首個三相交流電驅動電致發光器件問世

  近年來，柔性電子掀起了全球學術界和產業界的研究熱潮，成為科學技術前沿熱點。其中，電致發光器件在柔性電子研究中起步最早，且具有非常廣泛的應用前景。

然而，目前的電致發光器件大多功能單一，而且封閉的器件結構導致很難集成傳感功能以滿足泛物聯網時代對發光器件智能性的新要求。此外，電致發光器件大多采用直流電或單相交流電驅動，這導致電致發光器件無法直接接入到三相電網中，需要復雜的后端電路，造成新的消耗能源并增加運行成本，這一研究空白亟待科學家來填補。

日前，中國科學院院士、西北工業大學柔性電子前沿科學中心首席科學家黃維領銜團隊與北京大學深圳研究生院教授孟鴻課題組攜手，創新性地實現了世界上首個由三相交流電驅動的電致發光器件，同時成功地賦予了該器件開放式的傳感接口，可滿足多種智能傳感功能的需要。研究成果于《自然—通訊》在線發表。

突破瓶頸

傳統的“三明治型”疊層結構給柔性電子領域帶來了一些極富挑戰性的難題。

應用在柔性電子中的傳統光電器件，無論是無機發光、有機發光，還是量子點和鈣鈦礦發光二極管，都是“三明治型”的疊層結構，也就是需要在功能層兩側夾有兩個電極。同時，為了保證發射或吸收光，其中至少一個電極必須是透明的。

這給行業發展帶來不小的瓶頸。論文通訊作者黃維告訴《中國科學報》，“首先，透明電極的成本高，成為整個器件成本構成的主要部分；其次，隨著人類與電子設備的距離越來越近，對電子設備提出可拉伸、可折疊的要求，對電極透明性的需求將大大縮小電極的可選擇范圍，限制了其在未來智能可穿戴應用中的發展；第三，上下電極堆疊形成封閉的器件結構，難以直接集成傳感模塊，實現傳感和人機交互的功能。”

為解決這一世界性難題，在黃維的指導下，孟鴻課題組于2014年成功實現了共平面電極新型電致發光器件結構的構思，并于2015年申請了相關國際ZL。

孟鴻告訴記者，“這種結構的電致發光器件可以采用任何材料作為基底，任意穩定導體作為電極，無需使用價格高昂且制備工藝復雜的透明導體電極。這種新型結構不僅工藝簡單，利于大規模的制造，更重要的是，與傳統意義上的發光器件相比，一對電極相互排列的方式不再是相互堆疊而是并排分布。正是由于這種結構上的優勢，實現了遠程遙感發光的發光器件，并有望實現智能發光的廣泛應用。”

道生一，一生二，二生三，三生萬物。時至今日，電致發光器件已經由只具有一個發光單元的“三明治型”結構拓展到了具有兩個發光單元的共平面電極型結構。

那么，基于共平面電極的新型電致發光器件結構是否可以進一步將電致發光器件的發光單元拓展到三個甚至更多，在照明、顯示、傳感等多領域實現更多具有獨特吸引力的應用呢？這正是科研人員亟待解決的。

三生萬物

如何用簡單的方法實現電致發光器件直接由三相交流電驅動呢?

課題組從實驗上實現了這一構想，構筑了一種具有柔性和多功能的三相電驅動的電致發光器件（TPEL）。孟鴻介紹說，“這是世界上首次報道的由三相交流電直接驅動的電致發光器件。”

該器件結構包括三個獨立電極，在每個輸入電極的頂部均涂有介電層和發光層。它不需要透明導電材料作為電力輸入的電極，當頂部發光層通過極性電橋連接時就會發光。電橋的介電常數、偶極矩和粘度均可以影響ACEL器件的性能，然而，電橋的導電性對器件的性能并不產生直接的影響。也就是說，甚至可以使用絕緣材料來代替昂貴的透明電極。

具有三個發光單元的TPEL器件除了具有制備方法簡單、無需透明上電極、可直接由三相電驅動等本征優勢以外，獨特的器件結構和外耦合的極性電橋也使得TPEL器件具有多種應用功能。

“哲學家老子所說的三生萬物很適合用來描述全彩的顯示領域，因為使用三原色就可以在調色板上創造出任何顏色。由于TPEL器件有三個發光單元，可以設計器件結構使三個發光單元分別發射紅光、綠光和藍光，即一個器件發出三種不同的顏色，實現像素功能。”論文第一作者，北京大學碩士生紀君朋進一步介紹。

這實現了不像傳統像素必須分解為三個獨立的器件：紅色發光器件、綠色發光器件和藍色發光器件，且每個器件都需要兩個電極，還必須要求其中一個電極是透明的。

另外，團隊將三相電直接驅動的概念擴展到有機發光器件，制備了三相電驅動的有機發光器件。雖然并沒有專門針對新型結構進行優化以實現最高的器件性能，但與無機TPEL器件相比，所制備的有機器件達到了更高的亮度（最高6601 cd/m2）和電流效率（最高16.2 cd/A）。證實了三相電的驅動方法廣泛適用于各種發光材料。

未來可期

此外，研究團隊還演示了一種多功能的柔性TPEL面板。為制備大面積的照明面板，他們設計了適用于三相電驅動的特殊叉指電極結構。制備的可由三相電直接驅動的大面積發光面板不僅適用于一般固態照明，也可用于交互性顯示和傳感等方面。

例如，可交互重寫的顯示面板。使用蘸水的毛筆可以在該面板上任意書寫，來自筆刷的水作為極性電橋，只有被墨水覆蓋的部分發光。

紀君朋介紹說，“幾乎所有威脅電力線路安全的因素，如雨、雪、凍雨、冰積或極端潮濕的環境，都可以通過連接的TPEL面板檢測到，并遠程發出光報警。當電力線中出現異常時，如相位丟失或三相電壓不平衡，TPEL面板也可以作為傳感器進行遠程光通信。”

談及對未來的科研規劃，孟鴻表示：“我們也嘗試使用熱活化延遲熒光材料、聚合物發光材料、鈣鈦礦量子點發光材料等更多新興材料作為共平面電極的新型結構器件的發光層材料，使用多樣化的發光材料體系將給這種新型器件結構帶來更加多樣化的應用，已經取得了相關研究成果將陸續發表。”

對于該成果帶來的啟發性意義，黃維充滿了信心。 “多樣化的外耦合極性電橋將給新型電致發光器件結構帶來更多的潛在應用，例如將腦神經信號施加到開放的極性電橋上實現具有傳感顯示功能的腦機接口。”

“具有外耦合極性電橋的共平面電致發光器件和可穿戴顯示技術結合，還有望實現人體機能傳感和顯示器件的無縫融合，在智能傳感領域擁有更廣闊的潛在應用前景。今后課題組也將著力于進一步開發該類型器件的更多應用場景。”黃維說。