Mga Siyentipiko, Na-unlock ang Ultra-Efficient Flexible Screen Displays Gamit ang Graphene at Titanium Dioxide

Mga May-akda: 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 Abstrak Ang mga organic light-emitting diodes (OLEDs) na nakabatay sa graphene ay lumitaw kamakailan bilang isang pangunahing elemento na mahalaga sa mga susunod na henerasyong display at lighting, pangunahin dahil sa kanilang pangako para sa mga highly flexible light source. Gayunpaman, ang kanilang kahusayan ay, sa pinakamahusay, kapareho ng sa mga konbensyonal na katapat nito na nakabatay sa indium tin oxide. Dito, nagmumungkahi kami ng isang ideal na electrode structure batay sa isang sinerhetikong interaksyon ng mga high-index na TiO2 layer at low-index na hole-injection layer na bumabalot sa mga graphene electrode, na nagreresulta sa isang ideal na sitwasyon kung saan ang pagpapahusay ng cavity resonance ay napapalaki pa ang pagkawala sa surface plasmon polariton ay napapawi. Ang iminungkahing diskarte ay humahantong sa mga OLED na nagpapakita ng ultrahigh external quantum efficiency na 40.8 at 62.1% (64.7 at 103% na may half-ball lens) para sa single- at multi-junction device, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga OLED na ginawa sa mga plastic na may mga electrode na ito ay paulit-ulit na nababaluktot sa radius na 2.3 mm, bahagyang dahil sa mga TiO2 layer na nakakatiis sa flexural strain hanggang 4% sa pamamagitan ng crack-deflection toughening. Introduksyon Ang mga kalamangan sa form-factor tulad ng flexibility at stretchability ay nagbigay ng malaking atensyon sa mga organic light-emitting diodes (OLEDs) para sa paggamit sa mga umuusbong na device tulad ng wearable, roll-type, o foldable display na nangangailangan ng mobility, deformability, at/o expandability , . Gayunpaman, ang buong pagpapatupad ng ganitong potensyal ay hindi simple at nangangailangan ng malaking pagsisikap sa iba't ibang aspeto tulad ng pagbuo ng low-temperature thin-film transistor technologies at/o flexible encapsulation . Isa pang mahalagang aspeto na dapat isaalang-alang para sa mga highly flexible display ay ang paghahanap ng mga transparent electrode (TEs) na maaaring pumalit sa mga ITO electrode, na karaniwang nagdurusa sa limitadong flexibility at potensyal na mga isyu sa gastos na nauugnay sa mataas na demand at/o hindi matatag na supply . Sa diwa na ito, ilang uri ng flexible transparent electrodes tulad ng metal nanowires, carbon-based materials (halimbawa, carbon nanotubes o graphene), at metal grids na sinamahan ng iba pang uri ng TEs ay iminungkahi para sa mga OLED , , , , , . Kabilang sa mga ito, ang graphene—isang atomically thin sheet ng sp2-hybridized carbon atoms—ay itinuturing na promising dahil ang natatanging kombinasyon ng likas na manipis nito at superyor na electrical characteristics ay inaasahang magbibigay-daan para sa mga ideal na transparent electrode na may mababa o walang optical haze, makinis na surface topology na pumipigil sa electrical short na dulot ng roughness at degradation, mataas na transmittance, mababang sheet resistance, at mataas na antas ng flexibility lahat nang sabay-sabay , . Ang madaling paghahanda ng high-quality graphene sa large-scale plastic substrates ay kamakailan lamang na naipakita para sa mga transparent electrode na may mga pamamaraan na tugma sa mass-production ng mga industriya, na nagpapakita ng kanilang praktikal na kakayahang magamit , . Parehong single-layer graphene (SLG) at multi-layer graphene (MLG) ay ipinakita na may sapat na performance para sa TEs sa mga OLED , . Sa partikular, ang mahusay na graphene-based OLEDs ay nakamit sa tulong ng mga hole injection layers (HILs) na ginamit upang malampasan ang kanilang relatibong mababang work function, na kilala na nasa paligid ng 4.5 eV. Ang ganitong mga injection layer ay kinabibilangan ng mga conducting polymer na may gradient electronic properties na tinatawag na self-organized gradient HIL (GraHIL) , at manipis na MoO3 buffer layers na sinamahan ng mga conducting polymer ng poly(3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) . Gayunpaman, ang power efficiency at external quantum efficiency (EQE) ng mga state-of-the-art graphene-based OLED na ito ay nasa antas pa rin ng mga ITO-based OLED, maliban kung isang malaking hemispherical lens ang ginamit para sa pagpapahusay ng outcoupling . Ang pagkuha ng pinakamataas na posibleng kahusayan ay lalong mahalaga para sa mga flexible display na ginamit sa highly portable o wearable applications, dahil kadalasan ay kailangan nilang umasa sa mga baterya na may medyo limitadong kapasidad ng enerhiya dahil sa mga paghihigpit sa laki, timbang, o form factor. Ito ay nangangailangan ng pagbuo ng isang device architecture na maaaring mapalaki ang kahusayan ng graphene-based OLEDs. Ang isang pangunahing hamon ay ang pagbuo ng isang istraktura o pamamaraan upang ma-unlock ang kanilang buong optical potential ngunit mapanatili ang mga kalamangan ng graphene sa mga form factor hangga't maaari. 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 13 14 14 Sa layuning ito, sinasaliksik namin dito ang isang simpleng electrode architecture batay sa mga high-index na TiO2 layer at low-index na HILs na bumabalot sa mga graphene electrode. Sa optical design na kumukuha ng buong bentahe ng sinerhetikong kolaborasyon sa pagitan ng mga high- at low-index na layer na kumokontrol sa parehong cavity resonance enhancement at loss sa surface plasmon polariton (SPP), ang iminungkahing graphene-based OLEDs ay nagpapakita ng ultrahigh EQE na hindi pa nararanasan sa mga gumagamit ng graphene bilang isang transparent electrode. Higit pa rito, ang hindi karaniwang mataas na resistensya ng TiO2 sa flexural strain ay ipinapakita na nagbibigay-daan sa mga plastic OLED na hindi lamang mahusay kundi pati na rin highly flexible. Mga Resulta Optical Design ng High-Efficiency Graphene-Based OLEDs Ang kahusayan ng mga OLED ay sa huli ay nalilimitahan ng isang finite outcoupling efficiency na karaniwang nasa paligid lamang ng 20% sa pinakamahusay para sa mga device na may isotropic emitters. Sa iba't ibang mga scheme ng pagpapahusay ng outcoupling na iminungkahi sa ngayon , ang isang pamamaraan batay sa microcavity resonance ay may mga kalamangan sa pagpapanatili nito ng isang planar geometry nang hindi gumagamit ng anumang micro/nano structuring o lenticular structure upang ang mga OLED na ginawa mula dito ay hindi madaling kapitan ng mga electrical short at optical artefacts na hindi kanais-nais para sa display application (halimbawa, blurring, diffraction, at iba pa) ngunit maaari pa ring magpakita ng napakalinaw, saturated na pula (R), berde (G), asul (B) na mga pangunahing kulay na may pinahusay na kahusayan , . Sa isang mahina ngunit makabuluhang microcavity effect, ang mga ITO-based OLED ay maaari ding i-optimize para sa maximum na kahusayan, nang hindi nagkakaroon ng anumang optical haze o blurring, sa pamamagitan lamang ng pagsasaayos ng kapal ng mga ITO layer; sa scheme na ito, ang first-order, 3 /4 cavity design, kung saan ang ay tumutukoy sa wavelength, ay nakakamit sa open end ng cavity mode na matatagpuan sa ITO/substrate interface , . Sa kaso ng ITO-free, graphene-based OLEDs, gayunpaman, ang mga graphene electrode ay hindi maaaring gawing sapat ang kapal upang kontrolin ang haba ng cavity, na ginagawang mahirap na pahusayin ang kahusayan sa pamamagitan ng resonance effect . 15 16 17 λ λ 18 19 20 Bilang alternatibong hakbang, maaaring maglagay ng isang manipis na layer na may mataas na refractive index ( H) sa ilalim ng mga graphene layer tulad ng ipinakita sa sa paraang katulad ng mga dielectric capped thin-metal electrode , , , . Dahil ang liwanag ay maaaring dumaan sa graphene na may kaunting phase difference dahil sa likas na manipis ng isang graphene electrode, ang 3 /4 cavity design ay maaaring madaling makamit, halimbawa, sa optical thickness ng organic plus injection layers at ang high refractive index layer na humigit-kumulang 2 /4 at /4, ayon sa pagkakabanggit ( ). Sa partikular, ang ‘ /4-thick’ high-index layer ay nagsisilbi rin bilang isang metal-free, dielectric mirror na nagbibigay-daan sa makabuluhang reflectance mula sa bottom electrode assembly ( bot) para sa liwanag na dumarating mula sa organic layers, tulad ng makukumpirma sa mga graph na ipinakita sa ibaba ng . Ito ay nagbibigay ng mga pagkakataon sa graphene-based OLEDs upang mapahusay ang kanilang kahusayan sa pamamagitan ng resonance effect, na hindi magiging posible kung hindi man. Ipinapakita na ang bot at ang kasunod na resonance enhancement ay tumataas sa H ( ). Ang mataas na refractive index ay kapaki-pakinabang din sa mga tuntunin ng flexibility dahil ang target na optical thickness ( H H) ay maaaring makamit sa mababang pisikal na kapal H, at dahil ang bending-induced crack ng isang partikular na pelikula ay karaniwang nabubuo sa mas mababang onset strain na may mas malaking pisikal na kapal . Ang isang matagumpay na high-index layer sa scheme na ito ay dapat samakatuwid ay magkaroon ng pinakamalaking posibleng H. Higit pa rito, ito ay dapat na transparent, at, higit sa lahat, ay hindi dapat masira ng isang partikular na graphene transfer process. Sa iba't ibang mga kandidato, ang isang sputtered TiO2 layer ay transparent sa visible spectral range at may relatibong mataas na refractive index ( =2.5). Hindi tulad ng iba pang high-index layer na sinubukan namin, ang TiO2 layer ay lumalabas na may chemical endurance na matatag laban sa mga graphene transfer process na gumagamit ng solvent, tulad ng acetone o isopropyl alcohol (IPA), na nagpapahintulot sa pagbuo ng isang high-quality graphene electrode sa ibabaw nito ( ). n Fig. 1a 17 20 21 22 λ λ λ Fig. 1b λ R Fig. 1c,d R n Supplementary Fig. 1 n d d 23 n n Supplementary Fig. 2 ( ) Schematic device structure ng mga iminungkahing OLED. ( ) Electromagnetic field intensity distribution (dashed lines) ng mga OLED na pinag-aaralan para sa kani-kanilang first-order cavity design. Ang field-intensity distribution ng graphene-based OLED na walang TiO2 ay ipinapakita rin para sa paghahambing para sa kaso kung saan ang mga halaga ng kapal ng mga organic layer ay kapareho ng sa mga OLED na may TiO2 ngunit walang low-index HILs. ( , ) Kinakalkulang maximum external quantum efficiency ( EQE) ng graphene-based OLEDs na may TiO2 under-layer bilang function ng TiO2 at organic layer thickness ( TiO2 at org, ayon sa pagkakabanggit). Ang mga dashed line ay kumakatawan sa mga contour line para sa EQE na 10, 20, 30, o 40% tulad ng ipinahiwatig sa graph. ( ) Walang low-index HIL; ( ) may GraHIL bilang low-index HIL. Sa ibaba ng bawat kaso, ang reflectance ( bot) mula sa bottom electrode assembly (TiO2/graphene/(HIL)) bilang kabuuan ay ipinakita bilang function ng TiO2 para sa liwanag na dumarating mula sa mga organic layer. a b c d η d d η c d R d Kapansin-pansin na ang mas mataas na order ng micro-cavity structure (halimbawa, second order, 5 /4 cavity) batay sa isang makapal na organic stack ay maaari ding maging posible. Sa gawaing ito, gayunpaman, ang first-order cavity design ay unang pinili dahil nagreresulta ito sa mas malakas na Purcell effect at mas kaunting waveguide modes kaysa sa higher-order design, na humahantong sa mas malaking outcoupling efficiency at EQE , . Mayroon pa ring mga hamon para sa first-order cavity design dahil ang ideal na lokasyon ng isang emission zone ay limitado sa unang antinode mula sa organic/metal interface, na ginagawang mahirap na bawasan ang SPP modes sa pamamagitan ng mas mahabang emitter-to-metal distance , . Ang isang alternatibong pamamaraan na karaniwang ginagamit para sa SPP reduction ay ang pagsasama ng mga internal wavy structure o corrugations , ngunit ang tolerance sa mga electrical short ay madalas na nakokompromiso ng mga ganitong diskarte. Ang pamamaraan na ginagamit namin dito ay ang pagsasama ng isang layer na may mababang refractive index, na ipinakitang epektibong nakakabawas ng SPP modes , . Sa kabutihang palad, ang GraHIL o isang self-organized gradient hole-injection layer na binubuo ng PEDOT:PSS at tetra-fluoroethylene-perfluoro-3, 6-dioxa-4-methyl-7-octenesulphonic acid copolymer (PFI), na dati nang iminungkahi ng mga may-akda at ipinakitang napakaepektibo sa pagpapabuti ng hole injection sa graphene-based OLEDs , ay may refractive index na humigit-kumulang 1.42 sa na 550 nm ( ), na mas mababa kaysa sa mga tipikal na organic layers ( =1.8). Sa sinerhetikong interaksyon ng mga high- at low-index na layer na bumabalot sa mga graphene layer, ang pagpapahusay ng cavity-resonant effect at pagbabawas ng SPP modes ay maaaring gawin nang sabay-sabay upang ang EQE ay makabuluhang mapalakas kahit na walang outcoupling structures. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ Supplementary Fig. 3 n ay nagpapakita ng mga resulta ng optical simulation batay sa advanced classical electromagnetic theory na buod ni Furno . sa buong visible spectral range, at sa na 550 nm. Isinasaalang-alang ng pormulasyon ang Purcell factor, dipole orientation effect, at excitations sa SPP at waveguide modes. Ang komprehensibong pagsasama ng lahat ng mga salik na ito ay napatunayang kritikal para sa tumpak na pagsusuri at quantitative design dahil maaaring mangyari ang under- o overestimation kapag gumagamit ng pinasimpleng diskarte na hindi isinasaalang-alang ang isa o higit pa sa mga epektong iyon (tingnan ang ; at para sa mga halimbawa). Ang mga resulta ay nagpapahiwatig na ang paggamit ng GraHIL ay nagre-redistribute ng mga relatibong power contents sa iba't ibang mga mode patungo sa mas maliit na in-plane wave vectors upang ang power na na-couple sa SPP modes ay mabawasan at ang mga outcoupled portions ay mas lalong mapahusay ( ). Makikita rin sa na ang paggamit ng TiO2 layer sa ilalim ng graphene ay epektibong sumusupil sa dami ng power na na-couple sa waveguided at substrate modes sa pamamagitan ng resonance enhancement. Ito ay humahantong sa makabuluhang pagtaas sa outcoupling efficiency, bagaman ang pagkawala sa evanescent modes ay ipinapakita rin na tumataas dahil sa paglipat ng transverse-electric waveguided modes patungo sa mas mataas na normalized in-plane wave vectors ( ). Ang pinagsamang paggamit ng high-index (H) TiO2 at low-index (L) GraHIL layers, ay nagreresulta sa isang ideal na sitwasyon kung saan ang resonance enhancement ay malaki, ngunit ang pagkawala sa SPP/evanescent modes ay napapawi. Bukod pa rito, ang pinagsamang paggamit ay lumilikha ng isang sitwasyon na katulad ng HL-stacks, na karaniwang ginagamit para sa multilayer thin-film coating , at mas lalong pinapahusay ang bot ( ), na nagpapahintulot sa karagdagang pagpapahusay sa Fabry–Perot resonance effect. Ang nagpapagawa ng natatangi at advanced na iminungkahing teknolohiya kumpara sa mga konbensyonal na teknolohiya ay talagang ang sinerhetikong kolaborasyon ng mga high- at low-index na layer na ito na nagpapagana ng optical management ng parehong resonance effect at SPP loss sa kalamangan ng maximal outcoupling; at karagdagang resonance enhancement sa pamamagitan ng HL stacking. Kasama ng kanilang likas na compatibility sa mga nais na electrical properties (halimbawa, mahusay na hole injection), lahat ng mga optical na benepisyong ito ay nagpapahintulot sa isa na ganap na ma-unlock kahit na ang nakatagong potensyal ng kung ano ang maaaring tunay na ialok ng mga planar OLED. Ang mga contour plot na nakuha para sa optically available maximum EQE ( EQE (max)) bilang function ng organic ( org) at TiO2 thickness ( TiO2) na ipinakita sa ay nagpapakita na ang EQE (max) ay maaaring kasing taas ng 44% sa mga device na may parehong GraHIL at TiO2 layer habang ito ay malilimitahan sa 38% nang walang GraHIL o sa 31% nang walang TiO2. Ang mga optimal na kondisyon ay tumutugma sa isang sitwasyon kung saan ang H (na may H na TiO2) ay lumalapit sa /(4 H) (55 nm para sa =550 nm). Maaari rin itong mapansin na ang EQE (max) na 44% ay mas mataas kaysa sa inaasahan para sa mga optimized, konbensyonal na thin-metal based cavity OLED na may parehong emitter. Ito ay maaaring maiugnay sa katotohanan na ang iminungkahing arkitektura ay hindi gaanong madaling kapitan ng pagkawala dahil sa photon absorption at/o SPP mode excitation sa loob ng semi-transparent electrodes (tingnan ang at para sa paghahambing sa mga konbensyonal na thin-metal based cavity OLED). Figure 2a,b et al 19 λ Supplementary Fig. 4 Supplementary Table 1 Supplementary Note 1 Supplementary Fig. 5a Supplementary Table 2 Supplementary Fig. 5b 30 R Fig. 1d η d d Fig. 1c,d η d λ n λ η Supplementary Fig. 6 Supplementary Table 3 ( , ) Kinakalkulang power dissipation spectra na may bigat ng emitter spectrum sa arbitrary units (minap bilang kulay na tinukoy sa mga color bar.) kumpara sa in-plane wave vector: ( ) may TiO2 ngunit walang GraHIL; ( ) may parehong TiO2 at GraHIL. Ang mga itim na dashed line ay nagpapahiwatig ng mga border line na naghihiwalay sa mga representatibong optical mode kabilang ang outcoupled, substrate-confined (subs), waveguided (wg), at evanescent modes. ( ) Kinakalkulang power dissipation kumpara sa normalized in-plane wave vector sa =550 nm para sa iba't ibang electrode structures na pinag-aaralan. Para sa mga device na may TiO2, TiO2 ay nakatakda sa 55 nm at org ay pinili para sa optimal na kondisyon sa bawat kaso. Para sa mga device na walang TiO2, org ay itinakda sa parehong halaga tulad ng kani-kanilang katapat sa mga device na may TiO2. a b a b c λ d d d Device Performance ng Fabricated Graphene-Based OLEDs Dahil sa mga resulta ng simulation na ipinakita sa itaas, gumawa kami ng mga green OLED na batay sa phosphorescent emitters ng bis(2-(2-pyridinyl- )phenyl-C)(acetylacetonato) iridium (III) (Ir(ppy)2acac) sa configuration ng glass/anode/(HIL)/OS1/LiF/Al na may iba't ibang anode/(HIL) structures ng TiO2/graphene/GraHIL; graphene/GraHIL; at ITO (185 nm)/GraHIL, kung saan ang OS1 ay tumutukoy sa isang organic multilayer stack na tinukoy sa Methods. Ang mga resulta ng eksperimento na ipinakita sa ay nagpapakita na ang maximum EQE, power efficiency, at current efficiency na nakuha para sa TiO2/graphene/GraHIL-based device ay kasing taas ng 40.8%, 160.3 lm W−1 at 168.4 cd A−1, ayon sa pagkakabanggit, habang ang mga halagang iyon ay limitado sa 31.7%, 112.6 lm W−1 at 119.0 cd A−1 para sa graphene/GraHIL-based device, at 27.4%, 104.3 lm W−1 at 106.2 cd A−1 para sa ITO/GraHIL-based device. Ang naobserbahang mataas na EQE sa TiO2/graphene/GraHIL-based device ay nagpapatunay sa sinerhetikong papel ng parehong TiO2 at GraHIL layers, at naaayon sa mga resulta ng simulation. Gamit ang isang half-ball lens na optically coupled sa likod ng isang substrate, ang TiO2/graphene/GraHIL-based device ay nagpapakita ng EQE, power efficiency, at current efficiency na kasing taas ng 64.7%, 250.4 lm W−1 at 257.0 cd A−1, ayon sa pagkakabanggit, na lalong naglalarawan ng promising potential ng iminungkahing graphene-based OLEDs. Pagkatapos ay pinalawak namin ang iminungkahing scheme sa isang tandem, multi-junction OLED, kung saan ang net EQE ay napabuti (sa kapinsalaan ng boltahe) dahil ito ay sa huli ay ibinigay bilang kabuuan ng mga indibidwal na OLED nito ; ang diskarte na ito ay popular dahil ang pinabuting EQE ay karaniwang humahantong sa mas mahabang operating lifespan . Ang mga TiO2/graphene/GraHIL-based multi-junction OLED na naglalaman ng charge-generation layer (CGL) ng 2, 9-dimethyl-4, 7-diphenyl-1, 10-phenanthroline (BCP):Li/MoO3 ay nagpapakita ng EQE at power efficiency na kasing taas ng 62.1% at 120.8 lm W−1 (103.2% at 183.5 lm W−1 na may half-ball lens), na nagpapakita ng state-of-the-art performance at versatile applicability ng iminungkahing electrode structure. Ang simulation ay nagpapahiwatig na ang naobserbahang halaga ay tumutugma sa kabuuan ng mga halaga ng EQE ng mga katumbas na second-order cavity structures (isa na may emission zone malapit sa second antinode mula sa cathode; at isa pa na may emission zone malapit sa first antinode mula sa cathode N Fig. 3 31 32