Forskare undersöker fria elektroner och resonansväxelverkan mellan elektromagnetiska vågor inom området plasmonik. Dock, disciplinen återstår fortfarande att utvidgas till storskaliga kommersiella applikationer på grund av förlusten i samband med plasmoniska material. Medan organiska ljusemitterande enheter (OLED) ingår i kommersiella produkter i stor skala på grund av egenskaper som god färgmättnad, mångsidig formfaktor och låg strömförbrukning, deras effektivitet och stabilitet återstår att optimera. Under sin funktion, OLED:er ackumulerar lokaliserad uppbyggnad av långsamt sönderfallande, trippel excitoner och laddningar, som gradvis minskar enhetens ljusstyrka i en "åldrande" process, vilket då kan orsaka en inbränningseffekt på displayen. Som ett resultat, det är viktigt att förbättra prestanda hos OLED-tekniken.

I en ny rapport som nu publiceras den Natur , Michael A. Fusella och ett forskarteam vid Universal Display Corporation U.S. utvecklade en OLED (organic light emitting device) med förbättring av plasmonisk sönderfallshastighet för att öka enhetens stabilitet, de bibehöll effektiviteten genom att inkludera ett nanopartikelbaserat utkopplingsschema för att extrahera energi från plasmonläget. Teamet använde en arketypisk fosforescerande emitter för att uppnå en tvåfaldig ökning av funktionell stabilitet med samma ljusstyrka som en konventionell referensenhet och extraherade 16 procent av energin från plasmonläget som ljus. Det nya tillvägagångssättet kommer att förbättra stabiliteten hos OLED samtidigt som man undviker materialspecifika designbegränsningar. Möjliga applikationer inkluderar belysningspaneler, och TV- och mobilskärmar.

Ytplasmoner och plasmonnanopatchantenn (NPA)

Ytplasmoner är kollektiva oscillationer av elektroner som finns i gränssnittet mellan en metall och den omgivande dielektriska miljön. Fenomenet kan bidra till stora elektriska fält och förbättra sönderfallshastigheten i storleksordningar över de synliga och nära infraröda områdena för idealisk användning med organiska ljusemitterande enheter (OLED). Mycket arbete med pågående OLED-utveckling fokuserar på att minimera den släckta excitonenergiförlusten som försvinner som värme. Här, Fusella et al. optimerade enheten genom att koppla energin till OLED-katodens ytplasmonläge. För att åstadkomma detta, de använde en fosforescerande emitter med ett material som förkortades DIC-TRZ, kort för 2, 4-difenyl-6-bis(12-fenylindolo)[2, 3-a]karbazol-11-yl)-1, 3, 5-triazin.

Teamet kopplade bort ljus genom att slumpmässigt arrangera silvernanokuber separerade från silver (Ag) katoden av ett dielektriskt skikt och döpte enheten till plasmon nanopatch antenna (NPA), även om designparadigmen varierade från den NPA-arkitektur som användes i tidigare arbeten. Den plasmon-NPA som utvecklats här uppnådde en nästan trefaldig stabilitetsökning jämfört med en referensenhet. Den tunnare enhetsarkitekturen hos plasmon-NPA orsakade inte kortslutning under livslängdstestet och uppnådde en dramatisk förbättring av enhetens stabilitet utan förlust av effektivitet.

Plasmonförbättrad livslängd och effektivitet

I experimentuppställningen, plasmon nanopatch-antennen (NPA) hade en genomskinlig anod för att omvandla energi kopplad till silverkatodens ytplasmonläge till fotoner via slumpmässigt arrangerade silvernanokuber i sin arkitektur för att underlätta ljusemission från toppen av enheten. De noterade att den externa kvanteffektiviteten för ljuset som sänds ut från toppen av plasmonnanopatchantennen var åtta procent (8%), medan samma enhet utan nanokuber hade en extern kvanteffektivitet för högsta emission (TE EQE) på endast negativ en procent (-1%); betonar vikten av nanokuber vid utkoppling. Fusella et al. avsiktligt utformat en arkitektur med samtidig topp- och bottenemission för att hjälpa plasmonnanopatchantennen att skilja energin kopplad in och utspridd från energi som inte kopplas in i plasmonläget (bottenemission). När man översätter detta experimentella koncept till en kommersiell enhet, forskare kommer att behöva eliminera allt bottenljus genom att koppla alla excitoner till plasmonläget eller genom att använda en ogenomskinlig metallanod för att reflektera det nedre emissionsljuset tillbaka till toppen av enheten.

Optiska egenskaper hos plasmon nanopatch-antennen (NPA)

Forskarna undersökte sedan excitondynamiken inuti de emissiva skikten av de tre enheterna som undersöktes i studien, Inklusive:

1. plasmon nanopatch antenn (NPA)
2. standardanordning för organiskt ljus som innehåller organiska fosforer (PHOLED)
3. ett tunt emissionsskikt PHOLED

Av dessa, plasmon NPA bibehöll sin externa kvanteffektivitet (EQE) vid höga strömtätheter jämförelsevis bättre än referensenheterna, tillsammans med kortare sönderfallstid och därmed större stabilitet. Enhetsarkitekturen för plasmon-NPA med 75-nm silvernanokuber separerade från den plana silverkatoden bidrog till dess höga externa kvanteffektivitet. Denna arkitektur avvek från den typiska patch-antenn-baserade metoden, tillåter ytplasmonkoppling till den plana silverkatoden, medan nanokuberna i silver utförde utkoppling. Mekanismen resulterade i förbättring av bredbandshastigheten utan att kompromissa med enhetsarkitekturen.

Fusella et al. använde sedan tidsdomänmodellering med ändlig skillnad för att beräkna enhetens externa kvanteffektivitet för att uppskatta dess slutliga effektivitet och noterade en avsevärd ökning av de förutspådda värdena efter att ha inkluderat silvernanokubarkitekturen i simuleringen. Resultaten var i nära överensstämmelse med de experimentella resultaten. Även om resultaten som modellerats för extern kvanteffektivitet var lovande, de var fortfarande betydligt lägre än de som observerats i tidigare arbete. Teamet strävar därför efter att designa om nanokubarkitekturen för att förbättra enhetens utkopplingseffektivitet i framtida studier.

På det här sättet, Michael A. Fusella och kollegor visade förbättrad organisk ljusemitterande enhet (OLED) stabilitet genom att förbättra sönderfallshastigheten genom ytplasmonkoppling. Vanligtvis, denna strategi är skadlig för enhetens övergripande prestanda, men i det här fallet, installationen förbättrade stabiliteten hos enhetsarkitekturen för att etablera parallella vägar för OLED-utveckling. De helt optimerade enhetsgeometrierna kommer att tillåta externa kvantverkningsgrader som är större än 40 procent med större stabilitet. Arbetet presenterar ett nytt paradigm för OLED-design, banar väg för lågkostnadsbelysningspaneltillämpningar och ultrasnabba och höga luminansapplikationer.

© 2020 Science X Network