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新材料學院有機光電團隊在《自然·通訊》發文展示首個由三相交流電直接驅動的電致發光器件
日期:2021-01-14 10:48:14 新材料學院 點擊:

柔性電子近年來引起了全世界的研究熱潮,其中電致發光器件在柔性電子中具有廣泛的應用。然而目前的電致發光器件大多功能單一,封閉的器件結構導致很難集成傳感功能以滿足物聯網時代對發光器件智能性的要求。除此之外,電致發光器件大多采用直流電或單相交流電驅動,這樣的器件接入到三相電網中需要複雜的後端電路,額外消耗能源且增加成本。考慮到全球發電是基於三相交流電系統,用三相交流電電源直接驅動電致發光器件的可能性似乎是一個具有挑戰性的目標,但一直沒有實現。這一研究空白亟需突破。

近日,在西北工業大學(西安)柔性電子研究院黃維院士的帶領下,北京大學深圳研究生院孟鴻教授課題組報道了一種同時具有柔性和多種傳感功能的三相電驅動的電致發光(TPEL)器件,這是世界上首次報道的由三相交流電直接驅動的電致發光器件。相關論文以“Three-phase electric power driven electroluminescent devices”為題發表在頂級期刊《自然-通訊》(Nature Communications)。論文的第一作者是北京大學深圳研究生院新材料學院2018級碩士生紀君朋。

目前,幾乎所有應用在柔性電子中的傳統光電器件無論是無機發光,有機發光,還是量子點和鈣鈦礦發光二極管,都是“三明治型”的疊層結構,也就是需要在功能層兩側夾有兩個電極,並且為了發射或吸收光,至少有一個電極必須是透明的。然而傳統“三明治型”疊層結構給柔性電子領域帶來了一些不可避免的問題。首先,透明電極的成本高,成為了整個器件成本構成的主要部分;第二,隨着人類與電子設備的距離越來越近,對電子設備提出可拉伸、可摺疊的要求,對電極透明性的需求將大大縮小電極的可選擇範圍,限制了其在未來智能可穿戴應用中的發展;第三,上下電極堆疊形成封閉的器件結構,難以直接集成傳感模塊,實現傳感和人機交互的功能,且無法實現三相電直接驅動。

研究人員巧妙地避免了傳統“三明治型”器件結構帶來的限制,採用了課題組獨創的共平面電極新型器件結構來實現具有多功能的TPEL器件。該器件結構包括三個共面電極,在每個輸入電極的頂部均塗有介電層和發光層。當發光層通過極性電橋連接在一起時,就形成了三個互相併聯的電容器。因此,這種TPEL器件的工作原理是基於三相電中每兩相之間的相位差恆為120°,隨着三條線路上電壓的相位移動,三相交流電在每個電容兩側形成交變的電勢差。基於該原理,可以同時使用三種不同顏色的發光層,分別使用三相電的每個相位驅動,形成紅綠藍像素結構。研究人員演示了在三相電源下運行的多色像素結構的器件,即一個器件發出三種不同的顏色,簡化像素結構,只需用三個不透明的電極即可實現像素功能。它不需要透明導電材料作為電力輸入的電極,當頂部發光層通過極性電橋連接時就會發光。電橋的介電常數,偶極矩和粘度均可以影響器件的性能,然而,電橋的導電性對器件的性能並不產生直接的影響。也就是説,甚至可以使用絕緣材料來代替昂貴的透明電極,拓寬了材料的選擇範圍並大大降低成本,併為更多傳感功能的集成提供了開放性的接口。

此外,課題組將三相電直接驅動的概念擴展到有機發光器件,製備了三相電驅動的有機發光器件(TP-OLED)。雖然並沒有專門針對新型結構進行優化以實現最高的器件性能,但與無機TPEL器件相比,所製備的有機器件達到了更高的亮度(最高6601 cd/m2)和電流效率(最高16.2 cd/A)。證實了三相電的驅動方法廣泛適用於各種發光材料。


直接由三相電驅動的有機電致發光器件

該團隊也使用熱活化延遲熒光材料、聚合物發光材料、鈣鈦礦量子點發光材料等更多新興材料作為共平面電極的新型結構器件的發光層材料,均取得了很好的效果。使用多樣化的發光材料體系將給這種新型器件結構帶來更加多樣化的應用。多樣化的外耦合極性電橋也將給這種新型器件結構帶來更多的潛在應用,例如將腦神經信號施加到開放的極性電橋上實現具有傳感顯示功能的腦機接口(brain-computer interface,BCI)。具有外耦合極性電橋的共平面電致發光器件和可穿戴顯示技術結合,還有望實現人體機能傳感和顯示器件的無縫融合,在智能傳感領域擁有更廣闊的潛在應用前景。

孟鴻教授和研究生紀君朋展示研究成果

相關工作是西北工業大學柔性電子研究院黃維院士和北京大學深圳研究生院孟鴻教授課題組合作完成的,北京大學深圳研究生院碩士研究生紀君朋為文章的第一作者。該研究工作得到了中國國家科技部,中國國家自然科學基金委員會,廣東省科學技術廳,深圳市科技創新委員會,深圳市發展和改革委員會以及北京大學深圳研究生院的經費支持。

相關論文信息://www.nature.com/articles/s41467-020-20265-2

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