Nat. Commun.：一种无衬底、柔性、防水的有机发光二极管

【研究背景】

有机半导体的独特性质，特别是其非晶态和机械柔韧的特性，使得各种柔性光电器件得以应用。除了在显示器上的应用外，柔性有机发光二极管还提供了许多有前途的新应用，其中保形集成或抗机械变形的弹性是必不可少的，例如，对于可穿戴和生物医学设备。在所有这些情况下，超薄的外形非常适合于减少重量和体积，实现最终的机械柔韧性和舒适性，并且重要的是，在弯曲和折叠时将设备中的机械应变最小化。超薄有机电致发光元件具有令人印象深刻的灵活性，但对于这种超薄器件，在环境或甚至是水的条件下还没有实现稳定的操作，在空气中的寿命通常只有几十小时。制造可靠的柔性有机发光二极管的主要挑战是有机半导体对水分和氧气的极度敏感。为了防止器件快速退化，需要一种薄膜封装（TFE），这种封装既灵活又能提供坚固的密封。TFE沉积过程中或弯曲设备时可能形成的微观针孔或微裂纹会导致设备快速失效。这种情况对于OLED的未来生物医学应用尤其具有挑战性，因为这些应用经常需要生物植入，因此需要对水环境具有抵抗力。

【成果简介】

近日，英国圣安德鲁斯大学Malte C. Gather教授展示了一种高效且稳定的有机发光二极管，其总厚度为 ≈ 12 μm，可完全浸入水中或细胞营养液中数周而不会发生实质性降解。金属氧化物层是通过化学反应层和活性层之间的交替沉积形成的。这些屏障也使OLED在反复弯曲和广泛的后处理方面具有稳定性，例如通过活性气体等离子体、有机溶剂和光刻技术。这种前所未有的健壮性为超薄OLED开辟了一个广阔的新领域。该文章近日以题为“A substrateless, flexible, and water-resistant organic light-emitting diode”发表在知名期刊Nature Communications上。

【图文导读】

图一、柔性、无衬底有机电致发光器件，具有防水、混合TFE屏障

（a）在中性平面（中间）有活动层的堆叠结构示意图。所使用的红色发光的p-i-n OLED堆栈的结构（左）。TFE屏障层组成（右）。

（b）具有P/N/P/N低TFE屏障的柔性OLED的照片。

（c）不同下部TFE屏障层的裸顶表面和显示级玻璃（上一行）的AFM形貌图像，以及沉积20nm厚的半透明银阳极（下一行）后相同样品的AFM形貌图像。

（d）三个较低TFE势垒的透射光谱。

图二、角度分辨EL光谱和效率表征

（a）具有不同较低TFE势垒的亚层有机电致发光器件的正规化、角度分辨的电致发光光谱的二维图和显示级玻璃上的刚性参考器件。

（b）同一器件的电流密度（实线）和亮度（虚线）对电压的关系。

（c-d）OLED的外部量子效率和功率效率。

图三、柔性OLED在空气中和水性环境中的稳定性

（a）不同TFE势垒的柔性OLED在空气中储存不同时间后的亮度-电压特性。

（b）在空中放置70天后在柔性OLED的照片。

（c）在去离子水中操作的P/N/P/N设备的照片。

（d）具有不同TFE屏障的柔性OLED在去离子水中存储和操作时，在固定电压（3.5 V）下亮度随时间的变化。

（e）P/N/P/N器件在1×PBS溶液（室温）和细胞培养基（37℃、5%CO2和99%相对湿度的大气中）在固定电压（3.5 V）下的电流密度变化。

图四、OLED弯曲性能的稳定性

（a）弯曲至越来越小的弯曲半径r_b后，3.3 V下的电流密度。

（b）折叠在剃须刀刀片周围的柔性OLED照片。

（c）经过数千次反复弯曲循环后，P/N/P/N器件的电流密度和亮度与电压的关系。

（d）3.3 V下的电流密度和亮度与施加的弯曲循环次数（弯曲半径为1.5 mm）的关系。

图五、等离子体刻蚀TFE势垒的粗糙化及其对光输出耦合的影响

（a）具有TFE势垒的柔性顶发射OLED的堆叠结构。

（b）原始parylene-C表面的AFM形貌图像。

（c）用与b中相同比例尺的RIE粗化后的同一表面形貌。

（d）原始OLED和RIE处理后的电流密度与电压特性。

（e）原始OLED的标准化、角度分辨EL光谱的二维图。

（f）RIE处理的OLED的标准化、角度分辨EL光谱的二维图。

（g）OLED与未经稀土处理的TFE层的功率效率比较。

【结论展望】

综上所述，作者开发的无衬底OLED的坚固性、极端的外形尺寸和机械灵活性为未来的许多应用开辟了可能性。例如，它们可能被层压或粘贴到工作表面、包装和衣物上，在这些地方它们可以用作自发射指示器和标签，不会给产品增加显著的重量和体积。该设备在高湿度和水中的稳定性使其适用于需要皮肤接触的可穿戴应用，并用作生物医学研究中的植入物；对于后者，特别感兴趣的是通过光遗传学将其用于有针对性的光刺激和神经元活动的光学记录。最后，对于超薄有机电致发光器件而言，TFE屏障对恶劣工艺条件（包括反应性气体等离子体、光刻胶和有机溶剂）的鲁棒性是前所未有的。它为后处理提供了很有吸引力的机会，例如，通过干法蚀刻到OLED表面来定义其微结构，或对沉积在器件上的附加层进行光刻图案。

文献链接：A substrateless, flexible, and water-resistant organic light-emitting diode (Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-20016-3)

本文由大兵哥供稿。

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