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可拉伸电致发光器件的材料和设计策略

发布于：2022-11-04 15:03:04 来自：电气工程/电气工程原创版块 [复制转发]

知识点：电致发光器件

显示器是电子设备的一个关键组成部分，它有助于将各种电气数据可视化。在过去的几十年里，显示器的进步主要集中在提高色域、屏幕尺寸和显示器的清晰度上。因此，显示器的分辨率和色彩纯度几乎达到了人眼可检测的极限。因此，近年来，对另一种类型的创新显示器的需求越来越大，例如，允许用户根据他们的预期目的(例如，提高便携性、多任务处理和空间利用)自由改变显示器的形状。顺应这一趋势，柔性显示器已被引入移动电话、显示器和电视，最近还开发了可折叠智能手机。最近， 人们要求开发下一代柔性显示器，除了弯曲/可弯曲和可滚动/可折叠的显示器之外，还要有更高的变形自由度，如具有扭曲和拉伸能力的显示器。可拉伸显示器已被强调，它被认为是下一代人类友好电子系统不可或缺的用户界面，包括生物集成电子设备,如可穿戴、可附着和可植入设备。显示器的可变形性也可以提高它们的可穿戴性，使之与人体皮肤相适应。此外，可拉伸显示器在携带时需要更少的空间，使其更便于携带。因此，在新材料的开发和新设备设计的应用方面，已经进行了许多尝试，以赋予显示器可伸展性。

迄今为止报道的商业化柔性显示器的形状只能通过特定部件的单向预编程运动来改变。考虑到这一局限性，可拉伸显示器可以为显示器行业提供新的外形因素方面的机会。尽管有这样的需求，对可拉伸显示器的研究仍处于早期阶段。因此， 有必要开发具有三维可变形性、高亮度和高效率的可拉伸显示器。此外， 利用现有的设备技术(缩放、像素化和有源矩阵集成)使可拉伸显示器与既定的半导体制造工艺相兼容，是非常有必要的。

研究亮点

最近，可拉伸显示器作为下一代人类友好电子系统的输入和/或输出界面受到越来越多的关注。可拉伸电致发光(EL)器件是可拉伸显示器的核心组成部分， 根据实现其可拉伸性的机制，它们可以分为两种类型，即结构上可拉伸的EL器件和内在可拉伸的EL器件。 韩国UNIST Moon Kee Choi教授、DGIST Jiwoong Yang教授、IBS Dae-Hyeong Kim教授等人联合发表综述，介绍了可拉伸EL器件的材料和设计策略方面的最新进展。首先， 介绍了基于超薄EL器件的可拉伸器件。超薄EL器件在机械上像薄纸一样灵活，它们可以通过各种结构工程方法变得可拉伸，例如诱导屈曲结构，采用具有可拉伸几何形状的互连，以及应用折纸/kirigami技术。其次， 可以通过使用固有的可拉伸电子材料来制造内在可拉伸的EL设备。例如，使用交流电的发光电化学电池和结构更简单的EL器件已经被开发出来。此外，已经提出了新型的可拉伸半导体材料，用于开发本质上可拉伸的发光二极管。在 讨论了这两种类型的可拉伸EL器件后，简要地讨论了可变形EL器件的应用。相关报道以“ Materials and design strategies for stretchable electroluminescent devices”为题发表在 Nanoscale Horizons期刊上。

图文导读

Fig. 1 Schematic illustration of flexible electroluminescent devices. (a) Progress in the development of flexible EL devices. (b) Categories of stretchable EL devices.

Fig. 2 Ultrathin EL devices with buckled structures.

Fig. 3 Ultrathin EL devices with island–bridge structures and with cuts and folds.

Fig. 4 Intrinsically stretchable ACEL devices.

Fig. 5 Intrinsically stretchable LECs and LEDs.

Fig. 6 Applications of ultrathin and stretchable EL devices as signal output devices for wearable electronic systems.

Fig. 7 Applications of ultrathin and stretchable EL devices as optical input devices for healthcare monitoring.

Fig. 8 Applications of intrinsically stretchable devices as optical output devices for electronic systems and displays that transform between 2D and 3D architectures.

总结与展望

为了满足对高性能可穿戴显示器日益增长的需求，已经有大量的研究工作在推进可拉伸EL器件。当与其他软性电子设备部件集成时，可变形的EL器件可以作为系统中的信号输出设备(即显示器)和/或光学输入源(用于光学传感器，与光电探测器一起) 使用。

本文主要讨论了实现可拉伸EL器件的两种代表性策略。通过“使用可拉伸器件设计的结构方法”和“使用内在可拉伸电子/光电子材料制造器件的材料方法"。在第一种方法中，超薄柔性EL器件被用作平台器件。为了实现可拉伸的外形，已经开发了各种结构工程策略，如扣压/皱褶，可拉伸的互连设计，以及使用折叠和切割的折纸/螺旋纸。在第二种方法中， 本质上可拉伸的电子/光电材料已被用于制造本质上可拉伸的EL器件。ACEL器件和LECs由于其简单的器件结构而具有吸引力。可拉伸的半导体(即有机半导体、QDs和PeNCs的纳米复合材料)正被研究用于内在可拉伸的LEDs。

尽管在可拉伸EL设备方面取得了这些技术进步，但仍存在许多挑战。例如， 屈曲/褶皱的结构可能导致图像失真，这取决于观察角度。 岛桥式阵列设计由于特别设计的互连需要很大的面积而降低了图像分辨率。 本质上可拉伸的EL器件的性能(即开启电压、亮度、功率/量子效率、寿命和稳定性)明显落后于刚性EL器件。对于可拉伸的ACEL器件， 需要进一步开发发光层以降低工作电压。为了克服可拉伸LECs的缓慢开启特性， 需要增加离子流动性的EL材料，但不能减少器件的寿命。本质上可拉伸的LED的新型材料和器件设计的开发应考虑到相邻层，如机械匹配、能带排列和后续加工阶段的溶剂效应。

最近，可拉伸EL器件的开发取得了有意义的进展，超薄和可拉伸EL器件的各种应用，如可穿戴、生物医学和物联网应用都得到了证明。可拉伸EL器件可以与其他可拉伸电子设备组件(即传感器、数据存储模块、无线数据传输模块和电源)集成，实现完全集成的可穿戴电子系统。最近强调的QLEDs和PeLEDs鼓励在可穿戴和植入式电子系统中应用可变形的EL器件，因为它们具有高色彩纯度、低工作电压和超薄的外形。然而，这些材料中的一些成分，如CdSe QDs中的Cd或Perovskite材料中的Pb，是有毒的。不含重金属的替代品，如InP QDs、锌卤化物QDs、铜铟卤化物QDs和不含Pb的过氧化物材料已经被积极研究， 因此它们在可拉伸EL设备中的应用可以成为实现可穿戴电子系统的另一个关键目标。

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