Nature：高亮度全聚合物可拉伸LED及其电荷俘获稀释策略（2022）

摘要

摘要图
本研究开发了一种基于全聚合物的高亮度可拉伸发光二极管（APLEDs），实现了约7450 cd/m²的亮度、约5.3 cd/A的电流效率以及约100%应变的拉伸性能。通过设计发光层的纳米纤维结构和改性电极界面，克服了传统聚合物器件的亮度和应变瓶颈。该器件不仅支持RGB彩色显示，还能够实现贴合皮肤的无线供电与实时脉搏信号显示，为高性能柔性显示器的实际应用奠定了基础。

关键词

  • 全聚合物可拉伸发光二极管 (All-polymer stretchable LEDs)
  • 电荷俘获稀释 (Charge-trapping dilution)
  • 高亮度 (High brightness)
  • 人体皮肤显示 (On-skin displays)
  • 无线供电 (Wireless powering)
  • 实时脉搏信号显示 (Real-time pulse signal display)

研究背景

柔性和可拉伸显示技术在未来的人机交互界面中具有重要的应用潜力。然而，目前的研究主要基于无机纳米材料，存在工作电压高、拉伸性差等问题。相比之下，全聚合物材料具有良好的应变容忍度和加工适应性，但实现高亮度仍是一个巨大挑战。主要难点包括聚合物脆性、低电荷传输效率以及电极与活性层之间的能级失配。本研究通过开发纳米结构化发光层和高导电性拉伸电极，突破了这些瓶颈，实现了性能优异的全聚合物可拉伸发光二极管。

创新点

  • 提出纳米限域聚合物相分离设计，增强发光层的拉伸性与电荷传输能力。
  • 开发透明高导电性拉伸电极，显著提高器件的驱动电流与亮度。
  • 实现贴合皮肤的无线供电显示和实时脉搏信号监测功能。
  • 在RGB彩色显示中实现高亮度和稳定性，推动柔性显示技术的实际应用。

研究内容

本研究设计了以SuperYellow（SY）为发光聚合物、聚氨酯（PU）为柔性基体的混合体系，通过自发相分离形成纳米纤维状发光层，提升了材料的光学与力学性能。采用基于PEDOT:PSS的透明电极，通过引入聚旋转糅合物改善其导电性和拉伸性。同时，通过优化器件的多层结构，实现了与活性层能级匹配的电荷注入层和传输层，进一步降低了驱动电压并提高了器件效率。实验表明，该器件在多次拉伸循环下保持高亮度，RGB显示性能优异，且支持无线供电与实时生理信号显示，具有广阔的应用前景。

图1
图1 | 自发形成的多色纳米纤维发光结构增强了发光聚合物薄膜的拉伸性。

(a) 附着于人体皮肤上的本质上可拉伸的全聚合物发光二极管（APLED）示意图。可拉伸APLED的器件结构示意图。
(b) 发光共轭聚合物SY（SuperYellow）和弹性体PU（聚氨酯）的化学结构。
(c) 均匀分布的SY/PU发光薄膜的纳米纤维结构示意图，通过AFM、XPS深度剖面、接触角和R-SoXS（共振软X射线散射）确定。
(d) 具有50 wt% PU的SY/PU薄膜的AFM相位图像，比例尺：100 nm。
(e-f) 不同PU含量的SY/PU混合薄膜的R-SoXS曲线（无量纲Kratky图：通过q²调整强度以更清晰地观察散射峰）。在290.2 eV X射线光子能量下获得的R-SoXS曲线（e）以及在284.2 eV X射线光子能量下获得的R-SoXS曲线（f）。为了清晰显示，散射曲线在y轴上偏移。
(g) 通过“水上薄膜”技术从自由支撑的SY/PU薄膜测定的杨氏模量和裂纹形成应变。
(h) 通过“水上薄膜”技术获得的增加PU含量的自由支撑SY/PU薄膜的应力-应变曲线。插图：在200%应变下的SY/PU薄膜的照片。
(i) 红、绿和蓝色发光聚合物的化学结构。
(j) 通过“水上薄膜”技术获得的RGB颜色发光薄膜的应力-应变曲线：红色聚合物/PU（50 wt% PU）、绿色聚合物/PU（60 wt% PU）和蓝色聚合物/PU（50 wt% PU）。
(k) 附着在手臂上的RGB颜色发光薄膜的光致发光图像的照片。
(l-n) 附着在手指上的图案化发光聚合物薄膜在各种变形（如弯曲和拉伸）下的光致发光图像的示意图和照片。

图2
图2 | 电荷俘获稀释效应增强了可拉伸发光聚合物薄膜的电子和光学性能。

(a) 随着PU含量增加，SY/PU薄膜的相对光致发光量子效率（PLQE）和PL寿命。
(b) 在8 V电压下，随着PU含量增加，SY/PU薄膜的相对电子和空穴电流密度。
(c) 使用含不同PU含量的SY/PU薄膜的PLED的相对最高亮度和最高电流效率。
(d) 对比PU和Triton X含量增加对电子和空穴电流密度的变化。基于Triton X的数据来自参考文献3。
(e) 不同裂纹形成应变水平下每单位SY质量的最高亮度和最高电流效率的变化。
(f) 50 wt% PU含量的SY/PU薄膜在增加的应变下的相对PLQE和PL寿命。
(g) 在8 V电压下，50 wt% PU含量的SY/PU薄膜在增加的应变下的相对电子和空穴电流密度。
(h) 使用50 wt% PU含量的SY/PU薄膜的PLED在增加的应变下的相对最高亮度和最高电流效率。

图3
图3 | 高导电性和高拉伸性的PEDOT:PSS/PR电极。

(a) PEDOT:PSS的化学结构。
(b) PEDOT:PSS/PR薄膜的形貌示意图。
(c) 在拉伸至100%应变前后，光图案化的PEDOT:PSS/PR电极的光学图像。比例尺：50 μm。
(d) 相对于PEDOT:PSS溶液的PR含量增加对PEDOT:PSS/PR电极的杨氏模量和裂纹形成应变的影响。
(e) 相对于应变，PEDOT:PSS/PR电极的电阻变化，\(R_0\) 和 \(R\) 分别表示拉伸前后的电阻。
(f) 用于可见光范围的PEDOT:PSS/PR电极薄膜的透光率（以700 S/cm的导电率为例，在PVDF-HFP基底上）。

图4
图4 | 用于可穿戴应用的本质上可拉伸、低模量和高性能的APLED和APLED阵列。

(a) 本质上可拉伸APLED的器件结构。
(b) 可拉伸APLED的能级对齐图。
(c) 可拉伸APLED的电流密度-亮度-电压特性曲线。
(d) 可拉伸APLED在不同应变水平下的相对亮度、电流密度和电流效率曲线（在8 V电压下）。\(L_0\) 和 \(L\) 分别表示拉伸前后的亮度，\(J_0\) 和 \(J\) 分别表示拉伸前后的电流密度，\(E_0\) 和 \(E\) 分别表示拉伸前后的电流效率。
(e) 在9 V电压下的黄色光可拉伸APLED在增加应变下的照片。比例尺：2 mm。
(f) 过去几十年刚性、柔性和可拉伸PLED的发展历程对比图。
(g) 报告的可拉伸发光器件在亮度和拉伸性方面与本研究的对比。
(h) 在8 V电压下不同颜色的APLED阵列在弯曲和拉伸变形条件下的照片。比例尺：2.5 mm。
(i) 附着于皮肤上的无线供电9 V电压的可拉伸APLED照片。
(j) 可拉伸APLED与皮肤集成后，可根据人体脉搏信号频率实现实时点亮和关闭的照片（9 V）。

结论与展望

通过材料设计和工艺优化，本研究实现了高性能全聚合物可拉伸LED，为未来柔性显示技术的发展提供了新思路。这种器件可应用于可穿戴显示、生物电子界面等领域，具有实时信息交互和长时间稳定运行的潜力。未来的研究将聚焦于提升效率和扩展应用功能，以满足多样化需求。

论文直达

原文标题：High-brightness all-polymer stretchable LED with charge-trapping dilution

Nature 2022, 603, 624–629.

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