柔性電致發(fā)光器件在仿生電子器件、智能可穿戴設備以及人機交互等領域有著巨大的應用前景。但是,實時調(diào)控電致發(fā)光器件的顏色目前尚未報道。近日,為實現(xiàn)這一目標,復旦大學彭慧勝-孫雪梅團隊團隊利用介電常數(shù)差異,實現(xiàn)了對于電致發(fā)光器件的實時調(diào)控,可以實現(xiàn)黃光、綠光、白光和藍光之間的即時切換,為可穿戴電子設備、智能機器人以及人機交互技術的發(fā)展提供了新的方向。該研究以題為“Flexible Color-Tunable Electroluminescent Devices by Designing Dielectric-Distinguishing Double-Stacked Emissive Layers”發(fā)表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上,孫雪梅副教授和彭慧勝教授為論文的共同通訊作者。

復旦大學彭慧勝/孫雪梅團隊《AFM》:介電設計助力實時調(diào)控器件發(fā)光

【電致發(fā)光器件的結構】

首先,作者利用了旋涂方法制備了如圖1所示的電致發(fā)光器件。其中,藍光發(fā)射層由Cu摻雜的ZnS(ZnS:Cu)與氰基樹脂(CR)組成,黃光發(fā)射層由Mn摻雜的ZnS(ZnS:Mn)與SBS樹脂組成。在電場強度從1 V/μm增加到5 V/μm的過程中,器件能夠發(fā)生了從黃光到白光再到藍光的轉(zhuǎn)變。

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圖1?電致發(fā)光器件的結構和工作示意圖

 

【器件的工作原理】

隨后,作者分別測試了單層發(fā)光層在施加電壓下的發(fā)光行為,如圖2a。結果表明,ZnS:Cu和ZnS:Mn的發(fā)光峰值分別對應458(藍光)和586(黃光) nm。由于Mn2+能夠限制空穴的移動,黃光的強度要弱于藍光。將ZnS:Cu和ZnS:Mn 以1:1比例共混后測試的發(fā)光強度也與單層結果較為一致,且發(fā)光強度隨著電場強度變大而提升。從對應的CIE坐標圖中可以看出,以上單層和共混的發(fā)光層無法調(diào)控發(fā)光顏色。根據(jù)介電理論,在外加電場下,介電常數(shù)高的部分承受的電場要低于介電常數(shù)低的部分。因此,在雙層電致發(fā)光器件中的電場分布存在這樣的大小關系:藍光發(fā)射層<外加電場<黃光發(fā)射層。在電場較低的情況下,藍光發(fā)射層不能激發(fā)出藍光,器件只能發(fā)射黃光。隨著電場升高,藍光被激發(fā),器件發(fā)射白光。繼續(xù)提高電場,藍光的強度高于黃光,器件發(fā)射藍光。

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圖2 電致發(fā)光器件的工作原理

 

【器件發(fā)光的調(diào)制機理】

隨后,作者將藍色發(fā)光層的基體分別換為介電常數(shù)不同的PVDF-HFP、PU和SBS三種對器件的發(fā)光性能進行表征。其中PVDF-HFP和PU對應的器件在低電場下無法發(fā)射黃光,這是由于二者的介電常數(shù)要低于CR,藍光發(fā)射強度比黃光高導致的。而SBS對應的器件其藍光與黃光強度比一直保持在3左右,這也與之前共混的器件性能較為一致。隨后,作者將電場的頻率變?yōu)?0 Hz后,發(fā)現(xiàn)器件的發(fā)光在黃光和綠光之間切換。這也說明通過控制頻率和雙層介電常數(shù)差異,可以控制電致發(fā)光器件在黃光、白光、綠光和藍光之間實時切換。

復旦大學彭慧勝/孫雪梅團隊《AFM》:介電設計助力實時調(diào)控器件發(fā)光
圖3 電致發(fā)光器件的調(diào)制機理

 

【器件的循環(huán)穩(wěn)定性以及應用展示】

此外,作者還探究了該器件經(jīng)過彎折循環(huán)后,在不同電場下的發(fā)光穩(wěn)定性??梢钥闯觯诮?jīng)過彎折1000次后,該器件仍然表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性,發(fā)光強度均保持在97%以上。隨后,作者利用層層溶膠澆鑄法制備了尺寸為3 cm × 3 cm的電致發(fā)光“變色龍”。在彎折條件下,通過改變電場強度,能夠?qū)崟r調(diào)控器件的發(fā)光顏色。

復旦大學彭慧勝/孫雪梅團隊《AFM》:介電設計助力實時調(diào)控器件發(fā)光
圖4 電致發(fā)光器件的抗彎折穩(wěn)定性

 

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圖5 基于電致發(fā)光器件的“變色龍”應用展示

 

【總結】

作者設計了具有不同介電常數(shù)的雙層柔性電致發(fā)光器件。通過調(diào)控電場強度以及頻率,實現(xiàn)了黃光、綠光、白光和藍光之間的即時切換,并展示出了良好的抗彎折能力。該研究結果為可穿戴電子設備、智能機器人以及人機交互技術的發(fā)展提供了新的機遇。

原文鏈接:

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

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