新材料學(xué)院發(fā)文展示首個(gè)由三相交流電直接驅(qū)動(dòng)的電致發(fā)光器件
柔性電子近年來引起了全世界的研究熱潮，其中電致發(fā)光器件在柔性電子中具有廣泛的應(yīng)用。然而目前的電致發(fā)光器件大多功能單一，封閉的器件結(jié)構(gòu)導(dǎo)致很難集成傳感功能以滿足物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對(duì)發(fā)光器件智能性的要求。除此之外，電致發(fā)光器件大多采用直流電或單相交流電驅(qū)動(dòng)，這樣的器件接入到三相電網(wǎng)中需要復(fù)雜的后端電路，額外消耗能源且增加成本。考慮到全球發(fā)電是基于三相交流電系統(tǒng)，用三相交流電電源直接驅(qū)動(dòng)電致發(fā)光器件的可能性似乎是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)，但一直沒有實(shí)現(xiàn)。這一研究空白亟需突破。
近日，在西北工業(yè)大學(xué)（西安）柔性電子研究院黃維院士的帶領(lǐng)下，北京大學(xué)深圳研究生院孟鴻教授課題組報(bào)道了一種同時(shí)具有柔性和多種傳感功能的三相電驅(qū)動(dòng)的電致發(fā)光（TPEL）器件，這是世界上首次報(bào)道的由三相交流電直接驅(qū)動(dòng)的電致發(fā)光器件。相關(guān)論文以“Three-phase electric power driven electroluminescent devices”為題發(fā)表在頂級(jí)期刊《自然-通訊》(Nature Communications)。論文的第一作者是北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院2018級(jí)碩士生紀(jì)君朋。
目前，幾乎所有應(yīng)用在柔性電子中的傳統(tǒng)光電器件無論是無機(jī)發(fā)光，有機(jī)發(fā)光，還是量子點(diǎn)和鈣鈦礦發(fā)光二極管，都是“三明治型”的疊層結(jié)構(gòu)，也就是需要在功能層兩側(cè)夾有兩個(gè)電極，并且為了發(fā)射或吸收光，至少有一個(gè)電極必須是透明的。然而傳統(tǒng)“三明治型”疊層結(jié)構(gòu)給柔性電子領(lǐng)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(gè)器件成本構(gòu)成的主要部分；第二，隨著人類與電子設(shè)備的距離越來越近，對(duì)電子設(shè)備提出可拉伸、可折疊的要求，對(duì)電極透明性的需求將大大縮小電極的可選擇范圍，限制了其在未來智能可穿戴應(yīng)用中的發(fā)展；第三，上下電極堆疊形成封閉的器件結(jié)構(gòu)，難以直接集成傳感模塊，實(shí)現(xiàn)傳感和人機(jī)交互的功能，且無法實(shí)現(xiàn)三相電直接驅(qū)動(dòng)。
研究人員巧妙地避免了傳統(tǒng)“三明治型”器件結(jié)構(gòu)帶來的限制，采用了課題組獨(dú)創(chuàng)的共平面電極新型器件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)具有多功能的TPEL器件。該器件結(jié)構(gòu)包括三個(gè)共面電極，在每個(gè)輸入電極的頂部均涂有介電層和發(fā)光層。當(dāng)發(fā)光層通過極性電橋連接在一起時(shí)，就形成了三個(gè)互相并聯(lián)的電容器。因此，這種TPEL器件的工作原理是基于三相電中每兩相之間的相位差恒為120°，隨著三條線路上電壓的相位移動(dòng)，三相交流電在每個(gè)電容兩側(cè)形成交變的電勢(shì)差?；谠撛恚梢酝瑫r(shí)使用三種不同顏色的發(fā)光層，分別使用三相電的每個(gè)相位驅(qū)動(dòng)，形成紅綠藍(lán)像素結(jié)構(gòu)。研究人員演示了在三相電源下運(yùn)行的多色像素結(jié)構(gòu)的器件，即一個(gè)器件發(fā)出三種不同的顏色，簡(jiǎn)化像素結(jié)構(gòu)，只需用三個(gè)不透明的電極即可實(shí)現(xiàn)像素功能。它不需要透明導(dǎo)電材料作為電力輸入的電極，當(dāng)頂部發(fā)光層通過極性電橋連接時(shí)就會(huì)發(fā)光。電橋的介電常數(shù)，偶極矩和粘度均可以影響器件的性能，然而，電橋的導(dǎo)電性對(duì)器件的性能并不產(chǎn)生直接的影響。也就是說，甚至可以使用絕緣材料來代替昂貴的透明電極，拓寬了材料的選擇范圍并大大降低成本，并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(qū)動(dòng)的概念擴(kuò)展到有機(jī)發(fā)光器件，制備了三相電驅(qū)動(dòng)的有機(jī)發(fā)光器件（TP-OLED）。雖然并沒有專門針對(duì)新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)最高的器件性能，但與無機(jī)TPEL器件相比，所制備的有機(jī)器件達(dá)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(shí)了三相電的驅(qū)動(dòng)方法廣泛適用于各種發(fā)光材料。
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直接由三相電驅(qū)動(dòng)的有機(jī)電致發(fā)光器件
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該團(tuán)隊(duì)也使用熱活化延遲熒光材料、聚合物發(fā)光材料、鈣鈦礦量子點(diǎn)發(fā)光材料等更多新興材料作為共平面電極的新型結(jié)構(gòu)器件的發(fā)光層材料，均取得了很好的效果。使用多樣化的發(fā)光材料體系將給這種新型器件結(jié)構(gòu)帶來更加多樣化的應(yīng)用。多樣化的外耦合極性電橋也將給這種新型器件結(jié)構(gòu)帶來更多的潛在應(yīng)用，例如將腦神經(jīng)信號(hào)施加到開放的極性電橋上實(shí)現(xiàn)具有傳感顯示功能的腦機(jī)接口（brain-computer interface，BCI）。具有外耦合極性電橋的共平面電致發(fā)光器件和可穿戴顯示技術(shù)結(jié)合，還有望實(shí)現(xiàn)人體機(jī)能傳感和顯示器件的無縫融合，在智能傳感領(lǐng)域擁有更廣闊的潛在應(yīng)用前景。
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孟鴻教授和研究生紀(jì)君朋展示研究成果
相關(guān)工作是西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院黃維院士和北京大學(xué)深圳研究生院孟鴻教授課題組合作完成的，北京大學(xué)深圳研究生院碩士研究生紀(jì)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(xué)基金委員會(huì)，廣東省科學(xué)技術(shù)廳，深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)，深圳市發(fā)展和改革委員會(huì)以及北京大學(xué)深圳研究生院的經(jīng)費(fèi)支持。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-020-20265-2
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