Diagramma del dispositivo plasmonico e morfologia del nanocubo. (a) Schema del plasmon NPA, con i relativi spessori di strato annotati. La posizione e la larghezza dell'EML all'interno dell'OLED sono indicate dalla linea verde. Le strutture chimiche dei componenti EML, host (DIC-TRZ) ed emettitore (Ir(ppy)3), sono anche presentati. (b) Micrografia a forza atomica di nanocubi di Ag filati sopra l'OLED. La frazione di riempimento dei cubetti di Ag è del 15%, con una distanza da centro a centro di ~200 nm. ITO, ossido di indio-stagno. Credito:Natura, doi:10.1038/s41586-020-2684-z
Gli scienziati studiano gli elettroni liberi e le interazioni risonanti delle onde elettromagnetiche nel campo della plasmonica. Però, la disciplina resta ancora da estendere ad applicazioni commerciali su larga scala a causa della perdita associata ai materiali plasmonici. Mentre i dispositivi organici a emissione di luce (OLED) sono incorporati in prodotti commerciali su larga scala a causa di proprietà come una buona saturazione del colore, fattore di forma versatile e basso consumo energetico, la loro efficacia e stabilità devono essere ottimizzate. Durante la sua funzione, Gli OLED accumulano accumuli localizzati di decadimento lento, eccitoni e cariche triplette, che riducono gradualmente la luminosità del dispositivo in un processo di "invecchiamento", che può quindi causare un effetto burn-in sul display. Di conseguenza, è importante migliorare le prestazioni della tecnologia OLED.
In un nuovo rapporto ora pubblicato su Natura , Michael A. Fusella e un team di ricerca presso la Universal Display Corporation negli Stati Uniti hanno sviluppato un OLED (dispositivo organico a emissione di luce) con miglioramento del tasso di decadimento plasmonico per aumentare la stabilità del dispositivo, hanno mantenuto l'efficienza includendo uno schema di accoppiamento basato su nanoparticelle per estrarre energia dalla modalità plasmone. Il team ha utilizzato un emettitore fosforescente archetipo per ottenere un aumento di due volte della stabilità funzionale alla stessa luminosità di un dispositivo convenzionale di riferimento e ha estratto il 16% dell'energia dalla modalità plasmone sotto forma di luce. Il nuovo approccio migliorerà la stabilità dell'OLED evitando limitazioni di progettazione specifiche del materiale. Le possibili applicazioni includono pannelli di illuminazione, e schermi televisivi e mobili.
Plasmoni di superficie e antenna nanopatch plasmonica (NPA)
I plasmoni di superficie sono oscillazioni collettive di elettroni che risiedono all'interfaccia di un metallo e l'ambiente dielettrico circostante. Il fenomeno può contribuire a grandi campi elettrici e migliorare il tasso di decadimento in ordini di grandezza attraverso le regioni del visibile e del vicino infrarosso per un uso ideale con dispositivi organici a emissione di luce (OLED). Gran parte del lavoro sullo sviluppo OLED in corso si concentra sulla riduzione al minimo della perdita di energia degli eccitoni spenti che viene dissipata sotto forma di calore. Qui, Fusella et al. ottimizzato il dispositivo accoppiando l'energia alla modalità plasmone di superficie del catodo OLED. Per realizzare questo, hanno usato un emettitore fosforescente ospitato da un materiale abbreviato come DIC-TRZ, abbreviazione di 2, 4-difenil-6-bis(12-fenilindolo)[2, 3-a]carbazolo-11-il)-1, 3, 5-triazina.
Stack di dispositivi annotati della struttura plasmon NPA. Si noti che gli strati di vetro/ITO e i nanocubi d'argento non sono disegnati in scala mentre gli strati rimanenti sono ridimensionati l'uno rispetto all'altro per fornire una rappresentazione della struttura del dispositivo. Dove ETL:strato di trasporto degli elettroni, HBL:strato di blocco del foro, EML:strato emissivo, EBL:strato di blocco degli elettroni, HTL:strato di trasporto del foro, HIL:strato di iniezione del foro, EIL:strato di iniezione di elettroni. GAP:spazio tra catodo e nanocubi d'argento. Credito:Natura, doi:10.1038/s41586-020-2684-z
Il team ha disaccoppiato la luce disponendo casualmente i nanocubi d'argento separati dal catodo d'argento (Ag) da uno strato dielettrico e ha chiamato il dispositivo antenna nanopatch plasmon (NPA), sebbene i paradigmi di progettazione variassero dall'architettura NPA utilizzata nel lavoro precedente. L'NPA plasmonico sviluppato qui ha ottenuto un aumento della stabilità di quasi tre volte rispetto a un dispositivo di riferimento. L'architettura del dispositivo più sottile del plasmon NPA non ha causato cortocircuiti durante il test di vita e ha ottenuto un notevole miglioramento della stabilità del dispositivo senza perdita di efficienza.
Durata ed efficienza potenziate da Plasmon
Nella configurazione sperimentale, l'antenna plasmon nanopatch (NPA) aveva un anodo trasparente per convertire l'energia accoppiata alla modalità plasmon di superficie del catodo d'argento in fotoni tramite nanocubi d'argento disposti casualmente nella sua architettura per facilitare l'emissione di luce dalla parte superiore del dispositivo. Hanno notato che l'efficienza quantica esterna per la luce emessa dalla parte superiore dell'antenna nanopatch plasmonica è dell'otto percento (8%), mentre lo stesso dispositivo senza nanocubi aveva un'efficienza quantistica esterna di emissione massima (TE EQE) di solo l'uno percento negativo (-1%); evidenziando l'importanza dei nanocubi nell'out-coupling. Fusella et al. progettato intenzionalmente un'architettura con emissione superiore e inferiore simultanea per aiutare l'antenna nanopatch plasmonica a distinguere l'energia accoppiata e diffusa dall'energia che non si accoppia nella modalità plasmonica (emissione inferiore). Quando si traduce questo concetto sperimentale in un dispositivo commerciale, gli scienziati dovranno eliminare qualsiasi emissione di luce dal basso accoppiando tutti gli eccitoni alla modalità plasmone o impiegando un anodo di metallo opaco per riflettere la luce di emissione dal basso verso la parte superiore del dispositivo.
Durata ed efficienza migliorate da Plasmon. (a) Misurazione della stabilità dell'invecchiamento accelerato a una densità di corrente fissa di 80 mA cm-2 per il plasmone NPA (TE), PHOLED standard (BE) e PHOLED sottile EML (BE). (b) Curve EQE del plasmone NPA (TE), PHOLED standard (BE) e PHOLED sottile EML (BE). Il riquadro mostra le curve EQE normalizzate a 0,1 mA cm-2, dimostrando una ridotta efficienza di roll-off per il plasmon NPA. Le rappresentazioni schematiche delle pile di dispositivi vengono visualizzate vicino a ciascuna curva EQE e indicano le variazioni nello spessore e nella posizione EML rispetto al catodo. (c) EL transitorio per il plasmone NPA (TE), PHOLED standard (BE) e PHOLED sottile EML (BE), mostrando una ridotta durata dello stato eccitato per il plasmone NPA. Le linee tratteggiate indicano l'adattamento bi-esponenziale per ciascuna curva. Il transitorio plasmonico non NPA (omesso per chiarezza) è quasi identico a quello del plasmone NPA. Credito:Natura, doi:10.1038/s41586-020-2684-z
Proprietà ottiche dell'antenna plasmon nanopatch (NPA)
Gli scienziati hanno poi studiato la dinamica degli eccitoni all'interno degli strati emissivi dei tre dispositivi studiati nello studio, Compreso:
Di questi, il plasmone NPA ha mantenuto la sua efficienza quantica esterna (EQE) ad alte densità di corrente comparativamente migliori dei dispositivi di riferimento, insieme a tempi di decadimento più brevi e quindi maggiore stabilità. L'architettura del dispositivo dell'NPA plasmonico con nanocubi d'argento da 75 nm separati dal catodo d'argento planare ha contribuito alla sua elevata efficienza quantica esterna. Questa architettura devia dal tipico approccio basato su antenna patch, permettendo l'accoppiamento del plasmone di superficie al catodo d'argento planare, mentre i nanocubi d'argento hanno eseguito l'out-coupling. Il meccanismo ha portato a un miglioramento della velocità della banda larga senza compromettere l'architettura del dispositivo.
Proprietà ottiche misurate e modellate di plasmon NPA. (a) Mappe di intensità del campo elettrico simulate per un dipolo verticale all'interno dell'OLED senza (a sinistra) e con (a destra) un nanocubo d'argento (Ag). Le mappe sono sovrapposte a 0 nm in direzione X. Quando il cubo Ag è presente, c'è un notevole aumento dell'intensità del campo elettrico tra il cubo di Ag e il film di Ag, così come all'angolo del cubo Ag, che è la fonte di radiazione per liberare lo spazio. (b) Grafico dello spettro TE/BE EL (linea continua) per il plasmone NPA, che mostra la forma spettrale dell'out-coupling dell'NPA. Il rapporto TE/BE è compensato per accentuare che lo spettro di emissione intrinseca di Ir(ppy)3 (linea tratteggiata) non è ben allineato con l'out-coupling dell'NPA. (c) TE EQE modellato rispetto alla lunghezza d'onda per un dipolo 20 nm dal catodo Ag con (in alto) e senza (in basso) nanocubi di Ag. L'orientamento del dipolo:verticale (frecce blu), orizzontale (frecce rosse) o isotropico (frecce nere)—è indicato accanto a ciascuna curva EQE. Le curve EQE modellate con nanocubi di Ag sono medie di più simulazioni. Credito:Natura, doi:10.1038/s41586-020-2684-z
Fusella et al. ha quindi utilizzato la modellazione nel dominio del tempo a differenze finite per calcolare l'efficienza quantistica esterna del dispositivo per stimare la sua efficienza finale e ha notato un notevole aumento dei valori previsti dopo aver incluso l'architettura del nanocubo d'argento nella simulazione. I risultati erano in stretto accordo con i risultati sperimentali. Sebbene i risultati modellati per l'efficienza quantistica esterna fossero promettenti, erano ancora notevolmente inferiori a quelli osservati nei lavori precedenti. Il team mira pertanto a riprogettare l'architettura del nanocubo per migliorare l'efficienza dell'out-coupling del dispositivo in studi futuri.
In questo modo, Michael A. Fusella e colleghi hanno mostrato una maggiore stabilità del dispositivo organico a emissione di luce (OLED) migliorando il tasso di decadimento attraverso l'accoppiamento di plasmoni di superficie. Tipicamente, questa strategia è dannosa per le prestazioni complessive del dispositivo, ma in questo caso, la configurazione ha migliorato la stabilità dell'architettura del dispositivo per stabilire percorsi paralleli di sviluppo OLED. Le geometrie del dispositivo completamente ottimizzate consentiranno efficienze quantistiche esterne superiori al 40% con una maggiore stabilità. Il lavoro presenta un nuovo paradigma per la progettazione OLED, aprendo la strada ad applicazioni di pannelli di illuminazione a basso costo e applicazioni ultraveloci e ad alta luminanza.
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