世界上首次报道的由三相交流电直接驱动的电致发光器件
2021-01-20 08:38:53
柔性电子近年来引起了全世界的研究热潮，其中电致发光器件在柔性电子中具有广泛的应用。然而目前的电致发光器件大多功能单一，封闭的器件结构导致很难集成传感功能以满足物联网时代对发光器件智能性的要求。除此之外，电致发光器件大多采用直流电或单相交流电驱动，这样的器件接入到三相电网中需要复杂的后端电路，额外消耗能源且增加成本。考虑到全球发电是基于三相交流电系统，用三相交流电电源直接驱动电致发光器件的可能性似乎是一个具有挑战性的目标，但一直没有实现。这一研究空白亟需突破。
近日，在西北工业大学（西安）柔性电子研究院黄维院士的带领下，北京大学深圳研究生院孟鸿教授课题组报道了一种同时具有柔性和多种传感功能的三相电驱动的电致发光（TPEL）器件，这是世界上首次报道的由三相交流电直接驱动的电致发光器件。相关论文以“Three-phase electric power driven electroluminescent devices”为题发表在顶级期刊《自然-通讯》（Nature Communications）。
目前，几乎所有应用在柔性电子中的传统光电器件无论是无机发光，有机发光，还是量子点和钙钛矿发光二极管，都是“三明治型”的叠层结构，也就是需要在功能层两侧夹有两个电极，并且为了发射或吸收光，至少有一个电极必须是透明的。然而传统“三明治型”叠层结构给柔性电子领域带来了一些不可避免的问题。首先，透明电极的成本高，成为了整个器件成本构成的主要部分；第二，随着人类与电子设备的距离越来越近，对电子设备提出可拉伸、可折叠的要求，对电极透明性的需求将大大缩小电极的可选择范围，限制了其在未来智能可穿戴应用中的发展；第三，上下电极堆叠形成封闭的器件结构，难以直接集成传感模块，实现传感和人机交互的功能，且无法实现三相电直接驱动。
研究人员巧妙地避免了传统“三明治型”器件结构带来的限制，采用了课题组独创的共平面电极新型器件结构来实现具有多功能的TPEL器件。该器件结构包括三个共面电极，在每个输入电极的顶部均涂有介电层和发光层。当发光层通过极性电桥连接在一起时，就形成了三个互相并联的电容器。因此，这种TPEL器件的工作原理是基于三相电中每两相之间的相位差恒为120°，随着三条线路上电压的相位移动，三相交流电在每个电容两侧形成交变的电势差。基于该原理，可以同时使用三种不同颜色的发光层，分别使用三相电的每个相位驱动，形成红绿蓝像素结构。研究人员演示了在三相电源下运行的多色像素结构的器件，即一个器件发出三种不同的颜色，简化像素结构，只需用三个不透明的电极即可实现像素功能。它不需要透明导电材料作为电力输入的电极，当顶部发光层通过极性电桥连接时就会发光。电桥的介电常数，偶极矩和粘度均可以影响器件的性能，然而，电桥的导电性对器件的性能并不产生直接的影响。也就是说，甚至可以使用绝缘材料来代替昂贵的透明电极，拓宽了材料的选择范围并大大降低成本，并为更多传感功能的集成提供了开放性的接口。
此外，课题组将三相电直接驱动的概念扩展到有机发光器件，制备了三相电驱动的有机发光器件（TP-OLED）。虽然并没有专门针对新型结构进行优化以实现最高的器件性能，但与无机TPEL器件相比，所制备的有机器件达到了更高的亮度（最高6601 cd/m2）和电流效率（最高16.2 cd/A），证实了三相电的驱动方法广泛适用于各种发光材料。
直接由三相电驱动的有机电致发光器件
该团队也使用热活化延迟荧光材料、聚合物发光材料、钙钛矿量子点发光材料等更多新兴材料作为共平面电极的新型结构器件的发光层材料，均取得了很好的效果。使用多样化的发光材料体系将给这种新型器件结构带来更加多样化的应用。多样化的外耦合极性电桥也将给这种新型器件结构带来更多的潜在应用，例如将脑神经信号施加到开放的极性电桥上实现具有传感显示功能的脑机接口（brain-computer interface，BCI）。具有外耦合极性电桥的共平面电致发光器件和可穿戴显示技术结合，还有望实现人体机能传感和显示器件的无缝融合，在智能传感领域拥有更广阔的潜在应用前景。
孟鸿和纪君朋展示研究成果
相关工作由黄维和孟鸿教授课题组合作完成，北京大学深圳研究生院硕士研究生纪君朋为文章的第一作者。该研究工作得到了中国国家科技部、中国国家自然科学基金委员会、广东省科学技术厅、深圳市科技创新委员会、深圳市发展和改革委员会以及北京大学深圳研究生院的经费支持。(文/北京大学）
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