Forskare i USA och Korea rapporterade om de första effektiva flexibla lysdioderna med en tvådimensionell titankarbid MXene som en flexibel och transparent elektrod. Dessa MXene-baserade ljusemitterande dioder (MX-LED) med hög effektivitet och flexibilitet har uppnåtts via exakt gränssnittsteknik från syntesen av materialet till applikationen.

Flexibla skärmar har utvecklats i snabb takt och den globala flexibla skärmmarknaden har expanderat snabbt under åren. Utveckling av flexibla transparenta ledande elektroder (TCE) med enastående flexibilitet och elektrisk ledningsförmåga är ett av nyckelkraven för nästa generations bildskärmar eftersom indiumtennoxid (ITO), den konventionella TCE, är spröd. Olika material som grafen, ledande polymerer och metall nanotrådar har föreslagits men deras otillräckliga elektriska ledningsförmåga, låg arbetsfunktion och komplicerad elektrodtillverkning begränsade deras praktiska användning.

MXenes, en ny familj av tvådimensionella material

MXenes, en ny klass av tvådimensionella material som upptäcktes vid Drexel University 2011, består av få atomer tjocka lager av övergångsmetallkarbider eller nitrider. De har visat imponerande egenskaper som metallliknande elektrisk konduktivitet och avstämbar yta och elektroniska egenskaper, erbjuder nya möjligheter för de olika teknikområdena. Sedan deras upptäckt, deras användning har undersökts inom ett antal områden, som metalljonbatterier, sensorer, gas- och elektrokemisk lagring, energiapparater, katalysatorer och medicin. MXener har uppvisat potential som flexibla elektroder på grund av sin överlägsna flexibilitet. Dock, utforskning av MXene i flexibla elektroder av optoelektroniska enheter startade först nyligen eftersom de konventionella MXene-filmerna inte uppfyller kraven på arbetsfunktion och konduktivitet i lysdioder och solceller, och kan brytas ned när de utsätts för det sura vattenbaserade hålinjektionsskiktet (HIL).

MXene för flexibel LED-applikation

Ett internationellt team av forskare från Seoul National University och Drexel University, ledd av Tae-Woo Lee och Yury Gogotsi fokuserade på yt- och gränssnittsmodulering av de lösningsbehandlade MXene-filmerna för att skapa ett idealiskt MXene/HIL-system. De trimmade ytan på MXene-filmen för att ha hög arbetsfunktion (WF) genom lågtemperaturvakuumglödgning och HIL är designad för att vara pH-neutral och spädas med alkohol, förhindrar skadlig ytoxidation och nedbrytning av elektrodfilmen. MXene/HIL-systemet som föreslagits av teamet ger fördelar för enhetens effektivitet på grund av effektiv injektion av hål till det emitterande lagret genom att bilda en nästan idealisk ohmsk kontakt.

Genom att använda MXene/HIL-systemet, teamet tillverkade högeffektiva gröna organiska lysdioder (OLED) över 100 cd/A, vilket stämmer väl överens med de teoretiska maxvärdena och är ganska jämförbart med de konventionella ITO-baserade enheterna. Till sist, flexibla MXene-LEDs på ett plastsubstrat visar enastående böjstabilitet medan ITO-LED:erna inte klarade böjpåkänningarna. Det är den första rapporten som visar mycket effektiva OLED:er som använder ett enda lager av 2-D titankarbid MXene som en flexibel elektrod.

Denna forskning publiceras i den framstående tidskriften Avancerade material . Författarna förklarar ytterligare:"Resultaten av gränssnittskonstruerad MXene-film och de MXene-elektrodbaserade flexibla organiska lysdioderna visar den starka potentialen hos den lösningsbehandlade MXene TCE för användning i nästa generations optoelektroniska enheter som kan tillverkas med en låg kostnad lösningsbearbetningsteknik. "