Wetenschappers onderzoeken vrije elektronen en de resonante interacties van elektromagnetische golven op het gebied van plasmonica. Echter, de discipline moet nog worden uitgebreid tot grootschalige commerciële toepassingen vanwege het verlies dat gepaard gaat met plasmonische materialen. Terwijl organische lichtemitterende apparaten (OLED's) worden verwerkt in commerciële producten op grote schaal vanwege eigenschappen zoals een goede kleurverzadiging, veelzijdige vormfactor en laag stroomverbruik, hun werkzaamheid en stabiliteit moeten nog worden geoptimaliseerd. Tijdens zijn functie, OLED's accumuleren gelokaliseerde opbouw van langzaam rottende, triplet excitonen en ladingen, die de helderheid van het apparaat geleidelijk verminderen in een "verouderingsproces", wat dan een inbrandeffect op het display kan veroorzaken. Als resultaat, het is belangrijk om de prestaties van de OLED-technologie te verbeteren.

In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op Natuur , Michael A. Fusella en een onderzoeksteam van de Universal Display Corporation U.S. hebben een OLED (organic light emitting device) ontwikkeld met plasmonische vervalsnelheidsverbetering om de stabiliteit van het apparaat te vergroten, ze handhaafden de efficiëntie door een op nanodeeltjes gebaseerd uitkoppelingsschema op te nemen om energie uit de plasmonmodus te halen. Het team gebruikte een archetypische fosforescerende emitter om een ​​tweevoudige toename in functionele stabiliteit te bereiken bij dezelfde helderheid als een conventioneel referentieapparaat en haalde 16 procent van de energie uit de plasmonmodus als licht. De nieuwe aanpak zal de stabiliteit van OLED verbeteren en tegelijkertijd materiaalspecifieke ontwerpbeperkingen vermijden. Mogelijke toepassingen zijn onder meer verlichtingspanelen, en televisie en mobiele displays.

Surface plasmons en plasmon nanopatch antenne (NPA)

Oppervlakteplasmonen zijn collectieve oscillaties van elektronen die zich op het grensvlak van een metaal en de omringende diëlektrische omgeving bevinden. Het fenomeen kan bijdragen aan grote elektrische velden en de vervalsnelheid in grootteorde verbeteren over de zichtbare en nabij-infraroodgebieden voor ideaal gebruik met organische lichtemitterende apparaten (OLED's). Veel werk aan de lopende OLED-ontwikkeling is gericht op het minimaliseren van het uitgedoofde exciton-energieverlies dat wordt afgevoerd als warmte. Hier, Fusella et al. optimaliseerde het apparaat door de energie te koppelen aan de oppervlakteplasmonmodus van de OLED-kathode. Om dit te bereiken, ze gebruikten een fosforescerende zender gehost door een materiaal afgekort als DIC-TRZ, kort voor 2, 4-difenyl-6-bis(12-fenylindolo)[2, 3-a]carbazool-11-yl)-1, 3, 5-triazine.

Het team koppelde het licht te slim af door willekeurig zilveren nanokubussen te rangschikken, gescheiden van de zilveren (Ag) kathode door een diëlektrische laag en noemde het apparaat de plasmon nanopatch-antenne (NPA), hoewel de ontwerpparadigma's verschilden van de NPA-architectuur die in eerder werk werd gebruikt. Het hier ontwikkelde plasmon-NPA bereikte een bijna drievoudige stabiliteitstoename in vergelijking met een referentieapparaat. De dunnere apparaatarchitectuur van de plasmon NPA veroorzaakte geen kortsluiting tijdens de levensduurtest en zorgde voor een dramatische verbetering van de stabiliteit van het apparaat zonder verlies van efficiëntie.

Plasmon-verbeterde levensduur en efficiëntie

In de proefopstelling is de plasmon nanopatch-antenne (NPA) had een transparante anode om energie die is gekoppeld aan de oppervlakteplasmonmodus van de zilveren kathode om te zetten in fotonen via willekeurig gerangschikte zilveren nanokubussen in de architectuur om de lichtemissie vanaf de bovenkant van het apparaat te vergemakkelijken. Ze merkten op dat de externe kwantumefficiëntie voor het licht dat wordt uitgestraald vanaf de bovenkant van de plasmon nanopatch-antenne acht procent (8%) is. terwijl hetzelfde apparaat zonder nanokubussen een topemissie-externe kwantumefficiëntie (TE EQE) had van slechts één procent negatief (-1%); benadrukt het belang van nanocubes bij uitkoppeling. Fusella et al. heeft opzettelijk een architectuur ontworpen met gelijktijdige boven- en onderemissie om de plasmon nanopatch-antenne te helpen onderscheid te maken tussen de energie die is ingekoppeld en uitgestrooid van energie die niet in de plasmon-modus wordt gekoppeld (onderste emissie). Bij het vertalen van dit experimentele concept naar een commercieel apparaat, wetenschappers zullen elk emissielicht via de bodem moeten elimineren door alle excitonen te koppelen aan de plasmonmodus of door een ondoorzichtige metalen anode te gebruiken om het onderste emissielicht terug naar de bovenkant van het apparaat te reflecteren.

Optische eigenschappen van de plasmon nanopatch antenne (NPA)

De wetenschappers onderzochten vervolgens de excitondynamiek in de emitterende lagen van de drie apparaten die in het onderzoek werden onderzocht, inclusief:

1. plasmon nanopatch-antenne (NPA)
2. standaard organisch lichtgevend apparaat met organische fosforen (PHOLED)
3. een dunne emitterende laag PHOLED

Van deze, de plasmon-NPA behield zijn externe kwantumefficiëntie (EQE) bij hoge stroomdichtheden relatief beter dan de referentie-apparaten, naast een kortere vervaltijd en dus een grotere stabiliteit. De apparaatarchitectuur van de plasmon NPA met 75-nm zilveren nanokubussen gescheiden van de vlakke zilverkathode droeg bij aan de hoge externe kwantumefficiëntie. Deze architectuur week af van de typische patch-antenne-gebaseerde benadering, waardoor oppervlakteplasmonkoppeling aan de vlakke zilveren kathode mogelijk is, terwijl de zilveren nanokubussen uitkoppeling uitvoerden. Het mechanisme resulteerde in een verbetering van de breedbandsnelheid zonder afbreuk te doen aan de architectuur van het apparaat.

Fusella et al. gebruikte vervolgens eindige-verschil tijdsdomeinmodellering om de externe kwantumefficiëntie van het apparaat te berekenen om de uiteindelijke efficiëntie te schatten en merkte een aanzienlijke toename van de voorspelde waarden op na het opnemen van de zilveren nanokubusarchitectuur in de simulatie. De resultaten kwamen goed overeen met de experimentele resultaten. Hoewel de resultaten gemodelleerd voor externe kwantumefficiëntie veelbelovend waren, ze waren nog steeds aanzienlijk lager dan die waargenomen in eerder werk. Het team streeft er daarom naar om de nanocube-architectuur opnieuw te ontwerpen om de uitkoppelingsefficiëntie van het apparaat in toekomstige studies te verbeteren.

Op deze manier, Michael A. Fusella en collega's toonden verbeterde stabiliteit van organische lichtemitterende apparaten (OLED) door de vervalsnelheid door oppervlakteplasmonkoppeling te verbeteren. Typisch, deze strategie is nadelig voor de algehele prestaties van het apparaat, maar in dit geval de opstelling verbeterde de stabiliteit van de apparaatarchitectuur om parallelle paden van OLED-ontwikkeling tot stand te brengen. De volledig geoptimaliseerde apparaatgeometrieën zullen externe kwantumefficiënties van meer dan 40 procent met grotere stabiliteit mogelijk maken. Het werk presenteert een nieuw paradigma voor OLED-ontwerp, de weg vrijmaken voor goedkope verlichtingspaneeltoepassingen en ultrasnelle en hoge luminantietoepassingen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk