Schéma du dispositif plasmonique et morphologie du nanocube. (a) Schéma du plasmon NPA, avec les épaisseurs de couche pertinentes annotées. La position et la largeur de l'EML dans l'OLED sont indiquées par la ligne verte. Les structures chimiques des composants EML, hôte (DIC-TRZ) et émetteur (Ir(ppy)3), sont également présentés. (b) Micrographie à force atomique de nanocubes d'Ag filés au-dessus de l'OLED. La fraction de remplissage des cubes Ag est de 15%, avec un espacement de centre à centre de ~200 nm. ITO, l'oxyde d'étain indium. Crédit :Nature, doi:10.1038/s41586-020-2684-z
Les scientifiques étudient les électrons libres et les interactions résonantes des ondes électromagnétiques dans le domaine de la plasmonique. Cependant, la discipline reste encore à étendre aux applications commerciales à grande échelle en raison des pertes associées aux matériaux plasmoniques. Alors que les dispositifs électroluminescents organiques (OLED) sont incorporés dans les produits commerciaux à grande échelle en raison de propriétés telles qu'une bonne saturation des couleurs, facteur de forme polyvalent et faible consommation d'énergie, leur efficacité et leur stabilité restent à optimiser. Au cours de sa fonction, Les OLED accumulent une accumulation localisée de décroissance lente, excitons et charges triples, qui réduisent progressivement la luminosité de l'appareil dans un processus de "vieillissement", ce qui peut alors provoquer un effet de brûlure sur l'écran. Par conséquent, il est important d'améliorer les performances de la technologie OLED.
Dans un nouveau rapport maintenant publié le La nature , Michael A. Fusella et une équipe de recherche de l'Universal Display Corporation aux États-Unis ont développé un OLED (dispositif électroluminescent organique) avec amélioration du taux de décroissance plasmonique pour augmenter la stabilité de l'appareil, ils ont maintenu l'efficacité en incluant un schéma de couplage de sortie à base de nanoparticules pour extraire l'énergie du mode plasmon. L'équipe a utilisé un émetteur phosphorescent archétypal pour obtenir une stabilité fonctionnelle multipliée par deux avec la même luminosité qu'un appareil conventionnel de référence et a extrait 16 pour cent de l'énergie du mode plasmon sous forme de lumière. La nouvelle approche améliorera la stabilité de l'OLED tout en évitant les limitations de conception spécifiques aux matériaux. Les applications possibles incluent les panneaux d'éclairage, et la télévision et les écrans mobiles.
Plasmons de surface et antenne nanopatch à plasmons (NPA)
Les plasmons de surface sont des oscillations collectives d'électrons qui résident à l'interface d'un métal et de l'environnement diélectrique environnant. Le phénomène peut contribuer à de grands champs électriques et améliorer le taux de décroissance en ordres de grandeur dans les régions visible et proche infrarouge pour une utilisation idéale avec des dispositifs électroluminescents organiques (OLED). De nombreux travaux sur le développement OLED en cours se concentrent sur la minimisation de la perte d'énergie des excitons éteints qui est dissipée sous forme de chaleur. Ici, Fusella et al. optimisé le dispositif en couplant l'énergie au mode plasmon de surface de la cathode OLED. Pour y parvenir, ils ont utilisé un émetteur phosphorescent hébergé par un matériau abrégé en DIC-TRZ, court pour 2, 4-diphényl-6-bis(12-phénylindolo)[2, 3-a]carbazole-11-yl)-1, 3, 5-triazine.
Pile de périphériques annotée de la structure plasmon NPA. Notez que les couches de verre/ITO et les nanocubes d'argent ne sont pas dessinés à l'échelle tandis que les couches restantes sont mises à l'échelle les unes par rapport aux autres pour fournir une représentation de la structure du dispositif. Où ETL :couche de transport d'électrons, HBL :couche de blocage des trous, EML :couche émissive, EBL :couche de blocage d'électrons, HTL :couche de transport de trous, HIL :couche d'injection de trous, EIL :couche d'injection d'électrons. GAP :espace entre la cathode et les nanocubes d'argent. Crédit :Nature, doi:10.1038/s41586-020-2684-z
L'équipe a couplé la lumière en disposant au hasard des nanocubes d'argent séparés de la cathode d'argent (Ag) par une couche diélectrique et a nommé l'appareil l'antenne nanopatch plasmon (NPA), bien que les paradigmes de conception aient varié par rapport à l'architecture NPA utilisée dans les travaux précédents. Le plasmon NPA développé ici a atteint une stabilité presque multipliée par trois par rapport à un dispositif de référence. L'architecture de dispositif plus mince du plasmon NPA n'a pas provoqué de court-circuit pendant le test de durée de vie et a permis d'améliorer considérablement la stabilité du dispositif sans perte d'efficacité.
Durée de vie et efficacité améliorées par le plasmon
Dans le montage expérimental, l'antenne plasmon nanopatch (NPA) avait une anode transparente pour convertir l'énergie couplée au mode plasmon de surface de la cathode d'argent en photons via des nanocubes d'argent disposés de manière aléatoire dans son architecture pour faciliter l'émission de lumière par le haut de l'appareil. Ils ont noté que l'efficacité quantique externe de la lumière émise par le haut de l'antenne nanopatch plasmon était de huit pour cent (8 %), tandis que le même appareil sans nanocubes avait une efficacité quantique externe d'émission maximale (TE EQE) de seulement moins un pour cent (-1 %); soulignant l'importance des nanocubes dans le couplage. Fusella et al. a intentionnellement conçu une architecture avec une émission supérieure et inférieure simultanée pour aider l'antenne nanopatch plasmon à distinguer l'énergie couplée et diffusée de l'énergie qui ne se couple pas dans le mode plasmon (émission inférieure). Lors de la traduction de ce concept expérimental en un dispositif commercial, les scientifiques devront éliminer toute lumière d'émission inférieure en couplant tous les excitons au mode plasmon ou en utilisant une anode métallique opaque pour refléter la lumière d'émission inférieure vers le haut de l'appareil.
Durée de vie et efficacité améliorées par Plasmon. (a) Mesure de stabilité au vieillissement accéléré à une densité de courant fixe de 80 mA cm−2 pour le plasmon NPA (TE), PHOLED standard (BE) et PHOLED EML mince (BE). (b) Courbes EQE du plasmon NPA (TE), PHOLED standard (BE) et PHOLED EML mince (BE). L'encart montre les courbes EQE normalisées à 0,1 mA cm-2, démontrant une diminution de l'efficacité pour le plasmon NPA. Des représentations schématiques des piles de dispositifs sont affichées près de chaque courbe EQE et indiquent les variations de l'épaisseur et de la position EML par rapport à la cathode. (c) EL transitoire pour le plasmon NPA (TE), PHOLED standard (BE) et PHOLED EML mince (BE), montrant une durée de vie réduite à l'état excité pour le plasmon NPA. Les lignes pointillées marquent l'ajustement bi-exponentiel pour chaque courbe. Le transitoire plasmon non-NPA (omis pour plus de clarté) est presque identique à celui du plasmon NPA. Crédit :Nature, doi:10.1038/s41586-020-2684-z
Propriétés optiques de l'antenne plasmon nanopatch (NPA)
Les scientifiques ont ensuite étudié la dynamique des excitons à l'intérieur des couches émissives des trois dispositifs étudiés dans l'étude, comprenant:
Parmi ceux-ci, le plasmon NPA a maintenu son efficacité quantique externe (EQE) à des densités de courant élevées comparativement mieux que les dispositifs de référence, ainsi qu'un temps de décroissance plus court et donc une plus grande stabilité. L'architecture du dispositif du plasmon NPA avec des nanocubes d'argent de 75 nm séparés de la cathode d'argent planaire a contribué à son efficacité quantique externe élevée. Cette architecture s'écartait de l'approche typique basée sur l'antenne patch, permettant le couplage du plasmon de surface à la cathode d'argent plane, tandis que les nanocubes d'argent effectuaient un couplage externe. Le mécanisme a permis d'améliorer le débit à large bande sans compromettre l'architecture de l'appareil.
Propriétés optiques mesurées et modélisées du plasmon NPA. (a) Cartes d'intensité de champ électrique simulées pour un dipôle vertical dans l'OLED sans (à gauche) et avec (à droite) un nanocube d'argent (Ag). Les cartes sont superposées à 0 nm dans la direction X. Lorsque le cube Ag est présent, il y a une augmentation considérable de l'intensité du champ électrique entre le cube d'Ag et le film d'Ag, ainsi qu'au coin du cube Ag, qui est la source de rayonnement vers l'espace libre. (b) Tracé du spectre TE/BE EL (trait plein) pour le plasmon NPA, montrant la forme spectrale du couplage de sortie NPA. Le rapport TE/BE est décalé pour accentuer le fait que le spectre d'émission intrinsèque de Ir(ppy)3 (ligne pointillée) n'est pas bien aligné avec le couplage de sortie NPA. (c) TE EQE modélisé en fonction de la longueur d'onde pour un dipôle à 20 nm de la cathode Ag avec (en haut) et sans (en bas) des nanocubes d'Ag. L'orientation du dipôle—vertical (flèches bleues), horizontal (flèches rouges) ou isotrope (flèches noires) - est indiqué à côté de chaque courbe EQE. Les courbes EQE modélisées avec des nanocubes d'Ag sont des moyennes de plusieurs simulations. Crédit :Nature, doi:10.1038/s41586-020-2684-z
Fusella et al. a ensuite utilisé une modélisation du domaine temporel aux différences finies pour calculer l'efficacité quantique externe du dispositif afin d'estimer son efficacité ultime et a noté une augmentation considérable des valeurs prédites après avoir inclus l'architecture du nanocube d'argent dans la simulation. Les résultats étaient en accord étroit avec les résultats expérimentaux. Bien que les résultats modélisés pour l'efficacité quantique externe soient prometteurs, ils étaient encore considérablement inférieurs à ceux observés dans les travaux antérieurs. L'équipe vise donc à reconcevoir l'architecture du nanocube pour améliorer l'efficacité du couplage de sortie du dispositif dans les études futures.
De cette façon, Michael A. Fusella et ses collègues ont montré une stabilité améliorée des dispositifs électroluminescents organiques (OLED) en améliorant le taux de désintégration grâce au couplage de plasmons de surface. Typiquement, cette stratégie est préjudiciable aux performances globales de l'appareil, mais dans ce cas, la configuration a amélioré la stabilité de l'architecture de l'appareil pour établir des chemins parallèles de développement OLED. Les géométries de dispositifs entièrement optimisées permettront des rendements quantiques externes supérieurs à 40 % avec une plus grande stabilité. Le travail présente un nouveau paradigme pour la conception OLED, ouvrant la voie à des applications de panneaux d'éclairage à faible coût et à des applications ultrarapides et à haute luminance.
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