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韩国KAIST开发出使用石墨烯的有机EL,EQE高达40.8%

  韩国的一所研究生院——韩国科学技术院(KAIST,Korea Advanced Institute of Science and Technology)开发出了以代替ITO作为透明导电膜的绿色发光元件。相关详情已经以论文的形式发表在学术期刊《自然通讯》 (Nature Communications)上。该元件设想主要用于显示器用途。

  该发光元件的外部量子效率(EQE)高达40.8%,肉眼感觉到的发光效率高达160.3lm/W。虽然业界以前也曾出现过将用作透明电极的元件,但此次开发的元件的特点是EQE及发光效率非常高。

  此次试制的以TiO2、、HIL1为透明电极的绿色发光元件群

  左侧为在玻璃基板上制作的例子,右边两个是在柔性PET基板上制作的例子 (图片来源于KAIST)

  

 

  此次的有机EL元件的层状结构(左)以及元件内的电磁场强度与其他层状结构的对比结果(右)

  右图最下面为此次的层状结构。虚线表示元件内的电磁场强度 (KAIST)

  据KAIST介绍,发光效率等很高的原因是为有机EL元件设置了共振器结构。由此,提高了特定波长的选择效果,同时还减少了电极上的表面等离子体造成的损耗。

  此次开发的有机EL元件由玻璃、氧化钛(TiO2)层、4层石墨烯、由导电性聚合物组成的空穴注入层1(HIL1)、HIL2、发光层、电子输送层(ETL)、铝(Al)电极等构成。

  据 介绍,在这些结构层中,起到关键作用的技术是以TiO2层和HIL1呈三明治形状夹住4层石墨烯的设计,以及各层的厚度及折射率。TiO2层的折射率高达 2.5。而且,按照发光为λ、光学距离为λ/4的比例设计了层的厚度。此次发光波长为绿色(550nm),因此层厚为55nm。

  HIL1 由“GraHIL”材料构成,该材料在经常用作导电性聚合物的PEDOT:PSS中混合了名为PFI(tetra-fluoroethylene- perfluoro-3, 6-dioxa-4-methyl-7-octenesulphonic acid copolymer)的聚合物。GraHIL的折射率仅为1.42。此次按照光学距离为2λ/3的比例设计了HIL1的厚度。顺便一提,HIL2由 PEDOT:PSS构成,折射率为1.56。

  据论文介绍,此次采用这种设计出于以下三大目的。(1)TiO2层、石墨烯、HIL1的合计 光学厚度为3λ/4,与原来使用透明电极ITO时光提取效率最高的情况一致;(2)有机EL元件的发光层发出的光在HIL2和HIL1的边界进行反射时反 射率提高,从有机EL元件的铝电极到HIL2的层状结构更容易作为共振器发挥功能;(3)因HIL1的折射率较低,石墨烯电极上的表面等离子体造成的损耗 减少。

  以2.3mm的曲率半径弯曲1000次,性能也不会劣化

  KAIST在PET基板上(而不是玻璃基板)制作了层状结构几乎相同的有机EL元件,并评估了其发光效率和耐弯曲性。EQE比在玻璃基板上制作时低了几个百分点,发光效率也低了约20个百分点,但与不使用TiO2层等的石墨烯电极有机EL元件相比,这些数值都高出很多。

  弯曲耐久性方面,最大以2.3mm的曲率半径弯曲测试1000次之后,并未发现性能劣化。KAIST表示,弯曲耐性提高的原因之一是,将弯曲耐性不高的TiO2层的厚度减小到了非常薄的水平,仅为55nm。