复旦大学彭慧胜/孙雪梅团队:介电设计助力实时调控器件发光

柔性电致发光器件在仿生电子器件、智能可穿戴设备以及人机交互等领域有着巨大的应用前景。但是,实时调控电致发光器件的颜色目前尚未报道。近日,为实现这一目标,复旦大学彭慧胜-孙雪梅团队团队利用介电常数差异,实现了对于电致发光器件的实时调控,可以实现黄光、绿光、白光和蓝光之间的即时切换,为可穿戴电子设备、智能机器人以及人机交互技术的发展提供了新的方向。该研究以题为“Flexible Color-Tunable Electroluminescent Devices by Designing Dielectric-Distinguishing Double-Stacked Emissive Layers”发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上,孙雪梅副教授和彭慧胜教授为论文的共同通讯作者。

复旦大学彭慧胜/孙雪梅团队《AFM》:介电设计助力实时调控器件发光

【电致发光器件的结构】

首先,作者利用了旋涂方法制备了如图1所示的电致发光器件。其中,蓝光发射层由Cu掺杂的ZnS(ZnS:Cu)与氰基树脂(CR)组成,黄光发射层由Mn掺杂的ZnS(ZnS:Mn)与SBS树脂组成。在电场强度从1 V/μm增加到5 V/μm的过程中,器件能够发生了从黄光到白光再到蓝光的转变。

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图1 电致发光器件的结构和工作示意图

 

【器件的工作原理】

随后,作者分别测试了单层发光层在施加电压下的发光行为,如图2a。结果表明,ZnS:Cu和ZnS:Mn的发光峰值分别对应458(蓝光)和586(黄光) nm。由于Mn2+能够限制空穴的移动,黄光的强度要弱于蓝光。将ZnS:Cu和ZnS:Mn 以1:1比例共混后测试的发光强度也与单层结果较为一致,且发光强度随着电场强度变大而提升。从对应的CIE坐标图中可以看出,以上单层和共混的发光层无法调控发光颜色。根据介电理论,在外加电场下,介电常数高的部分承受的电场要低于介电常数低的部分。因此,在双层电致发光器件中的电场分布存在这样的大小关系:蓝光发射层<外加电场<黄光发射层。在电场较低的情况下,蓝光发射层不能激发出蓝光,器件只能发射黄光。随着电场升高,蓝光被激发,器件发射白光。继续提高电场,蓝光的强度高于黄光,器件发射蓝光。

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图2 电致发光器件的工作原理

 

【器件发光的调制机理】

随后,作者将蓝色发光层的基体分别换为介电常数不同的PVDF-HFP、PU和SBS三种对器件的发光性能进行表征。其中PVDF-HFP和PU对应的器件在低电场下无法发射黄光,这是由于二者的介电常数要低于CR,蓝光发射强度比黄光高导致的。而SBS对应的器件其蓝光与黄光强度比一直保持在3左右,这也与之前共混的器件性能较为一致。随后,作者将电场的频率变为50 Hz后,发现器件的发光在黄光和绿光之间切换。这也说明通过控制频率和双层介电常数差异,可以控制电致发光器件在黄光、白光、绿光和蓝光之间实时切换。

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图3 电致发光器件的调制机理

 

【器件的循环稳定性以及应用展示】

此外,作者还探究了该器件经过弯折循环后,在不同电场下的发光稳定性。可以看出,在经过弯折1000次后,该器件仍然表现出了较好的稳定性,发光强度均保持在97%以上。随后,作者利用层层溶胶浇铸法制备了尺寸为3 cm × 3 cm的电致发光“变色龙”。在弯折条件下,通过改变电场强度,能够实时调控器件的发光颜色。

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图4 电致发光器件的抗弯折稳定性

 

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图5 基于电致发光器件的“变色龙”应用展示

 

【总结】

作者设计了具有不同介电常数的双层柔性电致发光器件。通过调控电场强度以及频率,实现了黄光、绿光、白光和蓝光之间的即时切换,并展示出了良好的抗弯折能力。该研究结果为可穿戴电子设备、智能机器人以及人机交互技术的发展提供了新的机遇。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202005200

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