Grafenbaserede transparente elektroder til højeffektive fleksible OLED'er

Ankomsten af ​​en tynd og let computer, der endda ruller sammen som et stykke papir, vil ikke være i en fjern fremtid. Fleksible organiske lysemitterende dioder (OLED'er), bygget på et plastiksubstrat, har fået større opmærksomhed på det seneste for deres brug i næste generations skærme, der kan bøjes eller rulles, mens de stadig er i drift.

Et koreansk forskerhold ledet af professor Seunghyup Yoo fra School of Electrical Engineering, KAIST og professor Tae-Woo Lee fra Institut for Materialevidenskab og Teknik, Pohang University of Science and Technology (POSTECH) har udviklet meget fleksible OLED'er med fremragende effektivitet ved at bruge grafen som en transparent elektrode (TE), der er placeret mellem titaniumdioxid (TiO2) og ledende polymerlag. Forskningsresultaterne blev offentliggjort online den 2. juni, 2016 i Naturkommunikation .

OLED'er er stablet i flere ultratynde lag på glas, folie, eller plastikunderlag, hvor flere lag af organiske forbindelser er klemt mellem to elektroder (katode og anode). Når der påføres spænding over elektroderne, elektroner fra katoden og huller (positive ladninger) fra anoden trækker mod hinanden og mødes i det emissive lag. OLED'er udsender lys, når en elektron rekombinerer med et positivt hul, frigiver energi i form af en foton. En af elektroderne i OLED'er er normalt gennemsigtig, og afhængigt af hvilken elektrode der er gennemsigtig, OLED'er kan enten udsende fra toppen eller bunden.

I konventionelle OLED'er med bundemission, en anode er transparent for at de udsendte fotoner kan forlade enheden gennem dens substrat. Indium-tin-oxid (ITO) bruges almindeligvis som en gennemsigtig anode på grund af dens høje gennemsigtighed, lav plademodstand, og veletableret fremstillingsproces. Imidlertid, ITO kan potentielt være dyrt, og desuden, er skør, være modtagelige for bøjningsinduceret dannelse af revner.

grafen, et todimensionelt tyndt lag af kulstofatomer, der er tæt bundet sammen i et sekskantet bikagegitter, er for nylig dukket op som et alternativ til ITO. Med fremragende elektrisk, fysisk, og kemiske egenskaber, dens atomare tyndhed, der fører til en høj grad af fleksibilitet og gennemsigtighed, gør den til en ideel kandidat til TE'er. Ikke desto mindre, effektiviteten af ​​grafen-baserede OLED'er rapporteret til dato har været, i bedste fald, omtrent det samme niveau af ITO-baserede OLED'er.

Som en løsning, det koreanske forskerhold, som yderligere inkluderer professorerne Sung-Yool Choi (elektroteknik) og Taek-Soo Kim (mekanikteknik) fra KAIST og deres studerende, foreslået en ny enhedsarkitektur, der kan maksimere effektiviteten af ​​grafenbaserede OLED'er. De fremstillede en gennemsigtig anode i en sammensat struktur, hvori et TiO2-lag med et højt brydningsindeks (høj-n) og et hulindsprøjtningslag (HIL) af ledende polymerer med et lavt brydningsindeks (lavt-n) sandwichgrafenelektroder. Dette er et optisk design, der inducerer et synergistisk samarbejde mellem høj-n- og lav-n-lagene for at øge den effektive reflektans af TE'er. Som resultat, forbedringen af ​​den optiske kavitetsresonans er maksimeret. Den optiske kavitetsresonans er relateret til forbedringen af ​​effektiviteten og farveskalaen i OLED'er. På samme tid, tabet fra overflade plasmon polariton (SPP), en væsentlig årsag til svage fotonemissioner i OLED'er, er også reduceret på grund af tilstedeværelsen af ​​de lav-n-ledende polymerer.

Under denne tilgang, grafenbaserede OLED'er udviser 40,8 % af ultrahøj ekstern kvanteeffektivitet (EQE) og 160,3 lm/W strømeffektivitet, hvilket er uden fortilfælde hos dem, der bruger grafen som TE. Desuden, disse enheder forbliver intakte og fungerer godt selv efter 1, 000 bukkecyklusser ved en krumningsradius så lille som 2,3 mm. Dette er et bemærkelsesværdigt resultat for OLED'er, der indeholder oxidlag såsom TiO2, fordi oxider typisk er sprøde og tilbøjelige til bøjningsinducerede brud selv ved en relativt lav belastning. Forskerholdet opdagede, at TiO2 har en revneafbøjningshærdende mekanisme, der har tendens til at forhindre, at bøjningsinducerede revner let dannes.

Professor Yoo sagde, "Hvad er unikt og avanceret ved denne teknologi, sammenlignet med tidligere grafen-baserede OLED'er, er det synergistiske samarbejde mellem høj- og lavindekslag, der muliggør optisk styring af både resonanseffekt og SPP-tab, fører til væsentlig forbedring af effektiviteten, alt sammen med lidt kompromis med hensyn til fleksibilitet." Han tilføjede, "Vores arbejde var opnåelsen af ​​kollaborativ forskning, overskrider grænserne for forskellige felter, hvorigennem vi ofte har fundet meningsfulde gennembrud."

Professor Lee sagde, "Vi forventer, at vores teknologi vil bane vejen for at udvikle en OLED-lyskilde til yderst fleksible og bærbare skærme, eller fleksible sensorer, der kan fastgøres til den menneskelige krop til sundhedsovervågning, for eksempel."