Plasmonisk forbedring af stabilitet og lysstyrke i organiske lysemitterende enheder

Forskere undersøger frie elektroner og resonansinteraktioner af elektromagnetiske bølger inden for plasmonik. Imidlertid, disciplinen mangler stadig at blive udvidet til kommercielle anvendelser i stor skala på grund af tabet forbundet med plasmoniske materialer. Mens organiske lysemitterende enheder (OLED'er) er inkorporeret i kommercielle produkter i masseskala på grund af egenskaber som god farvemætning, alsidig formfaktor og lavt strømforbrug, deres effektivitet og stabilitet mangler at blive optimeret. Under sin funktion, OLED'er akkumulerer lokaliseret opbygning af langsomt henfaldende, triplet excitoner og ladninger, som gradvist reducerer enhedens lysstyrke i en "aldringsproces", som så kan forårsage en indbrændingseffekt på skærmen. Som resultat, det er vigtigt at forbedre ydeevnen af ​​OLED-teknologien.

I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Natur , Michael A. Fusella og et forskerhold ved Universal Display Corporation U.S. udviklede en OLED (organisk lysemitterende enhed) med plasmonisk henfaldshastighed for at øge enhedens stabilitet, de opretholdt effektiviteten ved at inkludere et nanopartikelbaseret udkoblingsskema til at udvinde energi fra plasmontilstanden. Holdet brugte en arketypisk phosphorescerende emitter for at opnå en dobbelt stigning i funktionel stabilitet ved samme lysstyrke som en konventionel referenceenhed og udtrak 16 procent af energien fra plasmontilstanden som lys. Den nye tilgang vil forbedre stabiliteten af ​​OLED og samtidig undgå materialespecifikke designbegrænsninger. Mulige anvendelser inkluderer belysningspaneler, og fjernsyn og mobilskærme.

Overfladeplasmoner og plasmon nanopatch-antenne (NPA)

Overfladeplasmoner er kollektive oscillationer af elektroner, der befinder sig ved grænsefladen mellem et metal og det omgivende dielektriske miljø. Fænomenet kan bidrage til store elektriske felter og forbedre henfaldshastigheden i størrelsesordener på tværs af de synlige og nær infrarøde områder til ideel brug med organiske lysemitterende enheder (OLED'er). Meget arbejde med den igangværende OLED-udvikling fokuserer på at minimere det slukkede exciton-energitab, der spredes som varme. Her, Fusella et al. optimeret enheden ved at koble energien til OLED-katodens overfladeplasmontilstand. For at opnå dette, de brugte en phosphorescerende emitter hostet af et materiale forkortet DIC-TRZ, kort for 2, 4-diphenyl-6-bis(12-phenylindolo)[2, 3-a]carbazol-11-yl)-1, 3, 5-triazin.

Holdet udkoblede lys ved tilfældigt at arrangere sølv nanokuber adskilt fra sølv (Ag) katoden af ​​et dielektrisk lag og kaldte enheden for plasmon nanopatch antenna (NPA), selvom designparadigmerne varierede fra den NPA-arkitektur, der blev brugt i tidligere arbejde. Den her udviklede plasmon-NPA opnåede en næsten tre gange stabilitetsforøgelse sammenlignet med en referenceanordning. Den tyndere enhedsarkitektur af plasmon NPA forårsagede ikke kortslutning under levetidstesten og opnåede en dramatisk forbedring af enhedsstabiliteten uden tab af effektivitet.

Plasmon-forbedret levetid og effektivitet

I forsøgsopstillingen, plasmon nanopatch-antennen (NPA) havde en gennemsigtig anode til at konvertere energi koblet til overfladeplasmontilstanden af ​​sølvkatoden til fotoner via tilfældigt arrangerede sølvnanokuber i dens arkitektur for at lette lysemission fra toppen af ​​enheden. De bemærkede, at den eksterne kvanteeffektivitet for lyset udsendt fra toppen af ​​plasmonnanopatch-antennen var otte procent (8 %), mens den samme enhed uden nanokuber havde en top-emission ekstern kvanteeffektivitet (TE EQE) på kun negativ én procent (-1%); fremhæve betydningen af ​​nanokuber i udkobling. Fusella et al. bevidst designet en arkitektur med samtidig top- og bundemission for at hjælpe plasmon nanopatch-antennen med at skelne energien koblet ind og spredt ud fra energi, der ikke kobles ind i plasmontilstanden (bundemission). Når man oversætter dette eksperimentelle koncept til en kommerciel enhed, Forskere bliver nødt til at eliminere ethvert bundemissionslys ved at koble alle excitoner til plasmontilstanden eller ved at anvende en uigennemsigtig metalanode til at reflektere bundemissionslyset tilbage til toppen af ​​enheden.

Optiske egenskaber af plasmon nanopatch-antennen (NPA)

Forskerne undersøgte derefter exciton-dynamikken inde i de emissive lag af de tre enheder, der blev undersøgt i undersøgelsen, inklusive:

1. plasmon nanopatch antenne (NPA)
2. standard organisk lysemitterende enhed med organisk fosfor (PHOLED)
3. et tyndt-emitterende lag PHOLED

Af disse, plasmon NPA bibeholdt sin eksterne kvanteeffektivitet (EQE) ved høje strømtætheder forholdsvis bedre end referenceenhederne, sideløbende med kortere henfaldstid og derfor større stabilitet. Enhedsarkitekturen af ​​plasmon NPA med 75-nm sølv nanokuber adskilt fra den plane sølvkatode bidrog til dens høje eksterne kvanteeffektivitet. Denne arkitektur afveg fra den typiske patch-antenne-baserede tilgang, tillader overfladeplasmonkobling til den plane sølvkatode, mens sølv nanokuberne udførte udkobling. Mekanismen resulterede i en forbedring af bredbåndshastigheden uden at kompromittere enhedsarkitekturen.

Fusella et al. brugte derefter finite-difference-tidsdomænemodellering til at beregne enhedens eksterne kvanteeffektivitet for at estimere dens ultimative effektivitet og bemærkede en betydelig stigning i de forudsagte værdier efter at have inkluderet sølvnanocube-arkitekturen i simuleringen. Resultaterne var i tæt overensstemmelse med de eksperimentelle resultater. Selvom resultaterne modelleret for ekstern kvanteeffektivitet var lovende, de var stadig betydeligt lavere end dem, der blev observeret i tidligere arbejde. Holdet sigter derfor mod at redesigne nanocube-arkitekturen for at forbedre enhedens udkoblingseffektivitet i fremtidige undersøgelser.

På denne måde Michael A. Fusella og kolleger viste forbedret organisk lys-emitterende enhed (OLED) stabilitet ved at forbedre henfaldshastigheden gennem overflade plasmon kobling. Typisk, denne strategi er skadelig for enhedens overordnede ydeevne, men i dette tilfælde, opsætningen forbedrede stabiliteten af ​​enhedsarkitekturen for at etablere parallelle stier til OLED-udvikling. De fuldt optimerede enhedsgeometrier vil tillade eksterne kvanteeffektiviteter på mere end 40 procent med større stabilitet. Værket præsenterer et nyt paradigme for OLED-design, baner vejen for billige belysningspanelapplikationer og ultrahurtige applikationer med høj luminans.

© 2020 Science X Network