Diagrama de dispositivo plasmónico y morfología de nanocubos. (a) Esquema del plasmón NPA, con espesores de capa relevantes anotados. La posición y el ancho de EML dentro del OLED se indican con la línea verde. Las estructuras químicas de los componentes EML, host (DIC-TRZ) y emisor (Ir (ppy) 3), también se presentan. (b) Micrografía de fuerza atómica de nanocubos de Ag girados sobre el OLED. La fracción de llenado de cubos de Ag es del 15%, con un espaciado de centro a centro de ~ 200 nm. ITO, óxido de indio y estaño. Crédito:Naturaleza, doi:10.1038 / s41586-020-2684-z
Los científicos investigan los electrones libres y las interacciones resonantes de las ondas electromagnéticas en el campo de los plasmónicos. Sin embargo, la disciplina aún debe extenderse a aplicaciones comerciales a gran escala debido a las pérdidas asociadas con los materiales plasmónicos. Si bien los dispositivos emisores de luz orgánicos (OLED) se incorporan en productos comerciales a gran escala debido a propiedades como una buena saturación de color, factor de forma versátil y bajo consumo de energía, su eficacia y estabilidad quedan por optimizar. Durante su función, Los OLED acumulan una acumulación localizada de tripletes de excitones y cargas, que reducen gradualmente el brillo del dispositivo en un proceso de "envejecimiento", que luego puede causar un efecto de quemado en la pantalla. Como resultado, es importante mejorar el rendimiento de la tecnología OLED.
En un nuevo informe ahora publicado en Naturaleza , Michael A. Fusella y un equipo de investigación de Universal Display Corporation U.S. desarrollaron un OLED (dispositivo emisor de luz orgánica) con mejora de la tasa de desintegración plasmónica para aumentar la estabilidad del dispositivo. mantuvieron la eficiencia al incluir un esquema de acoplamiento externo basado en nanopartículas para extraer energía del modo plasmón. El equipo utilizó un emisor fosforescente arquetípico para lograr un aumento del doble en la estabilidad funcional con el mismo brillo que un dispositivo convencional de referencia y extrajo el 16 por ciento de la energía del modo plasmón en forma de luz. El nuevo enfoque mejorará la estabilidad de OLED al tiempo que evita las limitaciones de diseño específicas del material. Las posibles aplicaciones incluyen paneles de iluminación, y pantallas de televisión y móviles.
Plasmones de superficie y antena de nanoparches de plasmones (NPA)
Los plasmones de superficie son oscilaciones colectivas de electrones que residen en la interfaz de un metal y el entorno dieléctrico circundante. El fenómeno puede contribuir a grandes campos eléctricos y mejorar la tasa de desintegración en órdenes de magnitud en las regiones visible e infrarroja cercana para un uso ideal con dispositivos emisores de luz orgánica (OLED). Gran parte del trabajo en el desarrollo de OLED en curso se centra en minimizar la pérdida de energía del excitón apagado que se disipa en forma de calor. Aquí, Fusella y col. optimizó el dispositivo acoplando la energía al modo plasmón de superficie del cátodo OLED. Para lograr esto, utilizaron un emisor fosforescente alojado en un material abreviado como DIC-TRZ, corto para 2, 4-difenil-6-bis (12-fenilindolo) [2, 3-a] carbazol-11-il) -1, 3, 5-triazina.
Pila de dispositivos anotados de la estructura del plasmón NPA. Tenga en cuenta que las capas de vidrio / ITO y los nanocubos de plata no se dibujan a escala, mientras que las capas restantes se escalan entre sí para proporcionar una representación de la estructura del dispositivo. Donde ETL:capa de transporte de electrones, HBL:capa de bloqueo de agujeros, EML:capa emisiva, EBL:capa de bloqueo de electrones, HTL:capa de transporte de agujeros, HIL:capa de inyección de agujeros, EIL:capa de inyección de electrones. GAP:espacio entre el cátodo y los nanocubos de plata. Crédito:Naturaleza, doi:10.1038 / s41586-020-2684-z
El equipo superó la luz colocando al azar nanocubos de plata separados del cátodo de plata (Ag) por una capa dieléctrica y nombró al dispositivo antena de nanoparche de plasmón (NPA). aunque los paradigmas de diseño difieren de la arquitectura NPA utilizada en trabajos anteriores. El plasmón NPA desarrollado aquí logró un aumento de estabilidad de casi tres veces en comparación con un dispositivo de referencia. La arquitectura de dispositivo más delgada del plasmón NPA no provocó cortocircuitos durante la prueba de vida y logró una mejora dramática de la estabilidad del dispositivo sin pérdida de eficiencia.
Vida útil y eficiencia mejoradas con Plasmon
En la configuración experimental, la antena de nanoparche de plasmón (NPA) tenía un ánodo transparente para convertir la energía acoplada al modo plasmón de superficie del cátodo de plata en fotones a través de nanocubos de plata dispuestos aleatoriamente en su arquitectura para facilitar la emisión de luz desde la parte superior del dispositivo. Observaron que la eficiencia cuántica externa de la luz emitida desde la parte superior de la antena del nanoparche de plasmón era del ocho por ciento (8%), mientras que el mismo dispositivo sin nanocubos tenía una eficiencia cuántica externa de emisión superior (TE EQE) de solo un uno por ciento negativo (-1%); destacando la importancia de los nanocubos en el acoplamiento externo. Fusella y col. diseñó intencionalmente una arquitectura con emisión superior e inferior simultánea para ayudar a la antena de nanoparche de plasmón a distinguir la energía acoplada y dispersada de la energía que no se acopla en el modo plasmón (emisión inferior). Al traducir este concepto experimental a un dispositivo comercial, Los científicos necesitarán eliminar cualquier luz de emisión inferior acoplando todos los excitones al modo plasmón o empleando un ánodo de metal opaco para reflejar la luz de emisión inferior hacia la parte superior del dispositivo.
Vida útil y eficiencia mejoradas con Plasmon. (a) Medición de la estabilidad del envejecimiento acelerado a una densidad de corriente fija de 80 mA cm − 2 para el plasmón NPA (TE), PHOLED estándar (BE) y PHOLED EML delgado (BE). (b) curvas EQE del plasmón NPA (TE), PHOLED estándar (BE) y PHOLED EML delgado (BE). El recuadro muestra las curvas EQE normalizadas a 0,1 mA cm − 2, demostrando un roll-off de eficiencia reducido para el plasmón NPA. Las representaciones esquemáticas de las pilas de dispositivos se muestran cerca de cada curva EQE e indican variaciones en el grosor y la posición de la EML en relación con el cátodo. (c) EL transitorio para el plasmón NPA (TE), PHOLED estándar (BE) y delgado-EML PHOLED (BE), mostrando una vida útil reducida en estado excitado para el plasmón NPA. Las líneas punteadas marcan el ajuste biexponencial de cada curva. El transitorio de plasmón no NPA (omitido para mayor claridad) es casi idéntico al del plasmón NPA. Crédito:Naturaleza, doi:10.1038 / s41586-020-2684-z
Propiedades ópticas de la antena de nanoparche de plasmón (NPA)
A continuación, los científicos investigaron la dinámica de los excitones dentro de las capas emisoras de los tres dispositivos investigados en el estudio. incluso:
De estos, el plasmón NPA mantuvo su eficiencia cuántica externa (EQE) a altas densidades de corriente comparativamente mejor que los dispositivos de referencia, junto con un tiempo de descomposición más corto y, por lo tanto, una mayor estabilidad. La arquitectura del dispositivo del plasmón NPA con nanocubos de plata de 75 nm separados del cátodo de plata plano contribuyó a su alta eficiencia cuántica externa. Esta arquitectura se desvió del enfoque típico basado en antenas de parche, permitiendo el acoplamiento del plasmón superficial al cátodo plateado plano, mientras que los nanocubos de plata realizaron un acoplamiento externo. El mecanismo resultó en una mejora de la velocidad de banda ancha sin comprometer la arquitectura del dispositivo.
Propiedades ópticas medidas y modeladas del plasmón NPA. (a) Mapas de intensidad de campo eléctrico simulados para un dipolo vertical dentro del OLED sin (izquierda) y con (derecha) un nanocubo de plata (Ag). Los mapas se superponen a 0 nm en la dirección X. Cuando el cubo de Ag está presente, hay un aumento considerable en la intensidad del campo eléctrico entre el cubo de Ag y la película de Ag, así como en la esquina del cubo Ag, que es la fuente de radiación al espacio libre. (b) Gráfico del espectro TE / BE EL (línea continua) para el plasmón NPA, mostrando la forma espectral del desacoplamiento de NPA. La relación TE / BE se compensa para acentuar que el espectro de emisión intrínseco de Ir (ppy) 3 (línea discontinua) no está bien alineado con el desacoplamiento de NPA. (c) TE EQE modelado frente a la longitud de onda para un dipolo a 20 nm del cátodo de Ag con (arriba) y sin (abajo) nanocubos de Ag. La orientación del dipolo:vertical (flechas azules), horizontal (flechas rojas) o isotrópico (flechas negras):se indica junto a cada curva de EQE. Las curvas EQE modeladas con nanocubos de Ag son promedios de múltiples simulaciones. Crédito:Naturaleza, doi:10.1038 / s41586-020-2684-z
Fusella y col. luego utilizó el modelado en el dominio del tiempo de diferencias finitas para calcular la eficiencia cuántica externa del dispositivo para estimar su eficiencia final y notó un aumento considerable en los valores predichos después de incluir la arquitectura de nanocubos de plata en la simulación. Los resultados coincidieron estrechamente con los resultados experimentales. Aunque los resultados modelados para la eficiencia cuántica externa fueron prometedores, todavía eran considerablemente inferiores a los observados en trabajos anteriores. Por lo tanto, el equipo tiene como objetivo rediseñar la arquitectura de nanocubos para mejorar la eficiencia de acoplamiento externo del dispositivo en estudios futuros.
De este modo, Michael A. Fusella y sus colegas demostraron una mayor estabilidad del dispositivo emisor de luz orgánica (OLED) al mejorar la tasa de desintegración a través del acoplamiento de plasmón de superficie. Típicamente, esta estrategia es perjudicial para el rendimiento general del dispositivo, pero en este caso, la configuración mejoró la estabilidad de la arquitectura del dispositivo para establecer rutas paralelas de desarrollo OLED. Las geometrías del dispositivo totalmente optimizadas permitirán eficiencias cuánticas externas superiores al 40 por ciento con mayor estabilidad. El trabajo presenta un nuevo paradigma para el diseño OLED, allanando el camino para aplicaciones de paneles de iluminación de bajo costo y aplicaciones ultrarrápidas y de alta luminancia.
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