En test organisk ljusemitterande diod (OLED) som innehåller tjocka lager av hybridperovskit avger grönt ljus. Forskare vid Kyushu University designade enheten för att ha tjocka lager av perovskit som omger ett organiskt emitterlager, vilket resulterar i en total tjocklek på de aktiva skikten som är ungefär 20 gånger så stor som traditionella OLED. Användningen av tjockare lager kan underlätta tillverkningsbegränsningar och förbättra betraktningsvinkeln. Ett sådant tillvägagångssätt var opraktiskt med endast organiska skikt på grund av deras extremt höga elektriska motstånd, så forskarna vände sig till perovskiter, som kan vara mycket ledande och transparent samtidigt som de är kompatibla med organiska ämnen och tillverkas av billiga utgångsmaterial. Kredit:William J. Potscavage Jr., Kyushu universitet
Genom att kombinera tunna organiska lager med tjocka lager av hybridperovskit, forskare vid Kyushu University i Japan har utvecklat mikrometertjocka organiska lysdioder som kan förbättra överkomligheten och betraktningsvinklarna för högpresterande skärmar och tv-apparater inom en snar framtid.
Organiska ljusemitterande dioder (OLED) använder lager av organiska molekyler för att effektivt omvandla elektricitet till ljus. Molekylerna, även om stora utsläppare, är i allmänhet dåliga elektriska ledare, så namnet på spelet har varit tunt – som i 100 nm, eller ungefär 1/500 tjockleken på ett människohår. Endast genom att använda så tunna lager kan elektricitet lätt nå dit emission sker i mitten av enheter.
Även om extremt tunna lager drar fördel av att bara behöva en liten mängd material, användningen av sådana tunna filmer komplicerar den tillförlitliga tillverkningen av miljontals pixlar eftersom extremt små defekter kan orsaka enhetsfel. Vidare, ljus som reflekteras mellan fram- och baksidan av de tunna lagren resulterar ofta i interaktioner – så kallade kavitetseffekter – som något förvränger emissionsfärgen vid stora betraktningsvinklar.
Således, utmaningen har varit att göra enheterna tjockare samtidigt som man undviker nackdelarna med organiska ämnen. Att göra detta, forskare vid Kyushu University vände sig till en alternativ klass av material som kallas perovskiter, som definieras av sin distinkta kristallstruktur.
"Även om perovskiter nyligen har väckt stor uppmärksamhet som ljusabsorberande lager i solceller, vissa perovskiter är faktiskt genomskinliga samtidigt som de är mycket ledande, " säger Toshinori Matsushima, docent vid International Institute for Carbon-Neutral Energy Research vid Kyushu University och ledande forskare om Natur tidning som tillkännager de nya resultaten.
Forskare vid Kyushu University utvecklade tjocka organiska ljusemitterande dioder (OLED) för att underlätta tillverkningsbegränsningar och förbättra betraktningsvinklarna. Det organiska emitterande skiktet innehöll molekyler som visar effektiv fosforescens eller termiskt aktiverad fördröjd fluorescens (TADF). Metallhalogenid perovskitskikt, som är transparenta och lätt att bära el, placerades på båda sidor av det organiska skiktet. De mikrometertjocka OLED:erna hade mycket hög extern kvanteffektivitet på upp till 40 %. Emissionsspektra var oberoende av betraktningsvinklar för OLED:er med lämplig perovskittjocklek, bidrar till OLED-skärmar utan förvrängning av emissionsfärg vid olika betraktningsvinklar. Kredit:Toshinori Matsushima, Kyushu universitet
"Dessutom, perovskiter baserade på en blandning av organiska och oorganiska komponenter kan bearbetas från billiga utgångsmaterial med samma tillverkningsprocesser som för organiska, gör perovskiter och organiska ämnen till en perfekt match."
I sina enheter, forskarna placerade ett emitterande lager av molekyler som vanligtvis används i OLED:er mellan perovskitlager med en total tjocklek av 2, 000 nm. De resulterande enheterna har aktiva lager som är 10 gånger tjockare än vanliga OLED-enheter - men fortfarande en bråkdel av bredden på ett människohår.
De tjocka enheterna uppvisade effektiviteter som liknade de i referenstunna OLED:er samtidigt som de hade samma färg från alla betraktningsvinklar. Å andra sidan, OLED:er baserade på tjocka organiska skikt avgav inget ljus vid liknande driftspänningar.
"Dessa resultat kullkastar 30 års tänkande om att OLED:er är begränsade till tunna filmer och öppnar nya vägar för låg kostnad, pålitlig, och enhetlig tillverkning av OLED-baserade skärmar och belysning, " säger Prof. Chihaya Adachi, chef för Kyushu Universitys Center for Organic Photonics and Electronics Research.
Medan forskare också har försökt använda perovskiter direkt som ljussändare, enheternas livslängd har varit kort hittills. Genom att hålla utsläppsprocessen i de organiska materialen och använda perovskiter bara för att transportera el, Kyushu-teamet uppnådde liknande livslängder för både tjocka enheter och referens-OLED.
"Baserat på detta arbete, perovskites kommer att ses i ett nytt ljus som mångsidiga, högpresterande material för stödjande roller i inte bara OLED utan även andra organiska elektroniska enheter, som laser, minnesenheter, och sensorer, " förutspår Adachi.
