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黄维院士/孟鸿教授《自然·通讯》:世界上首个由三相交流电直接驱动的电致发光器件

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  近年来,柔性电子引起了全世界学术界和企业界的研究热潮。其中,电致发光器件在柔性电子中具有广泛的应用。目前,电致发光器件大多采用直流或单相交流驱动,还没有三相交流电直接驱动的电致发光器件相关的报道。这就导致电致发光器件无法直接接入到三相电网中,需要复杂的后端电路消耗能源且增加成本。因此,这一研究空白亟待填补。近日,在西北工业大学柔性电子前沿科学中心首席科学家黄维院士带领下,北京大学深圳研究生院孟鸿教授课题组等创新性地报道了世界上首个由三相交流电驱动的电致发光器件。这一研究成果于日前在国际顶级学术期刊——《自然•通讯》杂志在线发表。

  

  据了解,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,传统的“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。

  为了解决这些问题,在黄维院士指导下,孟鸿教授课题组2017年提出了共平面电极的新型电致发光器件结构,采用这种结构的电致发光器件可以采用任何材料作为基底,可以使用任意导体作为电极,无需使用价格高昂且制备工艺复杂透明导体电极。这种新型结构不仅工艺简单,利于大规模的制造,更重要的是,与传统意义上的发光器件相比,一对电极相互排列的方式不再是相互堆叠而是并排分布。正是由于这种结构上的优势,实现了远程遥感发光的发光器件,并有望实现智能发光的广泛的应用。

  道生一,一生二,二生三,三生万物。时至今日,电致发光器件已经由只具有一个发光单元的“三明治型”结构拓展到了具有两个发光单元的共平面电极型结构。那么基于共平面电极的新型电致发光器件结构是否可以进一步将电致发光器件的发光单元拓展到三个甚至更多,以在照明、显示、传感等多领域实现更多具有独特吸引力的应用呢?此外,目前我国生产、配送的都是三相交流电,而关于由三相交流电直接驱动的电致发光器件还鲜有报道,如果将将电致发光器件的发光单元拓展到三个,是否可以用简单的方法实现电致发光器件直接由三相交流电驱动呢?

  

  黄维院士和孟鸿教授团队的研究人员实现了这一构想,构筑了一种具有柔性和多功能的三相电驱动的电致发光器件(TPEL)。据悉,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。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ACEL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,甚至可以使用绝缘溶剂来代替昂贵的透明电极。

  具有三个发光单元的TPEL器件除了具有制备方法简单、无需透明上电极、可直接由三相电驱动等本征优势以外,独特的器件结构和外耦合的极性电桥也使得TPEL器件具有多种应用功能。

  首先,哲学家老子所说的三生万物也很适合用来描述全彩的显示领域,因为使用三原色就可以在调色板上创造出任何颜色。由于TPEL器件有三个发光单元,可以设计器件结构使三个发光单元分别发射红光、绿光和蓝光,即一个器件发出三种不同的颜色,实现像素功能。而不像传统像素必须分解为三个独立的器件:红色发光器件、绿色发光器件和蓝色发光器件,且每个器件都需要两个电极,其中一个必须是透明的。

  

  直接由三相电驱动的有机电致发光器件

  除此之外,课题组还演示了一种多功能的柔性TPEL面板。为了实现大面积的照明面板设计了适用于三相电驱动的特殊叉指电极结构。制备的可以由三相电直接驱动的大面积发光面板不仅适用于一般固态照明,也可以用于交互性显示和传感等方面。例如,可交互重写的显示面板。使用蘸水的毛笔可以在该面板上任意书写,来自笔刷的水作为极性电桥,只有被墨水覆盖的部分发光。与其他交互式可重写显示器不同,TPEL面板不仅由三相电源驱动,而且不需要特殊的导电和透明材料,也不需要复杂的压力传感系统和后端电路。TPEL面板还可以作为传感面板直接连接到220 V、50 Hz远距离三相输电线上。几乎所有威胁电力线路安全的因素,如雨、雪、冻雨、冰积或极端潮湿的环境,都可以通过连接的TPEL面板检测到,并远程发出光报警。当电力线中出现异常时,如相位丢失或三相电压不平衡,TPEL面板也可以作为传感器进行远程光通信。

  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。

  相关研究成果以Three-phase electric power driven electoluminescent devices为题,在线发表于《自然•通讯》。该工作在黄维院士和孟鸿教授指导下,由硕士研究生纪君朋、白钧午等同学合作完成。此外,该工作的主要合作者还有西北工业大学柔性电子前沿科学中心的Igor F. Perepichka教授。

  未来,该团队将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,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。

  来源:西北工业大学柔性电子前沿科学中心

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