鮑哲南Nature：如何破局全聚合物發光二極管？加聚氨酯！

CYM 1年前 (2022-03-24) 3472瀏覽

【導讀】

近年來，在用于持續監測活動、健康以及疾病早期預防的類皮膚傳感器方面取得了重大進展。用于皮膚的下一代發光顯示器應該具有高柔軟性、可拉伸性和高亮度的特性。對于本質上可拉伸的發光二極管來說，實現高亮度仍然是一個巨大的挑戰。再者，為了將剛性顯示器轉變為可拉伸結構，已經報道了幾種策略，包括在彈性聚合物基質中嵌入剛性納米結構的納米復合材料或應變工程。然而，這些優化策略必須是在犧牲設備性能、可拉伸性或分辨率的前提下進行的。另一方面，本質上可拉伸的聚合物材料即使在高器件密度下仍保持可拉伸性。因此，考慮到其低驅動電壓、高亮度、快速響應時間、長期穩定性和基于解決方案，全聚合物發光二極管（APLEDs）將成為電子皮膚顯示的理想候選者。然而，由于多種原因，尚未實現本質上可拉伸的APLEDs。

首先，大多數共軛聚合物很脆，即使在小于25%的小應變下也會產生大裂紋，從而導致電子性能明顯降低。其次，發光共軛聚合物通常表現出很強的電荷俘獲效應，會嚴重降低電子和空穴電流密度，并且還可能導致非輻射復合。第三，陽極和陰極所需的可拉伸導電聚合物的導電率太低，無法提供高亮度所需的高驅動電流。第四，半導體活性材料和導電聚合物電極之間可能存在能級差，導致電荷注入受阻和驅動電壓高。

【成果掠影】

今日，美國斯坦福大學鮑哲南教授等人（通訊作者）報告了一種實現可拉伸的全聚合物基發光二極管的材料設計策略和制造工藝。使用具有納米限制發光聚合物結構的發光層解決了上述問題，該結構由軟彈性體的自發相分離形成，其發光二極管具有高亮度（7450 cd/m²），電流效率（5.3 cd/A）和可拉伸性（100%的應變）。

具體來說，開發了具有高光致發光的彈性發光層的高性能本征可拉伸APLED，在發光聚合物SuperYellow（SY）中引入軟彈性聚合物聚氨酯（PU），SY和PU之間的極性基團相互作用，有利于在與SY納米纖維均勻共混物中實現均勻分布，以實現最佳的連續電荷傳輸。同時，?SY/PU薄膜的機械性能隨著PU含量的增加，降低了整體薄膜模量，并由于PU和SY之間的自發相分離有助于SY滲透納米纖維結構。此外，發光聚合物與合適的彈性體的均勻共混物可以提高拉伸性和電荷載流子傳輸密度，甚至可以提高電流密度和亮度。隨著PU量的增加，可拉伸性以及每SY單位質量的電子和光學性能增加。使用 50 wt% PU，拉伸性大于100%應變，且具有出色的光學性能。隨著施加的應變增加， PLQE、電荷載流子傳輸密度（電子和空穴）以及亮度和電流密度都增強了。作者將此歸因于聚合物的排列和薄膜在應變下在垂直方向上的致密化，這兩者都有望改善電荷和激子傳輸。

本文制備了紅色、綠色和藍色的可拉伸全聚合物發光二極管，在皮膚上實現了無線供電和脈沖信號的實時顯示。這項工作也標志著高性能可拉伸顯示器取得了長足的進步。相關研究成果以“High-brightness all-polymer stretchable LED with charge-trapping dilution”為題發表在Nature上。本文第一作者為中國留學生張智濤。