Nat. Commun.：一種無襯底、柔性、防水的有機發光二極管

【研究背景】

有機半導體的獨特性質，特別是其非晶態和機械柔韌的特性，使得各種柔性光電器件得以應用。除了在顯示器上的應用外，柔性有機發光二極管還提供了許多有前途的新應用，其中保形集成或抗機械變形的彈性是必不可少的，例如，對于可穿戴和生物醫學設備。在所有這些情況下，超薄的外形非常適合于減少重量和體積，實現最終的機械柔韌性和舒適性，并且重要的是，在彎曲和折疊時將設備中的機械應變最小化。超薄有機電致發光元件具有令人印象深刻的靈活性，但對于這種超薄器件，在環境或甚至是水的條件下還沒有實現穩定的操作，在空氣中的壽命通常只有幾十小時。制造可靠的柔性有機發光二極管的主要挑戰是有機半導體對水分和氧氣的極度敏感。為了防止器件快速退化，需要一種薄膜封裝（TFE），這種封裝既靈活又能提供堅固的密封。TFE沉積過程中或彎曲設備時可能形成的微觀針孔或微裂紋會導致設備快速失效。這種情況對于OLED的未來生物醫學應用尤其具有挑戰性，因為這些應用經常需要生物植入，因此需要對水環境具有抵抗力。

【成果簡介】

近日，英國圣安德魯斯大學Malte C. Gather教授展示了一種高效且穩定的有機發光二極管，其總厚度為?≈?12?μm，可完全浸入水中或細胞營養液中數周而不會發生實質性降解。金屬氧化物層是通過化學反應層和活性層之間的交替沉積形成的。這些屏障也使OLED在反復彎曲和廣泛的后處理方面具有穩定性，例如通過活性氣體等離子體、有機溶劑和光刻技術。這種前所未有的健壯性為超薄OLED開辟了一個廣闊的新領域。該文章近日以題為“A substrateless, flexible, and water-resistant organic light-emitting diode”發表在知名期刊Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖一、柔性、無襯底有機電致發光器件，具有防水、混合TFE屏障

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（a）在中性平面（中間）有活動層的堆疊結構示意圖。所使用的紅色發光的p-i-n OLED堆棧的結構（左）。TFE屏障層組成（右）。

（b）具有P/N/P/N低TFE屏障的柔性OLED的照片。

（c）不同下部TFE屏障層的裸頂表面和顯示級玻璃（上一行）的AFM形貌圖像，以及沉積20nm厚的半透明銀陽極（下一行）后相同樣品的AFM形貌圖像。

（d）三個較低TFE勢壘的透射光譜。

圖二、角度分辨EL光譜和效率表征

（a）具有不同較低TFE勢壘的亞層有機電致發光器件的正規化、角度分辨的電致發光光譜的二維圖和顯示級玻璃上的剛性參考器件。

（b）同一器件的電流密度（實線）和亮度（虛線）對電壓的關系。

（c-d）OLED的外部量子效率和功率效率。

圖三、柔性OLED在空氣中和水性環境中的穩定性

（a）不同TFE勢壘的柔性OLED在空氣中儲存不同時間后的亮度-電壓特性。

（b）在空中放置70天后在柔性OLED的照片。

（c）在去離子水中操作的P/N/P/N設備的照片。

（d）具有不同TFE屏障的柔性OLED在去離子水中存儲和操作時，在固定電壓（3.5 V）下亮度隨時間的變化。

（e）P/N/P/N器件在1×PBS溶液（室溫）和細胞培養基（37℃、5%CO2和99%相對濕度的大氣中）在固定電壓（3.5?V）下的電流密度變化。

圖四、OLED彎曲性能的穩定性

（a）彎曲至越來越小的彎曲半徑r_b后，3.3?V下的電流密度。

（b）折疊在剃須刀刀片周圍的柔性OLED照片。

（c）經過數千次反復彎曲循環后，P/N/P/N器件的電流密度和亮度與電壓的關系。

（d）3.3?V下的電流密度和亮度與施加的彎曲循環次數（彎曲半徑為1.5?mm）的關系。

圖五、等離子體刻蝕TFE勢壘的粗糙化及其對光輸出耦合的影響

（a）具有TFE勢壘的柔性頂發射OLED的堆疊結構。

（b）原始parylene-C表面的AFM形貌圖像。

（c）用與b中相同比例尺的RIE粗化后的同一表面形貌。

（d）原始OLED和RIE處理后的電流密度與電壓特性。

（e）原始OLED的標準化、角度分辨EL光譜的二維圖。

（f）RIE處理的OLED的標準化、角度分辨EL光譜的二維圖。

（g）OLED與未經稀土處理的TFE層的功率效率比較。

【結論展望】

綜上所述，作者開發的無襯底OLED的堅固性、極端的外形尺寸和機械靈活性為未來的許多應用開辟了可能性。例如，它們可能被層壓或粘貼到工作表面、包裝和衣物上，在這些地方它們可以用作自發射指示器和標簽，不會給產品增加顯著的重量和體積。該設備在高濕度和水中的穩定性使其適用于需要皮膚接觸的可穿戴應用，并用作生物醫學研究中的植入物；對于后者，特別感興趣的是通過光遺傳學將其用于有針對性的光刺激和神經元活動的光學記錄。最后，對于超薄有機電致發光器件而言，TFE屏障對惡劣工藝條件（包括反應性氣體等離子體、光刻膠和有機溶劑）的魯棒性是前所未有的。它為后處理提供了很有吸引力的機會，例如，通過干法蝕刻到OLED表面來定義其微結構，或對沉積在器件上的附加層進行光刻圖案。

文獻鏈接：A substrateless, flexible, and water-resistant organic light-emitting diode (Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-20016-3)

本文由大兵哥供稿。

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