Diagrama de dispositivo plasmônico e morfologia de nanocubos. (a) Esquema do NPA de plasmon, com as espessuras de camada relevantes anotadas. A posição e largura EML dentro do OLED são indicadas pela linha verde. As estruturas químicas dos componentes EML, hospedeiro (DIC-TRZ) e emissor (Ir (ppy) 3), também são apresentados. (b) Micrografia de força atômica de nanocubos de Ag girados na parte superior do OLED. A fração de preenchimento de cubos de Ag é de 15%, com um espaçamento de centro a centro de ~ 200 nm. ITO, óxido de índio e estanho. Crédito:Natureza, doi:10.1038 / s41586-020-2684-z
Os cientistas investigam os elétrons livres e as interações ressonantes das ondas eletromagnéticas no campo da plasmônica. Contudo, a disciplina ainda precisa ser estendida a aplicações comerciais em grande escala devido à perda associada a materiais plasmônicos. Embora os dispositivos orgânicos emissores de luz (OLEDs) sejam incorporados em produtos comerciais em grande escala devido a propriedades como boa saturação de cor, fator de forma versátil e baixo consumo de energia, sua eficácia e estabilidade ainda precisam ser otimizadas. Durante sua função, OLEDs acumulam acúmulo localizado de decadência lenta, excitons e cargas trigêmeos, que reduzem gradualmente o brilho do dispositivo em um processo de "envelhecimento", o que pode então causar um efeito de queima na tela. Como resultado, é importante melhorar o desempenho da tecnologia OLED.
Em um novo relatório agora publicado em Natureza , Michael A. Fusella e uma equipe de pesquisa da Universal Display Corporation nos EUA desenvolveram um OLED (dispositivo emissor de luz orgânica) com aumento da taxa de decaimento plasmônico para aumentar a estabilidade do dispositivo, eles mantiveram a eficiência incluindo um esquema de acoplamento externo baseado em nanopartículas para extrair energia do modo plasmon. A equipe usou um emissor fosforescente arquetípico para atingir um aumento de duas vezes na estabilidade funcional com o mesmo brilho de um dispositivo convencional de referência e extraiu 16 por cento da energia do modo plasmon como luz. A nova abordagem melhorará a estabilidade do OLED, evitando as limitações de design específicas do material. As possíveis aplicações incluem painéis de iluminação, e telas de televisão e móveis.
Plasmões de superfície e antena nanopatch de plasmon (NPA)
Os plasmons de superfície são oscilações coletivas de elétrons que residem na interface de um metal e o ambiente dielétrico circundante. O fenômeno pode contribuir para grandes campos elétricos e melhorar a taxa de decaimento em ordens de magnitude nas regiões visível e próximo ao infravermelho para uso ideal com dispositivos orgânicos emissores de luz (OLEDs). Muito trabalho no desenvolvimento contínuo de OLEDs concentra-se em minimizar a perda de energia do exciton extinta que é dissipada como calor. Aqui, Fusella et al. otimizou o dispositivo acoplando a energia ao modo de plasma de superfície do cátodo de OLED. Para conseguir isso, eles usaram um emissor fosforescente hospedado por um material abreviado como DIC-TRZ, abreviação de 2, 4-difenil-6-bis (12-fenilindolo) [2, 3-a] carbazol-11-il) -1, 3, 5-triazina.
Pilha de dispositivos anotados da estrutura NPA de plasmon. Observe que as camadas de vidro / ITO e os nanocubos de prata não são desenhados em escala, enquanto as camadas restantes são dimensionadas umas em relação às outras para fornecer uma representação da estrutura do dispositivo. Onde ETL:camada de transporte de elétrons, HBL:camada de bloqueio de orifício, EML:camada emissiva, EBL:camada de bloqueio de elétrons, HTL:camada de transporte do buraco, HIL:camada de injeção de orifício, EIL:camada de injeção de elétrons. GAP:espaço entre o cátodo e os nanocubos de prata. Crédito:Natureza, doi:10.1038 / s41586-020-2684-z
A equipe acoplou a luz ao organizar aleatoriamente nanocubos de prata separados do cátodo de prata (Ag) por uma camada dielétrica e nomeou o dispositivo de antena nanopatch de plasmon (NPA), embora os paradigmas de design variem da arquitetura NPA usada em trabalhos anteriores. O plasmon NPA desenvolvido aqui alcançou um aumento de estabilidade de quase três vezes em comparação com um dispositivo de referência. A arquitetura de dispositivo mais fina do NPA de plasmon não causou curto-circuito durante o teste de vida e alcançou um aprimoramento dramático da estabilidade do dispositivo sem perda de eficiência.
Vida útil e eficiência aprimoradas com plasma
Na configuração experimental, a antena nanopatch de plasmon (NPA) tinha um ânodo transparente para converter a energia acoplada ao modo de plasmon de superfície do cátodo de prata em fótons por meio de nanocubos de prata dispostos aleatoriamente em sua arquitetura para facilitar a emissão de luz da parte superior do dispositivo. Eles observaram que a eficiência quântica externa para a luz emitida pela parte superior da antena nanopatch de plasmon é de oito por cento (8%), enquanto o mesmo dispositivo sem nanocubos teve uma eficiência quântica externa de emissão superior (TE EQE) de apenas um por cento negativo (-1%); destacando a importância dos nanocubos no acoplamento externo. Fusella et al. projetou intencionalmente uma arquitetura com emissão superior e inferior simultâneas para ajudar a antena nanopatch de plasmon a distinguir a energia acoplada e espalhada da energia que não se acopla no modo plasmon (emissão inferior). Ao traduzir este conceito experimental para um dispositivo comercial, os cientistas precisarão eliminar qualquer emissão de luz de fundo acoplando todos os excitons ao modo plasmon ou empregando um ânodo de metal opaco para refletir a luz de emissão de fundo de volta para a parte superior do dispositivo.
Vida útil e eficiência aprimoradas com plasma. (a) Medição de estabilidade de envelhecimento acelerado a uma densidade de corrente fixa de 80 mA cm-2 para o plasmon NPA (TE), padrão PHOLED (BE) e thin-EML PHOLED (BE). (b) curvas EQE do plasmon NPA (TE), padrão PHOLED (BE) e thin-EML PHOLED (BE). A inserção mostra as curvas EQE normalizadas em 0,1 mA cm − 2, demonstrando eficiência reduzida roll-off para o plasmon NPA. Representações esquemáticas das pilhas de dispositivos são exibidas perto de cada curva EQE e indicam variações na espessura EML e posição em relação ao cátodo. (c) EL transiente para o plasmon NPA (TE), padrão PHOLED (BE) e thin-EML PHOLED (BE), mostrando tempo de vida em estado excitado reduzido para o NPA de plasmon. As linhas tracejadas marcam o ajuste bi-exponencial para cada curva. O transiente não-NPA do plasmon (omitido para maior clareza) é quase idêntico ao do NPA do plasmon. Crédito:Natureza, doi:10.1038 / s41586-020-2684-z
Propriedades ópticas da antena nanopatch de plasmon (NPA)
Os cientistas investigaram a seguir a dinâmica do exciton dentro das camadas emissivas dos três dispositivos investigados no estudo, Incluindo:
Destes, o plasmon NPA manteve sua eficiência quântica externa (EQE) em altas densidades de corrente comparativamente melhor do que os dispositivos de referência, ao lado de menor tempo de decaimento e, portanto, maior estabilidade. A arquitetura do dispositivo do NPA de plasmon com nanocubos de prata de 75 nm separados do cátodo de prata planar contribuiu para sua alta eficiência quântica externa. Esta arquitetura desviou-se da abordagem típica baseada em antenas de patch, permitindo o acoplamento de plasmon de superfície ao cátodo de prata planar, enquanto os nanocubos de prata realizaram acoplamento externo. O mecanismo resultou no aumento da taxa de banda larga sem comprometer a arquitetura do dispositivo.
Propriedades ópticas medidas e modeladas de plasmon NPA. (a) Mapas de intensidade de campo elétrico simulado para um dipolo vertical dentro do OLED sem (esquerda) e com (direita) um nanocubo de prata (Ag). Os mapas são sobrepostos a 0 nm na direção X. Quando o cubo Ag está presente, há um aumento considerável na intensidade do campo elétrico entre o cubo Ag e o filme Ag, bem como no canto do cubo Ag, que é a fonte de radiação para o espaço livre. (b) Gráfico do espectro TE / BE EL (linha sólida) para o plasmon NPA, mostrando a forma espectral do acoplamento externo do NPA. A razão TE / BE é compensada para acentuar que o espectro de emissão intrínseca de Ir (ppy) 3 (linha tracejada) não está bem alinhado com o acoplamento externo NPA. (c) TE EQE modelado versus comprimento de onda para um dipolo 20 nm do cátodo de Ag com (superior) e sem (inferior) nanocubos de Ag. A orientação do dipolo - vertical (setas azuis), horizontal (setas vermelhas) ou isotrópico (setas pretas) - é indicado ao lado de cada curva EQE. As curvas EQE modeladas com nanocubos de Ag são médias de múltiplas simulações. Crédito:Natureza, doi:10.1038 / s41586-020-2684-z
Fusella et al. em seguida, usou modelagem de domínio de tempo de diferença finita para calcular a eficiência quântica externa do dispositivo para estimar sua eficiência final e notou um aumento considerável nos valores previstos após incluir a arquitetura de nanocubo de prata na simulação. Os resultados estavam de acordo com os resultados experimentais. Embora os resultados modelados para eficiência quântica externa fossem promissores, eles ainda eram consideravelmente mais baixos do que os observados em trabalhos anteriores. A equipe, portanto, visa redesenhar a arquitetura do nanocubo para aumentar a eficiência de acoplamento externo do dispositivo em estudos futuros.
Desta maneira, Michael A. Fusella e colegas mostraram estabilidade aprimorada do dispositivo orgânico emissor de luz (OLED), melhorando a taxa de decaimento por meio do acoplamento de plasmon de superfície. Tipicamente, esta estratégia é prejudicial para o desempenho geral do dispositivo, mas neste caso, a configuração melhorou a estabilidade da arquitetura do dispositivo para estabelecer caminhos paralelos de desenvolvimento de OLED. As geometrias de dispositivo totalmente otimizadas permitirão eficiências quânticas externas superiores a 40 por cento com maior estabilidade. O trabalho apresenta um novo paradigma para o design OLED, pavimentando o caminho para aplicações de painel de iluminação de baixo custo e aplicações ultrarrápidas e de alta luminância.
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