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黃維(左)、孟鴻(中)和紀君朋在實驗室交流項目進展。北京大學供圖

柔性電子是近年來全球?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究開發(fā)熱點。其中，電致發(fā)光器件起步最早，具有非常廣泛的應用前景。然而，電致發(fā)光器件大多功能單一，封閉的器件結(jié)構(gòu)導致傳感功能難以集成，進而難以滿足泛物聯(lián)網(wǎng)時代對發(fā)光器件智能性的新要求。

此外，電致發(fā)光器件大多采用直流電或單相交流電驅(qū)動，這也導致電致發(fā)光器件無法直接接入三相電網(wǎng)，且需要復雜的后端電路，造成新的能源消耗并增加運行成本。

日前，由中國科學院院士、西北工業(yè)大學柔性電子前沿科學中心首席科學家黃維領(lǐng)銜團隊聯(lián)合北京大學深圳研究生院教授孟鴻課題組，創(chuàng)造了全球首個由三相交流電驅(qū)動的電致發(fā)光器件，同時成功賦予該器件開放式傳感接口，可滿足多種智能傳感功能需要。這一原始創(chuàng)新成果在線發(fā)表于《自然—通訊》。

突破瓶頸

傳統(tǒng)“三明治型”疊層結(jié)構(gòu)給柔性電子帶來極富挑戰(zhàn)性的本征難題。

應用在柔性電子中的傳統(tǒng)光電器件，無論是無機發(fā)光、有機發(fā)光，還是量子點和鈣鈦礦發(fā)光二極管，都是“三明治型”疊層結(jié)構(gòu)，需要在功能層兩側(cè)夾兩個電極。為了保證發(fā)射或吸收光，其中至少一個電極必須透明。

這給行業(yè)發(fā)展造成瓶頸。論文通訊作者黃維告訴《中國科學報》，“首先，透明電極成本高，是整個器件成本構(gòu)成的主要部分。其次，人們不斷對電子設(shè)備提出可拉伸、可折疊等更高要求，而電極透明性需求會大大縮小電極可選擇范圍，限制了在未來智能可穿戴應用中的發(fā)展。第三，上下電極堆疊形成封閉器件結(jié)構(gòu)，難以直接集成傳感模塊，實現(xiàn)傳感和人機交互功能?！?/p>

為解決這一世界性難題，在黃維指導下，孟鴻課題組于2014年成功實現(xiàn)了共平面電極新型電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)構(gòu)思，并于2015年申請相關(guān)國際專利。

孟鴻告訴記者，“這種結(jié)構(gòu)的電致發(fā)光器件可采用任何材料作為基底，使用任意穩(wěn)定導體作為電極，無需使用價格高昂且制備工藝復雜的透明導體電極。此外，這種新型結(jié)構(gòu)不僅工藝簡單，利于大規(guī)模制造，更重要的是，與傳統(tǒng)發(fā)光器件相比，一對電極排列的方式不再是相互堆疊而是并排分布。正是這種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，創(chuàng)造了遠程遙感發(fā)光的發(fā)光器件，并有望實現(xiàn)智能發(fā)光的廣泛應用。”

時至今日，電致發(fā)光器件已由只有一個發(fā)光單元的“三明治型”結(jié)構(gòu)拓展到具有兩個發(fā)光單元的共平面電極型結(jié)構(gòu)。

基于共平面電極的新型電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，是否可以進一步將電致發(fā)光器件的發(fā)光單元拓展到3個甚至更多，以在照明、顯示、傳感等多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更多具有獨特吸引力的應用？這正是科研人員亟待解決的問題。

以簡馭繁

如何用簡單方法實現(xiàn)電致發(fā)光器件直接由三相交流電驅(qū)動呢？黃維團隊構(gòu)筑了一種具有柔性和多功能的三相電驅(qū)動電致發(fā)光器件(TPEL)。

“這是世界上首次報道由三相交流電直接驅(qū)動的電致發(fā)光器件?！泵哮櫧榻B說，該器件結(jié)構(gòu)包括3個獨立電極，在每個輸入電極頂部均涂有介電層和發(fā)光層。它不需要透明導電材料作為電力輸入電極，當頂部發(fā)光層被極性電橋連接時就會發(fā)光。電橋介電常數(shù)、偶極矩和黏度均可以影響交流電致發(fā)光器件性能。然而，電橋?qū)щ娦詫ζ骷阅懿⒉划a(chǎn)生直接影響，甚至可以使用絕緣材料代替昂貴的透明電極。

此外，獨特的器件結(jié)構(gòu)和外耦合的極性電橋也使TPEL器件具有多種應用功能。

道生一，一生二，二生三，三生萬物。論文第一作者、北京大學碩士生紀君朋進一步介紹說，“古代哲學家老子所說的三生萬物很適合用來描述全彩顯示領(lǐng)域，因為使用三原色就可以在調(diào)色板上創(chuàng)造出任何顏色。由于TPEL器件有3個發(fā)光單元，可以設(shè)計器件結(jié)構(gòu)使3個發(fā)光單元分別發(fā)射紅光、綠光和藍光，即一個器件發(fā)出3種不同顏色，實現(xiàn)像素功能?！?/p>

另外，團隊將三相電直接驅(qū)動的概念擴展到有機發(fā)光器件，制備了三相電驅(qū)動的有機發(fā)光器件。雖然并沒有專門針對新型結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化以實現(xiàn)最高器件性能，但與無機TPEL器件相比，所制備的有機器件達到了更高的亮度(最高6601 cd/m2)和電流效率(最高16.2 cd/A)，證實了三相電的驅(qū)動方法廣泛適用于各種發(fā)光材料。

未來可期

研究團隊還為記者演示了一種多功能柔性TPEL面板。為制備大面積照明面板，他們設(shè)計了適用于三相電驅(qū)動的特殊叉指電極結(jié)構(gòu)。由三相電直接驅(qū)動的大面積發(fā)光面板不僅適用于一般固態(tài)照明，也可用于交互性顯示和傳感等。

例如，可交互重寫的顯示面板：使用蘸水毛筆就可以在面板上任意書寫，來自筆刷的水作為極性電橋，只有被墨水覆蓋的部分會發(fā)光。與其他交互式可重寫顯示器不同，TPEL面板不僅由三相電源驅(qū)動，而且不需要特殊的導電和透明材料，也不需要復雜的壓力傳感系統(tǒng)和后端電路。

TPEL面板還可以作為傳感面板直接連接到220V、50Hz遠距離三相輸電線上。紀君朋介紹說，“幾乎所有威脅電力線路安全的因素，如雨、雪、凍雨、冰積或極端潮濕環(huán)境，都可以通過連接TPEL面板檢測到，并遠程發(fā)出光報警。當電力線出現(xiàn)異常，如相位丟失或三相電壓不平衡，TPEL面板也可以作為傳感器進行遠程光通信?！?/p>

談及未來科研規(guī)劃，孟鴻表示：“我們也在嘗試使用熱活化延遲熒光材料、聚合物發(fā)光材料、鈣鈦礦量子點發(fā)光材料等更多新興材料作為共平面電極新型結(jié)構(gòu)器件的發(fā)光層材料，使用多樣化發(fā)光材料體系將給這種新型器件結(jié)構(gòu)帶來更加多樣化的應用，已經(jīng)取得的相關(guān)研究成果將陸續(xù)發(fā)表?！?/p>

“多樣化外耦合極性電橋?qū)⒔o新型電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)帶來更多潛在應用，例如將腦神經(jīng)信號施加到開放極性電橋上形成具有傳感顯示功能的腦機接口。”黃維對該成果的應用充滿信心。

“外耦合極性電橋共平面電致發(fā)光器件和可穿戴顯示技術(shù)結(jié)合，有望實現(xiàn)人體機能傳感和顯示器件無縫融合，在智能傳感領(lǐng)域擁有更廣闊的潛在應用前景。今后課題組也將致力于開發(fā)該類型器件的更多應用場景?！秉S維說。