Mga Siyentipiko, Natuklasan 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 diode (OLED) na nakabatay sa graphene ay lumitaw kamakailan bilang isang pangunahing elemento na mahalaga sa susunod na henerasyong mga display at ilaw, pangunahin dahil sa kanilang pangako para sa mataas na nababaluktot na mga pinagmumulan ng liwanag. Gayunpaman, ang kanilang kahusayan ay, sa pinakamahusay, katulad ng sa mga kumbensyonal na katumbas na batay sa indium tin oxide. Dito, nagmumungkahi kami ng isang perpektong istraktura ng elektrod batay sa isang synergistic na interplay ng mga TiO2 layer na may mataas na index at mga hole-injection layer na may mababang index na naglalagay ng mga graphene electrode, na nagreresulta sa isang perpektong sitwasyon kung saan ang pagpapahusay ng resonance ng lukab ay maximized ngunit ang pagkawala sa surface plasmon polariton ay nabawasan. 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 kalahating bola na lente) para sa solong- at multi-junction na mga device, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga OLED na ginawa sa mga plastik na may mga elektrod na iyon ay paulit-ulit na nababaluktot sa radius na 2.3 mm, bahagyang dahil sa mga TiO2 layer na nakatiis sa flexural strain hanggang 4% sa pamamagitan ng crack-deflection toughening. Introduksyon Ang mga kalamangan sa form-factor tulad ng pagiging nababaluktot at pagiging nababanat ay nagdala ng malaking atensyon sa mga organic light-emitting diode (OLED) para sa paggamit sa mga umuusbong na device tulad ng mga naisusuot, roll-type, o natitiklop na display na nangangailangan ng kadaliang kumilos, kakayahang magbago ng hugis, at/o kakayahang lumawak , . Gayunpaman, ang ganap na pagsasakatuparan ng ganoong potensyal ay hindi simple at nangangailangan ng malaking pagsisikap sa iba't ibang aspeto tulad ng pagbuo ng mga low-temperature thin-film transistor technology at/o flexible encapsulation . Isa pang mahalagang aspeto na isasaalang-alang para sa mataas na nababaluktot na mga display ay ang paghahanap ng mga transparent electrode (TE) na maaaring pumalit sa mga indium tin oxide (ITO) electrode, na karaniwang nagdurusa sa limitadong pagiging nababaluktot at potensyal na mga isyu sa gastos na nauugnay sa mataas na demand at/o hindi matatag na suplay . Sa usaping ito, ilang uri ng flexible transparent electrodes tulad ng metal nanowires, carbon-based materials (halimbawa, carbon nanotubes o graphene) at metal grids na kasama ng iba pang uri ng TE ang iminungkahi para sa mga OLED , , , , , . Sa mga ito, ang graphene—isang atomically thin sheet ng sp2-hybridized carbon atoms—ay itinuturing na promising dahil ang natatanging kumbinasyon ng likas na manipis nito at superyor na electrical characteristics ay inaasahang magbibigay-daan para sa mga perpektong transparent electrode na may mababa o walang optical haze, makinis na surface topology na pumipigil sa electrical short at degradation na dulot ng roughness, mataas na transmittance, mababang sheet resistance, at mataas na antas ng flexibility nang sabay-sabay , . Ang madaling paghahanda ng high-quality graphene sa malalaking plastic substrate ay kamakailan na ipinakita para sa mga transparent electrode na may mga pamamaraan na tugma sa mass-production ng mga industriya, na nagpapakita ng kanilang praktikal na posibilidad , . Parehong single-layer graphene (SLG) at multi-layer graphene (MLG) ay ipinakita na may sapat na performance para sa mga TE sa mga OLED , . Sa partikular, ang mahusay na mga graphene-based OLED ay nakamit sa tulong ng mga hole injection layer (HILs) na ginamit upang malampasan ang kanilang medyo mababang work function, na kilala na nasa paligid ng 4.5 eV. Ang mga ganitong 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 kasama 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 na graphene-based OLED na ito ay nananatiling katumbas ng mga ITO-based OLED, maliban kung isang malaki na hemispherical lens ang ginamit para sa pagpapahusay ng outcoupling . Ang pagkuha ng pinakamataas na posibleng kahusayan ay partikular na mahalaga para sa mga flexible display na ginagamit sa mga napaka-portable o naisusuot na aplikasyon, dahil madalas silang umaasa sa mga baterya na may medyo limitadong kapasidad ng enerhiya dahil sa mga paghihigpit sa laki, bigat, o form factor. Ito ay nangangailangan ng pagbuo ng isang device architecture na maaaring i-maximize ang kahusayan ng mga graphene-based OLED. Ang isang pangunahing hamon ay ang pagbuo ng isang istraktura o pamamaraan upang ma-unlock ang kanilang buong optical potential ngunit mapanatili ang mga merito 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 Para sa layuning ito, tinutuklas namin dito ang isang simpleng elektrodong arkitektura na batay sa TiO2 layer na may mataas na index at HIL na may mababang index na naglalagay ng mga graphene electrode. Sa optical design na lubos na sinasamantala ang synergistic na pagtutulungan sa pagitan ng mga high- at low-index layer na kumokontrol sa parehong cavity resonance enhancement at pagkawala sa surface plasmon polariton (SPP), ang iminungkahing graphene-based OLED ay nagpapakita ng ultrahigh EQE na hindi pa nagagawang mga sa mga gumagamit ng graphene bilang isang transparent electrode. Higit pa rito, ang hindi karaniwang mataas na paglaban ng TiO2 sa flexural strain ay natuklasan na nagbibigay-daan sa mga plastic OLED na hindi lamang mahusay kundi napaka-flexible din. Mga Resulta Optical design ng mga high-efficiency graphene-based OLED Ang kahusayan ng mga OLED ay nalilimitahan sa huli ng isang may hangganan na outcoupling efficiency na karaniwang nasa paligid ng 20% sa pinakamahusay para sa mga device na may isotropic emitters. Sa iba't ibang mga paraan ng pagpapahusay ng outcoupling na iminungkahi hanggang ngayon , ang isang paraan na batay sa microcavity resonance ay may mga kalamangan dahil pinapanatili nito ang isang planar geometry nang hindi gumagamit ng anumang micro/nano structuring o lenticular structure upang ang mga OLED na ginawa nito ay hindi napapailalim sa mga electrical short at optical artefacts na hindi kanais-nais para sa display application (halimbawa, paglabo, diffraction, atbp.) ngunit maaari pa ring magpakita ng napaka-pure, saturated na pula (R), berde (G), asul (B) na mga pangunahing kulay na may pinahusay na kahusayan , . Sa mahina ngunit makabuluhang microcavity effect, ang mga ITO-based OLED ay maaari ding i-optimize para sa maximum na kahusayan, nang hindi nagdudulot ng anumang optical haze o paglabo, sa pamamagitan lamang ng pagsasaayos ng kapal ng ITO layer; sa pamamaraang ito, ang first-order, 3 /4 cavity design, kung saan ang ay tumutukoy sa wavelength, ay nakamit sa open end ng cavity mode na nakalagay sa ITO/substrate interface , . Sa kaso ng ITO-free, graphene-based OLED, gayunpaman, ang mga graphene electrode ay hindi maaaring gawing sapat na makapal upang kontrolin ang haba ng lukab, na ginagawang mahirap ang pagpapahusay ng kahusayan sa pamamagitan ng resonance effect . 15 16 17 λ λ 18 19 20 Bilang isang alternatibong hakbang, maaaring maglagay ng isang manipis na layer na may mataas na refractive index ( H) sa ilalim ng mga graphene layer tulad ng ipinapakita sa sa paraang katulad ng sa dielectric capped thin-metal electrodes , , , . Dahil ang liwanag ay maaaring dumaan sa graphene na may maliit na pagkakaiba sa yugto dahil sa likas na manipis ng isang graphene electrode, ang 3 /4 cavity design ay maaaring makamit nang maginhawa, halimbawa, sa optical thickness ng organic kasama ang mga injection layer at ang high refractive index layer na nakatakda sa 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 mga organic layer, gaya ng makukumpirma sa mga graph na ipinapakita sa ibaba ng . Nagbibigay ito ng mga pagkakataon para sa mga graphene-based OLED na mapahusay ang kanilang kahusayan sa pamamagitan ng resonance effect, na hindi magiging posible kung hindi man. Ipinapakita na ang bot at ang kasamang resonance enhancement ay tumataas kasama ang H ( ). Ang mataas na refractive index ay kapaki-pakinabang din sa mga tuntunin ng pagiging nababaluktot dahil ang target optical thickness ( H H) ay maaaring makamit na may mababang pisikal na kapal H, at dahil ang crack na dulot ng pagbaluktot ng isang ibinigay 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 pamamaraang ito ay dapat na may pinakamataas na posibleng H hangga't maaari. Higit pa rito, dapat itong transparent, at higit sa lahat, hindi dapat masira ng isang ibinigay na proseso ng graphene transfer. Kabilang sa iba't ibang mga kandidato, ang isang sputtered TiO2 layer ay transparent sa isang visible spectral range at may medyo mataas na refractive index ( =2.5). Hindi tulad ng iba pang mga high-index layer na sinubukan namin, ang TiO2 layer ay napatunayang may chemical endurance na matatag laban sa mga proseso ng graphene transfer na gumagamit ng solvent, tulad ng acetone o isopropyl alcohol (IPA), na nagbibigay-daan 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 iminungkahing mga OLED. ( ) Electromagnetic field intensity distribution (dotted lines) ng mga OLED na pinag-aaralan para sa kanilang 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 kapal ng organic layer ay pareho sa mga OLED na may TiO2 ngunit walang low-index HIL. ( , ) Kalkuladong maximum external quantum efficiency ( EQE) ng mga graphene-based OLED na may TiO2 under-layer bilang function ng TiO2 at kapal ng organic layer ( TiO2 at org, ayon sa pagkakabanggit). Ang mga dotted line ay kumakatawan sa mga contour line para sa EQE na 10, 20, 30 o 40% gaya ng ipinahiwatig sa graph. ( ) Walang low-index HIL; ( ) may GraHIL bilang isang low-index HIL. Sa ibaba ng bawat kaso, ang reflectance ( bot) mula sa bottom electrode assembly (TiO2/graphene/(HIL)) bilang kabuuan ay ipinapakita 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 isang mas mataas na order na micro-cavity structure (halimbawa, pangalawang order, 5 /4 cavity) na batay sa isang makapal na organic stack ay maaari ding posible. Sa gawaing ito, gayunpaman, ang isang first-order cavity design ang unang pinili dahil nagreresulta ito sa mas malakas na Purcell effect at mas kaunting waveguide modes kaysa sa mas mataas na order na disenyo, 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 paraan na karaniwang ginagamit para sa SPP reduction ay ang pagsasama ng internal wavy structures o corrugations , ngunit ang tolerance sa electrical shorts ay madalas na maaaring makompromiso ng mga ganitong pamamaraan. Ang paraan na ginagamit namin dito ay ang pagsasama ng isang layer na may mababang refractive index, na ipinakitang epektibong binabawasan ang 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 mga graphene-based OLED , ay may refractive index na humigit-kumulang 1.42 sa na 550 nm ( ), na mas mababa kaysa sa mga tipikal na organic layer ( =1.8). Sa synergistic na interplay ng high- at low-index layer na naglalagay ng mga graphene layer, ang pagpapahusay ng cavity-resonant effect at pagbabawas ng SPP modes ay maaaring gawin nang sabay-sabay upang ang EQE ay mapalakas nang malaki kahit na walang mga outcoupling structure. 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 inayos ni Furno . sa buong visible spectral range, at sa na 550 nm. Ang pormulasyon ay isinasaalang-alang ang Purcell factor, dipole orientation effect, at mga excitation 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 na disenyo dahil ang under- o overestimation ay maaaring mangyari 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 pagitan ng iba't ibang mga mode patungo sa mas maliit na in-plane wave vectors upang ang power na naka-couple sa SPP modes ay mabawasan at ang mga na-outcouple na bahagi ay higit na mapahusay ( ). Makikita rin sa na ang paggamit ng TiO2 layer sa ilalim ng graphene ay epektibong pinipigilan ang dami ng power na naka-couple sa waveguided at substrate modes sa pamamagitan ng resonance enhancement. Ito ay humahantong sa isang makabuluhang pagtaas sa outcoupling efficiency, bagaman ang pagkawala sa evanescent modes ay ipinapakita ring 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 layer, ay nagreresulta sa isang perpektong sitwasyon kung saan ang resonance enhancement ay malaki, ngunit ang pagkawala sa SPP/evanescent modes ay nababawasan. Bilang karagdagan, ang pinagsamang paggamit ay lumilikha ng isang sitwasyon na katulad ng HL-stacks, na karaniwang ginagamit para sa multilayer thin-film coating , at higit pang nagpapahusay sa bot ( ), na nagbibigay-daan para sa karagdagang pagpapahusay sa Fabry–Perot resonance effect. Ang nagpapagawa sa iminungkahing teknolohiya na kakaiba at advanced kaugnay sa mga kumbensyonal na teknolohiya ay talagang ang synergistic na pagtutulungan ng mga high- at low-index layer na ito na nagbibigay-daan sa 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 pagiging tugma sa mga ninanais na electrical properties (halimbawa, mahusay na hole injection), lahat ng mga optical na benepisyo na ito ay nagbibigay-daan sa isang tao na ganap na ma-unlock kahit ang nakatagong potensyal ng kung ano ang tunay na maiaalok 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 limitado sa 38% na walang GraHIL o sa 31% na walang TiO2. Ang mga optimal na kondisyon ay tumutugma sa isang sitwasyon kung saan ang H (na may H ay TiO2) ay lumalapit sa /(4 H) (55 nm para sa =550 nm). Maaari ding mapansin na ang EQE (max) na 44% ay mas mataas kaysa sa inaasahan para sa optimized, conventional thin-metal based cavity OLEDs na may parehong emitter. Ito ay maaaring iugnay sa katotohanan na ang iminungkahing arkitektura ay hindi gaanong napapailalim sa pagkawala dahil sa photon absorption at/o SPP mode excitation sa loob ng semi-transparent electrodes (tingnan ang at para sa paghahambing sa mga conventional thin-metal based cavity OLEDs). 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 ( , ) Kalkuladong power dissipation spectra na binigyan ng timbang ng emitter spectrum sa arbitrary units (nakamapa 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 dotted line ay nagpapahiwatig ng mga border line na naghihiwalay ng mga representatibong optical mode kabilang ang outcoupled, substrate-confined (subs), waveguided (wg), at evanescent modes. ( ) Kalkuladong 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 mga kondisyon sa bawat kaso. Para sa mga device na walang TiO2, org ay itinataas sa parehong halaga tulad ng sa bawat katumbas sa mga device na may TiO2. a b a b c λ d d d Device performance ng mga ginawang graphene-based OLED Hinihikayat ng 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) structure 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 synergistic na papel ng parehong TiO2 at GraHIL layer, at naaayon sa mga resulta ng simulation. Gamit ang isang kalahating bola na lente na optically na nakakabit 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, higit pang nagpapakita ng promising potential ng iminungkahing graphene-based OLED. Pagkatapos ay pinalawak pa namin ang iminungkahing scheme sa isang tandem, multi-junction OLED, kung saan ang net EQE ay pinabuti (sa gastos ng boltahe) dahil ito ay sa huli ay ibinibigay bilang kabuuan ng mga indibidwal na OLED nito ; ang pamamaraang ito ay popular dahil ang pinabuting EQE ay karaniwang humahantong sa mas mahabang operasyon na lifespan . Ang mga TiO2/graphene/GraHIL-based multi-junction OLED na naglalaman ng isang 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% N Fig. 3 31 32