cavity wa agizo la kwanza kwa sababu eneo bora la eneo la utoaji ni mdogo kwenye node ya kwanza kutoka kwa kiolesura cha kikaboni/chuma, na kufanya iwe vigumu kupunguza modi za SPP kupitia umbali mrefu zaidi wa mtoaji-kwa-chuma , . Njia mbadala inayotumiwa kwa kupunguza SPP ni kujumuisha miundo ya ndani ya bati au korugesheni , lakini uvumilivu wa saketi fupi za umeme mara nyingi unaweza kuathiriwa na njia hizo. Njia tunayochukua hapa ni kujumuisha safu yenye faharisi ya chini ya refractive, ambayo imeonyeshwa kupunguza kwa ufanisi modi za SPP , . Kwa bahati nzuri, GraHIL au safu ya kujisimamia ya gradient ya kuingiza mashimo inayojumuisha PEDOT:PSS na kopolima ya asidi ya tetra-fluoroethylene-perfluoro-3, 6-dioxa-4-methyl-7-octenesulfonic (PFI), ambayo hapo awali ilipendekezwa na waandishi na kuonyeshwa kuwa na ufanisi sana katika kuboresha uingizaji wa mashimo katika OLEDs za grafiti , ina faharisi ya refractive karibu 1.42 kwa ya 550 nm (<a href="https://www.nature.com/articles/ncomms11791#MOESM1492">Kielelezo cha Nyongeza 3</a>), ambayo ni ya chini sana kuliko ile ya tabaka za kawaida za kikaboni ( =1.8). Kwa mwingiliano wa pamoja wa tabaka za faharisi ya juu na ya chini zinazofunika tabaka za grafiti, uboreshaji wa athari ya resonance ya cavity na kupunguza modi za SPP kwa hivyo vinaweza kufanywa kwa wakati mmoja ili EQE inaweza kuimarishwa kwa kiasi kikubwa hata bila miundo ya utoaji wa mwanga. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ n huwasilisha matokeo ya simulizi ya macho kulingana na nadharia ya juu ya juu ya sumakuumeme ya classical iliyofupishwa na Furno et al. juu ya safu nzima ya spectral ya kuona, na kwa ya 550 nm. Fomati inazingatia kigezo cha Purcell, athari ya mwelekeo wa dipole, na msisimko kwa modi za SPP na waveguide. Pamoja kamili ya mambo haya yote inathibitika kuwa muhimu kwa uchambuzi sahihi na muundo wa kiasi kwani upungufu wa chini au zaidi unaweza kutokea wakati mtu anatumia njia iliyorahisishwa ambayo haizingatii athari moja au zaidi ya hizi (tazama <a href="https://www.nature.com/articles/ncomms11791#MOESM1492">Kielelezo cha Nyongeza 4</a>; <a href="https://www.nature.com/articles/ncomms11791#MOESM1492">Jedwali la Nyongeza 1</a> na <a href="https://www.nature.com/articles/ncomms11791#MOESM1492">Dokezo la Nyongeza 1</a> kwa mifano). Matokeo yanaonyesha kuwa matumizi ya GraHIL husambaza tena maudhui ya nguvu ya jamaa kati ya modi mbalimbali kuelekea kasi ndogo za wimbi la ndege ili nguvu iliyounganishwa na modi za SPP inapunguzwa na sehemu zilizotolewa nje huimarishwa zaidi (<a href="https://www.nature.com/articles/ncomms11791#MOESM1492">Kielelezo cha Nyongeza 5a</a>). Pia inaweza kuonekana katika <a href="https://www.nature.com/articles/ncomms11791#MOESM1492">Jedwali la Nyongeza 2</a> kwamba matumizi ya safu ya TiO2 chini ya grafiti hupunguza kwa ufanisi kiasi cha nguvu iliyounganishwa na modi za wimbi na substrate kupitia uboreshaji wa resonance. Hii inasababisha ongezeko kubwa la ufanisi wa utoaji, ingawa hasara kwa modi za nje pia huonyeshwa kuongezeka kutokana na mabadiliko ya modi za wimbi la transverse-umeme kuelekea kasi za juu zaidi za wimbi la ndege (<a href="https://www.nature.com/articles/ncomms11791#MOESM1492">Kielelezo cha Nyongeza 5b</a>). Matumizi ya pamoja ya tabaka za TiO2 zenye faharisi ya juu (H) na GraHIL zenye faharisi ya chini (L), husababisha hali bora ambapo uboreshaji wa resonance ni mkubwa, lakini hasara kwa modi za SPP/nje inapunguzwa. Zaidi ya hayo, matumizi ya pamoja huunda hali sawa na HL-stacks, zinazotumiwa kwa mipako ya filamu nyembamba nyingi , na hata huongeza zaidi bot (<a href="https://www.nature.com/articles/ncomms11791#Fig1">Kielelezo 1d</a>), kuruhusu uboreshaji wa ziada katika athari ya resonance ya Fabry–Perot. Kinachofanya teknolojia iliyopendekezwa kuwa ya kipekee na ya juu zaidi ikilinganishwa na teknolojia za kawaida ni ushirikiano wa pamoja wa tabaka hizi za faharisi ya juu na ya chini zinazowezesha usimamizi wa macho wa athari ya resonance na hasara ya SPP kwa faida ya utoaji wa juu zaidi; na uboreshaji wa ziada wa resonance kupitia upangaji wa HL. Pamoja na utangamano wao wa asili na sifa zinazohitajika za umeme (kwa mfano, uingizaji mzuri wa mashimo), faida hizi zote za macho huruhusu kufungua kikamilifu hata uwezo uliofichwa ambao OLEDs za planar zinaweza kutoa. Grafu za contour zilizopatikana kwa EQE ya juu zaidi inayopatikana kwa macho ( EQE (max)) kama kazi ya unene wa kikaboni ( org) na TiO2 ( TiO2) zilizowasilishwa katika <a href="https://www.nature.com/articles/ncomms11791#Fig1">Kielelezo 1c,d</a> zinaonyesha kuwa EQE (max) inaweza kufikia 44% katika vifaa vyenye tabaka zote za GraHIL na TiO2 huku ikizuiliwa kwa 38% bila GraHIL au 31% bila TiO2. Masharti bora yanalingana na hali ambapo H (na H ikiwa ni TiO2) inakaribia /(4 H) (55 nm kwa =550 nm). Pia inaweza kuzingatiwa kuwa EQE (max) ya 44% ni ya juu zaidi kuliko ile inayotarajiwa kwa OLEDs za cavity zenye msingi wa chuma nusu-nyembamba zilizoimarishwa na mtoaji sawa. Hii inaweza kuhusishwa na ukweli kwamba muundo uliopendekezwa hauathiriwi na hasara kutokana na upatikanaji wa photon na/au msisimko wa modi ya SPP ndani ya elektrodi za nusu-uwazi (tazama <a href="https://www.nature.com/articles/ncomms11791#MOESM1492">Kielelezo cha Nyongeza 6</a> na <a href="https://www.nature.com/articles/ncomms11791#MOESM1492">Jedwali la Nyongeza 3</a> kwa kulinganisha na zile za OLEDs za cavity zenye msingi wa chuma nusu-nyembamba). Kielelezo 2a,b 19 λ 30 R η d d η d λ n λ η ( , ) Makadirio ya vipindi vya uharibifu wa nguvu vilivyotiwa uzito na kipindi cha utoaji kwa vitengo vya kiholela (vilivyotengwa kama rangi iliyofafanuliwa katika baa za rangi.) dhidi ya kasi ya wimbi la ndege: ( ) na TiO2 lakini bila GraHIL; ( ) na TiO2 na GraHIL zote mbili. Mistari iliyokatwa nyeusi huashiria mistari ya mpaka inayotenganisha modi za macho zinazowakilisha ikiwa ni pamoja na modi zilizotolewa nje, zilizofungwa na substrate (subs), zilizoongozwa na wimbi (wg) na modi za nje. ( ) Makadirio ya uharibifu wa nguvu dhidi ya kasi ya wimbi la ndege iliyowekwa kawaida kwa =550 nm kwa miundo mbalimbali ya elektrodi inayochunguzwa. Kwa vifaa vyenye TiO2, TiO2 ilikuwa imewekwa kwa 55 nm na org ilichaguliwa kwa masharti bora katika kila kesi. Kwa vifaa bila TiO2, org iliwekwa kwa thamani sawa na ile ya kulinganifu katika vifaa vyenye TiO2. a b a b c λ d d d Utendaji wa kifaa wa OLEDs za grafiti zilizotengenezwa Kwa kuhamasishwa na matokeo ya simulizi yaliyoonyeshwa hapo juu, tulitengeneza OLEDs za kijani kibichi kulingana na vitoa risasi vya fosfori vya bis(2-(2-pyridinyl- )phenyl-C)(acetylacetonato) iridium (III) (Ir(ppy)2acac) katika usanidi wa glass/anode/(HIL)/OS1/LiF/Al na miundo tofauti ya anode/(HIL) ya TiO2/graphene/GraHIL; graphene/GraHIL; na ITO (185 nm)/GraHIL, ambapo OS1 inarejelea mkusanyiko wa safu nyingi za kikaboni uliofafanuliwa katika Mbinu. Matokeo ya majaribio yaliyowasilishwa katika <a href="https://www.nature.com/articles/ncomms11791#Fig3">Kielelezo 3</a> yanaonyesha kuwa EQE ya juu zaidi, ufanisi wa nguvu na ufanisi wa sasa uliopatikana kwa kifaa chenye msingi wa TiO2/graphene/GraHIL ni juu kama 40.8%, 160.3 lm W−1 na 168.4 cd A−1, mtawalia, wakati maadili hayo yanazuiwa kwa 31.7%, 112.6 lm W−1 na 119.0 cd A−1 kwa kifaa cha graphene/GraHIL, na 27.4%, 104.3 lm W−1 na 106.2 cd A−1 kwa kifaa cha ITO/GraHIL. EQE ya juu iliyoonekana katika kifaa cha TiO2/graphene/GraHIL kinathibitisha jukumu la pamoja la tabaka zote za TiO2 na GraHIL, na inalingana na matokeo ya simulizi. Kwa lenzi ya nusu-mpira iliyounganishwa na macho nyuma ya substrate, kifaa cha TiO2/graphene/GraHIL kinaonyesha EQE, ufanisi wa nguvu na ufanisi wa sasa kama 64.7%, 250.4 lm W−1 na 257.0 cd A−1, mtawalia, ik N