熬出头!纳米银问鼎Nature:颠覆传统认知,攻克OLED烧屏难题!

纳米人 2020-09-17 14:28

第一作者:Michael A. Fusella
通讯作者:Nicholas J. Thompson
通讯单位:美国环宇显示技术股份有限公司 (UDC)
 
有机发光二极管(OLED)的横空出世,随之也带来了所谓的“烧屏”问题,“烧屏”一般是指OLED显示器长时间显示某个静止的图像画面,留下残影的现象。这是由于在OLED工作时,缓慢衰减的三线态激子和电荷的局部积累导致OLED亮度逐级递减而导致的现象。
 
简单来说就是,OLED的器件效率及稳定性的不足导致了“烧屏”现象的产生。一般认为,造成OLED性能不足的原因之一便是OLED设备中金属电极的非辐射表面等离子振荡导致淬灭的激子能量以热量的形式散发。
 
新突破:不走寻常路
 
有鉴于此,美国环宇显示技术股份有限公司 (UDC) Nicholas J. Thompson等人不走寻常路,利用表面等离子体激元耦合改变衰变率这一被认为是不利于OLED性能的策略改善了OLED器件性能。作者通过对比实验得出,在相同的器件亮度(10000 cd/m2)下,改进后的OLED器件稳定性相比传统OLED器件提升了2倍之多。
 
一般来说,大部分OLED研究都在尝试通过增加发光层与金属电极的距离很远或更改平均偶极子方向来最大程度地减少金属电极的非辐射表面等离子振荡造成的非辐射复合损失。相比之下,本文则剑走偏锋,将能量耦合到OLED阴极的表面等离激元模式,以降低OLED设备的瞬态和稳态的激子密度。

                            
图1. (a)等离子器件示意图 (b) 银纳米立方体形貌
 
器件结构设计
 
器件结构如图1a所示,其中发光层在距离Ag阴极20nm以内,以耦合到表面等离激元模式来提高衰减速率常数。随后,随机排列的Ag纳米立方体与进行外耦合(图1b)。作者称这种结构为“等离激元纳米贴片天线(NPA)”,这种NPA不同于以往的NPA,因为这种光输出耦合方案与以前的体系结构有所不同,发光材料不存在于金属和纳米粒子之间的间隙中。
 
在80 mA/cm2的恒定电流密度下,基于等离激元NPA的OLED器件的稳定性相比标准OLED器件提高了2倍之多(图2a)。尽管使发光层变薄(标准器件的400埃降低到等离激元NPA中的50埃)通常会降低OLED稳定性,但是基于NPA的OLED器件的稳定性仍有明显改善。

从图2b可以看出,尽管传统PHOLED的外量子效率在10 mA/cm2电流密度下达到13%,但是在更高电流密度下的滚降更为严重。相反,基于等离子激元NPA的OLED滚降则很小,这归因于等离子激元NPA基OLED中的三线态激子的较低浓度,这是由于等离激元耦合导致激发态寿命的降低。

从外量子效率曲线(图2b)和瞬态荧光测试(图2c)中等离子激元NPA基OLED器件更短的衰减时间可以看出该器件中三线态激子浓度较低,从而表现出较低的外部量子效率和较低的效率滚降。

图2.OLED器件性能。(a) 器件寿命 (b) 外量子效率 (c) 瞬态荧光曲线

优异性能

此外,作者对Ag纳米立方体的外耦合作用进行了表征分析和在525nm处的电场强度模拟。对于NPA基OLED器件,在525 nm处的模拟电场强度明显更高,并且起源于Ag纳米立方体的角,这证明NPA是外耦合光增强的来源。

作者还表明,如果NPA基OLED的光谱与Ir(ppy)3的发射完美重叠,并且所有激子都耦合到Ag阴极,那么OLED的外量子效率将达到20%。除了外量子效率的提高,作者对器件寿命也作了分析测量,发现等离激元NPA基OLED器件的T95寿命达到363小时(初始亮度10000 cd/m2),是标准OLED器件的四倍。
 
图3. 等离子体激元NPA基OLED的光学特性测量和建模
 
小结
 
总之,这项研究通过提高表面等离子体激元耦合的衰减率来改善OLED性能,以一种通常被认为对OLED性能有害的策略,实现了OLED稳定性的显著改善。完全优化好的OLED器件甚至能够实现超过40%的外量子效率。这为OLED器件设计提供了新的范例,并为低成本照明面板,高亮度显示和蓝色OLED等应用铺平了道路。
 
最后,也恭喜纳米银终于熬出头,风光了一把!

参考文献:
Fusella,M.A., Saramak, R., Bushati, R. et al. Plasmonic enhancement of stabilityand brightness in organic light-emitting devices. Nature 2020, 585, 379–382
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2684-z


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