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更多>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學術界和產(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,封閉的器件結構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”疊層結構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”疊層結構,需要在功能層兩側夾兩個電極。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,是整個器件成本構成的主要部分。其次,人們不斷對電子設備提出可拉伸、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構,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)光器件結構構思,并于2015年申請相關國際專利。
孟鴻告訴記者,“這種結構的電致發(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,這種新型結構不僅工藝簡單,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。正是這種結構優(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?!?/p>
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”結構拓展到具有兩個發(fā)光單元的共平面電極型結構。
基于共平面電極的新型電致發(fā)光器件結構,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、傳感等多領域實現(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動呢?黃維團隊構筑了一種具有柔性和多功能的三相電驅動電致發(fā)光器件(TPEL)。
“這是世界上首次報道由三相交流電直接驅動的電致發(fā)光器件?!泵哮櫧榻B說,該器件結構包括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,電橋導電性對器件性能并不產(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,獨特的器件結構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域,因為使用三原色就可以在調色板上創(chuàng)造出任何顏色。由于TPEL器件有3個發(fā)光單元,可以設計器件結構使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。”
另外,團隊將三相電直接驅動的概念擴展到有機發(fā)光器件,制備了三相電驅動的有機發(fā)光器件。雖然并沒有專門針對新型結構進行優(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,他們設計了適用于三相電驅動的特殊叉指電極結構。由三相電直接驅動的大面積發(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構器件的發(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構帶來更加多樣化的應用,已經(jīng)取得的相關研究成果將陸續(xù)發(fā)表?!?/p>
“多樣化外耦合極性電橋將給新型電致發(fā)光器件結構帶來更多潛在應用,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?!秉S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結合,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。