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黄维院士和孟鸿教授团队在《自然•通讯》首次报道由三相交流电直接驱动的电致发光器件

近日,在西北工业大学(西安)柔性电子研究院黄维院士的带领下,北京大学深圳研究生院孟鸿教授课题组创新性地报道了世界上首个由三相交流电驱动的电致发光器件,并且实现了三相电力驱动电致发光器件在像素结构、交互式可重写显示和光输出传感器方面的一些应用。填补了电致发光器件无法直接用三相交流电驱动的空白,实现了历史性的突破。相关论文以发表在《自然•通讯》(Nature Communications )上。


道生一,一生二,二生三,三生万物


传统的电致发光器件只有一个发光单元,即上下电极把发光层夹在中间,形成三明治结构。此后,孟鸿教授课题组于2017年提出了共平面电极的新型电致发光器件结构,使用这种结构制备的电致发光器件具有两个独立的发光单元,且无需使用昂贵的透明上电极。在“三生万物”思想的启发下,课题组成员进一步将电致发光器件的发光单元拓展到三个甚至更多,在照明、显示、传感等多领域实现了更多具有独特吸引力的应用。此外,目前我国生产、配送的都是三相交流电,而关于由三相交流电直接驱动的电致发光器件还鲜有报道,将电致发光器件的发光单元拓展到三个,就可以用简单的方法实现电致发光器件直接接入到三相电网中。


具有三个发光单元的三相电驱动的电致发光器件(TPEL)除了具有制备方法简单、无需透明上电极、可直接由三相电驱动等本征优势以外,独特的器件结构和外耦合的极性电桥也使得TPEL器件具有多种应用功能。


首先,在全彩显示领域使用三原色就可以在调色板上创造出任何颜色。传统像素结构必须分解为三个独立的器件:红色发光器件、绿色发光器件和蓝色发光器件,每个器件都需要两个电极,其中一个必须是透明的。由于TPEL器件具有三个发光单元,可以设计器件结构使三个发光单元分别发射红光、绿光和蓝光,即一个器件发出三种不同的颜色,简化像素结构,只使用三个无需透明的电极即可实现像素功能,而不需要使用透明的上电极。


这种像素结构的TPEL器件也可以分离成相对独立的三部分。三种具有不同颜色发光层的三部分器件与三相交流电的三根火线分别相连,放置在盛满去离子水的烧杯中。当三个烧杯分别独立放置时,没有光发射;而当三个烧杯通过水凝胶作为电桥连接在一起时,虽然使用的水凝胶具有差的导电性,每个烧杯中依然可以分别发射出红,绿,蓝三种色光。说明TPEL器件并不要求具有良好导电性的透明电极,且多样化的外耦合电桥也有望给这种新型器件结构带来更多的潜在应用,例如将脑神经信号施加到开放的极性电桥上实现具有传感显示功能的脑机接口(brain-computer interface,BCI)等。具有外耦合电桥的共平面电致发光器件和可穿戴显示技术结合,还有望实现人体机能传感和显示器件的无缝融合,在智能传感领域拥有更广阔的潜在应用前景。

图1. TPEL器件的制备过程和特性的示意图。图片来源:Nat. Commun.


此外,课题组将三相电直接驱动的概念扩展到有机发光器件,制备了三相电驱动的有机发光器件(TP-OLED)。虽然并没有专门针对新型结构进行优化以实现最高的器件性能,但与无机TPEL器件相比,所制备的有机器件达到了更高的亮度 (最高6601 cd/m2) 和电流效率 (最高16.2 cd/A)。证实了三相电的驱动方法广泛适用于各种发光材料。

图2:使用非导电水凝胶连接的三相电驱动电致发光器件。图片来源:Nat. Commun.


相关工作是西北工业大学柔性电子研究院黄维院士和北京大学深圳研究生院孟鸿教授课题组合作完成的,硕士研究生纪君朋为文章的第一作者。该研究工作得到了中国国家科技部,中国国家自然科学基金委员会,广东省科学技术厅,深圳市科技创新委员会,深圳市发展和改革委员会以及北京大学深圳研究生院等的经费支持。


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Three-phase electric power driven electroluminescent devices

Junpeng Ji, Igor F. Perepichka, Junwu Bai, Dan Hu, Xiuru Xu, Ming Liu, Tao Wang, Changbin Zhao, Hong Meng, Wei Huang

Nat. Commun., 2012, 12, 54, DOI: 10.1038/s41467-020-20265-2


孟鸿教授简介

孟鸿,北京大学深圳研究生院新材料学院副院长,教授,博士生导师,国家“特聘”专家,广东省领军人才,深圳市孔雀A类人才。孟鸿教授二十多年来一直从事有机光电材料的研发工作。曾在美国杜邦公司、贝尔实验室和朗讯科技从事有机光电材料研究工作。在美国杜邦公司任职期间,任高级化学家,发明了当时世界上最好的OLED蓝光材料和红光、绿光OLED材料。孟鸿教授在固态有机合成法、有机半导体器件工程、有机电子学等科学技术领域,特别是有机发光二极管、显示技术、有机薄膜晶体管、有机导电聚合物和纳米技术的应用研发方面有着丰富的工作经验与理论基础。先后在J. Am. Chem. Soc, Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., Chem. Mater., Chem. Sci., Macromolecules等国际著名期刊上发表文章130余篇,合作撰写OLED技术领域的英文专著2本,撰写OTFT专著1本。拥有45项国际发明专利(20项授权),申请70项中国发明专利(32项授权)。


https://www.x-mol.com/university/faculty/22372


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