Naka-unlock ang mga siyentipiko ng napakahusay na nababaluktot na screen display 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 Abstrakto Ang mga organic light-emitting diode (OLED) na nakabatay sa graphene ay lumitaw kamakailan bilang isang pangunahing elemento na kailangan sa mga susunod na henerasyong display at lighting, pangunahin dahil sa kanilang pangako para sa napaka-flexible na mga pinagmumulan ng liwanag. Gayunpaman, ang kanilang kahusayan ay, sa pinakamahusay, kapareho ng mga tradisyonal na katapat na batay sa indium tin oxide. Dito, nagmumungkahi kami ng isang perpektong istraktura ng elektrod batay sa isang synergistic na interaksyon ng mga layer ng TiO2 na may mataas na index at mga layer ng hole-injection na may mababang index na nagpapalagay sa mga elektrod ng graphene, na nagreresulta sa isang perpektong sitwasyon kung saan ang pagpapahusay sa pamamagitan ng resonance ng lukab ay napalaki pa habang ang pagkawala sa surface plasmon polariton ay nabawasan. Ang iminungkahing diskarte ay humahantong sa mga OLED na nagpapakita ng napakataas na panlabas na kahusayan ng quantum na 40.8 at 62.1% (64.7 at 103% na may half-ball lens) para sa mga single- at multi-junction na device, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga OLED na ginawa sa mga plastik na may mga elektrod na ito ay paulit-ulit na nababaluktot sa radius na 2.3 mm, bahagyang dahil sa mga layer ng TiO2 na nakayanan ang flexural strain hanggang 4% sa pamamagitan ng crack-deflection toughening. Introduksyon Ang mga kalamangan sa porma tulad ng flexibility at stretchability ay nagbigay ng malaking atensyon sa mga organic light-emitting diode (OLED) para sa paggamit sa mga umuusbong na device tulad ng mga wearable, roll-type, o foldable display na nangangailangan ng mobility, deformability, at/o expandability , . Gayunpaman, ang ganap na pagsasakatuparan ng gayong potensyal ay hindi simple at nangangailangan ng malaking pagsisikap sa iba't ibang aspeto tulad ng pagbuo ng mga low-temperature thin-film transistor technologies at/o flexible encapsulation . Isa pang mahalagang aspeto na dapat isaalang-alang para sa napaka-flexible 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 flexibility at potensyal na isyu sa gastos na nauugnay sa mataas na demand at/o hindi matatag na suplay . Sa bagay na ito, ilang uri ng flexible transparent electrodes tulad ng metal nanowires, carbon-based materials (halimbawa, carbon nanotubes o graphene) at metal grids na ipinares sa iba pang uri ng TE ay iminungkahi para sa mga OLED , , , , , . Sa mga ito, ang graphene—isang atomicly thin sheet ng sp2-hybridized carbon atoms—ay itinuturing na promising dahil ang natatanging kumbinasyon ng likas na katapatan at superior electrical characteristics nito ay inaasahang magpapahintulot para sa mga ideal na 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 mataas na kalidad na graphene sa malalaking plastic substrates ay kamakailan lamang ipinakita para sa mga transparent electrode na may mga pamamaraang tugma sa mass-production ng mga industriyal na sektor, na nagpapakita ng kanilang praktikal na posibilidad , . Ang single-layer graphene (SLG) at multi-layer graphene (MLG) ay parehong ipinakita na may sapat na pagganap para sa mga TE sa mga OLED , . Sa partikular, ang mahusay na graphene-based OLEDs ay nakamit sa tulong ng mga hole injection layer (HILs) na ginamit upang malampasan ang kanilang medyo mababang work function, na kilalang nasa humigit-kumulang 4.5 eV. Ang gayong 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 ipinares sa 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 OLEDs na ito ay nasa antas pa rin ng mga ITO-based OLEDs, maliban kung gagamit ng malaking hemispherical lens 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 highly portable o wearable application, dahil madalas silang umaasa sa mga baterya na may medyo limitadong kapasidad ng enerhiya dahil sa mga limitasyon sa laki, timbang, o form factor. Ito ay nangangailangan ng pagbuo ng isang device architecture na maaaring magpalaki ng 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 habang pinapanatili ang mga bentahe ng graphene sa 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, sinisiyasat namin dito ang isang simpleng electrode architecture na batay sa mga layer ng TiO2 na may mataas na index at mga HIL na may mababang index na nagpapalagay sa mga graphene electrode. Sa optical design na kumukuha ng buong kalamangan sa synergistic na pakikipagtulungan sa pagitan ng mataas at mababang-index na mga layer na kumokontrol sa parehong pagpapahusay ng resonance ng lukab at pagkawala sa surface plasmon polariton (SPP), ang iminungkahing graphene-based OLEDs ay nagpapakita ng napakataas na EQE na hindi pa nagagawa sa mga gumagamit ng graphene bilang isang transparent electrode. Bukod dito, ang hindi pangkaraniwang mataas na resistensya ng TiO2 sa flexural strain ay natuklasan na nagpapahintulot sa mga plastic OLED na hindi lamang mahusay kundi pati na rin napaka-flexible. Mga Resulta Disenyo ng Optika ng mga Mataas na Kahusayang Graphene-Based OLED Ang kahusayan ng mga OLED ay limitado sa huli ng isang may hangganan na kahusayan sa outcoupling na karaniwang nasa humigit-kumulang 20% sa pinakamahusay para sa mga device na may isotropic emitters. Sa iba't ibang mga paraan ng pagpapahusay ng outcoupling na iminungkahi hanggang sa ngayon , ang isang pamamaraan batay sa microcavity resonance ay may mga kalamangan sa pagpapanatili nito ng 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 artifact na hindi kanais-nais para sa display application (halimbawa, blurring, diffraction, atbp.) ngunit maaaring magpakita ng napaka-puro, 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 nagdudulot ng anumang optical haze o blurring, sa pamamagitan lamang ng pag-aayos 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 nakalagay sa ITO/substrate interface , . Sa kaso ng ITO-free, graphene-based OLEDs, gayunpaman, ang mga graphene electrode ay hindi maaaring gawing sapat na makapal upang makontrol 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 manipis na layer na may mataas na refractive index ( H) sa ilalim ng mga graphene layer tulad ng ipinapakita sa sa paraang katulad ng dielectric capped thin-metal electrodes , , , . Dahil ang liwanag ay maaaring dumaan sa graphene na may kaunting phase difference dahil sa likas na katapatan ng isang graphene electrode, ang 3 /4 cavity design ay maaaring makamit nang madali, halimbawa, sa optical thickness ng organic kasama ang mga injection layer at ang mataas na refractive index na 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 nagpapahintulot ng malaking reflectance mula sa bottom electrode assembly ( bot) para sa liwanag na nagmumula sa mga organic layer, tulad ng makikita sa mga graph sa ibaba ng . Nagbibigay ito sa mga graphene-based OLED ng mga pagkakataon upang mapahusay ang kanilang kahusayan sa pamamagitan ng resonance effect, na hindi magiging posible kung hindi. Ipinapakita na ang bot at ang kasunod na resonance enhancement ay tumataas kasama ang 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 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 scheme na ito ay dapat na may pinakamataas na posibleng H. Bukod dito, ito ay dapat na transparent, at higit sa lahat, hindi dapat masira ng isang ibinigay na graphene transfer process. Sa iba't ibang mga kandidato, ang isang sputtered TiO2 layer ay transparent sa visible spectral range at may medyo mataas na refractive index ( =2.5). Hindi tulad ng iba pang high-index layers 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 mataas na kalidad na 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 pinag-aaralang OLED 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 kapal ng mga organic layer ay pareho sa OLED na may TiO2 ngunit walang low-index HIL. ( , ) Kinakalkula ang maximum external quantum efficiency ( EQE) ng graphene-based OLEDs na may TiO2 under-layer bilang isang 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 ng 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 ipinakita bilang isang function ng TiO2 para sa liwanag na nagmumula 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) batay sa isang makapal na organic stack ay maaari ding posible. Gayunpaman, sa gawang ito, ang isang first-order cavity design ay unang pinili dahil ito ay nagreresulta sa mas malakas na Purcell effect at mas kaunting waveguide modes kaysa sa higher-order design, na sa huli ay humahantong sa mas malaking outcoupling efficiency at EQE , . May mga hamon pa rin 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 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 gayong mga pamamaraan. Ang pamamaraan 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 graphene-based OLEDs , ay may refractive index na humigit-kumulang 1.42 sa ng 550 nm ( ), na mas mababa kaysa sa mga tipikal na organic layer ( =1.8). Sa synergistic na interaksyon ng mataas at mababang-index na mga layer na nagpapalagay sa mga graphene layer, ang pagpapahusay ng cavity-resonant effect at ang pagbawas ng SPP modes ay maaaring gawin nang sabay-sabay upang ang EQE ay maaaring makabuluhang mapalakas kahit na walang mga outcoupling structure. λ 24 25 25 26 27 28 29 13 λ Supplementary Fig. 3 n Ang ay nagpapakita ng mga resulta ng optical simulation batay sa advanced classical electromagnetic theory na summarized ni Furno . sa buong visible spectral range, at sa ng 550 nm. Isinasaalang-alang ng pormula ang Purcell factor, dipole orientation effect, at mga eksitasyon sa SPP at waveguide modes. Ang isang 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 ito (tingnan ang ; at para sa mga halimbawa). Ipinapakita ng mga resulta na ang paggamit ng GraHIL ay muling nag-aayos ng mga relatibong bahagi ng kapangyarihan sa pagitan ng iba't ibang mga mode patungo sa mas maliliit na in-plane wave vector upang mabawasan ang kapangyarihan na naka-couple sa SPP modes at lalo pang mapahusay ang mga outcoupled na bahagi ( ). Makikita rin sa na ang paggamit ng TiO2 layer sa ilalim ng graphene ay epektibong pinipigilan ang dami ng kapangyarihan 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 mataas na-index (H) na TiO2 at mababang-index (L) na GraHIL layers, ay nagreresulta sa isang perpektong sitwasyon kung saan ang resonance enhancement ay malaki, gayunpaman ang pagkawala sa SPP/evanescent modes ay nababawasan. Bukod dito, ang pinagsamang paggamit ay lumilikha ng isang sitwasyon na katulad ng HL-stacks, na karaniwang ginagamit para sa multilayer thin-film coating , at lalo pang pinapahusay ang bot ( ), na nagpapahintulot para sa karagdagang pagpapahusay sa Fabry–Perot resonance effect. Ang nagpapagawa sa iminungkahing teknolohiya na kakaiba at advanced kaugnay sa mga tradisyonal na teknolohiya ay talagang ang synergistic na pakikipagtulungan ng mga mataas at mababang-index na mga layer na ito na nagpapagana ng optical management ng parehong resonance effect at SPP loss sa kalamangan ng maximum outcoupling; at karagdagang resonance enhancement sa pamamagitan ng HL stacking. Kasama ang kanilang native compatibility sa mga ninanais na electrical properties (halimbawa, mahusay na hole injection), lahat ng mga optical na benepisyo na ito ay nagpapahintulot sa iyo na ganap na ma-unlock kahit 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 isang 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 layers habang ito ay limitado sa 38% na walang GraHIL o sa 31% na walang TiO2. Ang optimal na kondisyon ay tumutugma sa isang sitwasyon kung saan ang H (na may H bilang TiO2) ay malapit sa /(4 H) (55 nm para sa =550 nm). Maaari ding mapansin na ang EQE (max) ng 44% ay mas mataas kaysa sa inaasahan para sa mga optimized, tradisyonal na thin-metal based cavity OLEDs na may parehong emitter. Ito ay maaaring maiugnay sa katotohanan na ang iminungkahing architecture 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 tradisyonal na 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 ( , ) Kinakalkula ang power dissipation spectra na tinimbang 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 representative optical mode kabilang ang outcoupled, substrate-confined (subs), waveguided (wg) at evanescent modes. ( ) Kinakalkula ang 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 fixed 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 bawat katumbas nito sa mga device na may TiO2. a b a b c λ d d d Pagganap ng Device ng mga Ginawang Graphene-Based OLED Dahil sa mga resulta ng simulation na ipinakita sa itaas, gumawa kami ng mga green OLED batay sa mga phosphorescent emitter ng bis(2-(2-pyridinyl- )phenyl-C)(acetylacetonato) iridium (III) (Ir(ppy)2acac) sa configuration na 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 experimental na resulta 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 layers, at naaayon sa mga resulta ng simulation. Gamit ang isang half-ball lens na optical na nakakonekta 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, lalo pang naglalarawan ng promising potential ng iminungkahing graphene-based OLEDs. Pagkatapos ay pinalawak pa 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 ibinibigay bilang ang kabuuan ng mga indibidwal na OLED nito ; ang diskarte na ito ay popular dahil ang pinabuting EQE ay karaniwang humahantong sa mas mahabang operasyon na buhay . Ang TiO2/graphene/GraHIL-based multi-junction OLEDs 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% at 183.5 lm W−1 na may half-ball lens), na nagpapakita ng state-of-the-art na pagganap at versatile na aplikasyon ng iminungkahing electrode structure. Ang simulation ay nagpapahiwatig na ang naobserbahang halaga ay tumutugma sa kabuuan ng mga EQE values ng mga katumbas na second-order cavity structures (isa na may emission zone malapit sa ikalawang antinode mula sa cathode; at isa pa na may emission zone malapit sa unang antinode mula sa cathode) na may electrical balance factor na 0.89 (tingnan ang N Fig. 3 31 32