鲍哲南Nature：如何破局全聚合物发光二极管？加聚氨酯！

CYM 2年前 (2022-03-24) 4093浏览

【导读】

近年来，在用于持续监测活动、健康以及疾病早期预防的类皮肤传感器方面取得了重大进展。用于皮肤的下一代发光显示器应该具有高柔软性、可拉伸性和高亮度的特性。对于本质上可拉伸的发光二极管来说，实现高亮度仍然是一个巨大的挑战。再者，为了将刚性显示器转变为可拉伸结构，已经报道了几种策略，包括在弹性聚合物基质中嵌入刚性纳米结构的纳米复合材料或应变工程。然而，这些优化策略必须是在牺牲设备性能、可拉伸性或分辨率的前提下进行的。另一方面，本质上可拉伸的聚合物材料即使在高器件密度下仍保持可拉伸性。因此，考虑到其低驱动电压、高亮度、快速响应时间、长期稳定性和基于解决方案，全聚合物发光二极管（APLEDs）将成为电子皮肤显示的理想候选者。然而，由于多种原因，尚未实现本质上可拉伸的APLEDs。

首先，大多数共轭聚合物很脆，即使在小于25%的小应变下也会产生大裂纹，从而导致电子性能明显降低。其次，发光共轭聚合物通常表现出很强的电荷俘获效应，会严重降低电子和空穴电流密度，并且还可能导致非辐射复合。第三，阳极和阴极所需的可拉伸导电聚合物的导电率太低，无法提供高亮度所需的高驱动电流。第四，半导体活性材料和导电聚合物电极之间可能存在能级差，导致电荷注入受阻和驱动电压高。

【成果掠影】

今日，美国斯坦福大学鲍哲南教授等人（通讯作者）报告了一种实现可拉伸的全聚合物基发光二极管的材料设计策略和制造工艺。使用具有纳米限制发光聚合物结构的发光层解决了上述问题，该结构由软弹性体的自发相分离形成，其发光二极管具有高亮度（7450 cd/m²），电流效率（5.3 cd/A）和可拉伸性（100%的应变）。

具体来说，开发了具有高光致发光的弹性发光层的高性能本征可拉伸APLED，在发光聚合物SuperYellow（SY）中引入软弹性聚合物聚氨酯（PU），SY和PU之间的极性基团相互作用，有利于在与SY纳米纤维均匀共混物中实现均匀分布，以实现最佳的连续电荷传输。同时， SY/PU薄膜的机械性能随着PU含量的增加，降低了整体薄膜模量，并由于PU和SY之间的自发相分离有助于SY渗透纳米纤维结构。此外，发光聚合物与合适的弹性体的均匀共混物可以提高拉伸性和电荷载流子传输密度，甚至可以提高电流密度和亮度。随着PU量的增加，可拉伸性以及每SY单位质量的电子和光学性能增加。使用 50 wt% PU，拉伸性大于100%应变，且具有出色的光学性能。随着施加的应变增加， PLQE、电荷载流子传输密度（电子和空穴）以及亮度和电流密度都增强了。作者将此归因于聚合物的排列和薄膜在应变下在垂直方向上的致密化，这两者都有望改善电荷和激子传输。

本文制备了红色、绿色和蓝色的可拉伸全聚合物发光二极管，在皮肤上实现了无线供电和脉冲信号的实时显示。这项工作也标志着高性能可拉伸显示器取得了长足的进步。相关研究成果以“High-brightness all-polymer stretchable LED with charge-trapping dilution”为题发表在Nature上。本文第一作者为中国留学生张智涛。