科研“女神”鲍哲南最新Nature
背景介绍
在人类皮肤上使用的的下一代发光显示器应该具备柔软、可拉伸且更加明亮等功能，以前报道的可伸缩发光器件大多基于无机纳米材料，如发光电容器、量子点或钙钛矿，它们要么需要高的工作电压，要么在应变下仅具有有限的拉伸性、亮度、分辨率和鲁棒性。另一方面，可拉伸聚合物材料天生具有良好的耐应变性。然而，对于固有的可伸缩发光二极管来说，实现高亮度仍然是一个巨大的挑战。
研究问题
本文报告了一种材料设计策略和制造工艺，以实现具有高亮度（每平方米约7450坎德拉），高电流效率（每安培约5.3坎德拉）和高拉伸性（约100%应变）的可伸缩全聚合物发光二极管。本文制造可拉伸的全聚合物发光二极管的颜色为红色、绿色和蓝色，可实现在皮肤上进行无线供电和实时显示脉冲信号。这项工作标志着在高性能可伸缩显示器方面取得了相当大的进步。
图文分析
要点：
1. 开发具有高光致发光的弹性发光层是本文实现高性能本征可拉伸 APLED 的第一步。首先研究了作为发光聚合物的 Super Yellow（SY）和作为软弹性基质的聚氨酯（PU）（图 1b）。发现与 SY 纳米纤维的均匀共混物在旋涂工艺制备的整个薄膜中是均匀分布的（垂直和水平）（图 1c，d）。本文推断 SY 和 PU 之间的极性基团相互作用可能有利于实现这种理想的形态，以实现最佳的连续电荷传输性能。
2. 使用 284.2 eV 的X 射线，本文观察到另一个散射峰，对应于约 105nm 至约 160nm 的间距（图 1f）。本文将这些散射峰归因于 SY 结晶区域和 SY 非晶区域之间的对比，由于 PU 诱导的纳米结构形成，其在混合膜中比在纯 SY 散射分布中更明显。
3. 本文对 SY/PU 薄膜的机械性能进行了表征。正如预期的那样，随着 PU 从 0 增加到 70wt%，SY/PU 的弹性模量从 4.9GPa降低到 205MPa（图 1g）。结果发现，裂纹的形成明显延迟（图1h）。这种可拉伸性的提高可归因于软质 PU 弹性体的加入，由于 PU 和 SY 之间的自发的相分离，这降低了整体薄膜的模量并帮助 SY 形成渗透纳米纤维结构。
要点：
1. 本文还研究了 PU 对 SY 的电子和光学性能的影响。首先测试了 SY/PU 薄膜的光致发光量子效率 (PLQE)。观察到较高的 PU含量会产生较高的 PLQE 值（图 2a）。同时，随着PU 从 0 增加到 70wt%（图 2a），光致发光（PL）寿命从 1.49 增加到 1.85ns。
2. 为了确定电子和空穴电流密度的提高以及陷阱辅助非辐射复合（non-radiative trap-assisted）的减少是否可以增强 SY/PU 薄膜的电致发光，本文在刚性基板上对其进行了测试（图 2c）。在较低的 PU 量下，电荷俘获稀释效应似乎占主导地位，因为电流密度大大提高并导致比纯 SY 更高的亮度。随着 PU 含量增加到 70wt%(2,365cdm−2)，发光 SY成为主导因素，导致电流密度降低和亮度降低。
3. 随着施加的应变的增加，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得到了增强（图 2f-h）
要点：
1. 为了在保持低薄层电阻和高光学透明度的同时增加其拉伸性，本文最近开发了一种添加剂聚轮烷（PR），它是一种基于水溶性聚乙二醇（PEG）主链和带有PEG甲基丙烯酸酯侧链的sliding cyclodextrins（图 3a，b）。已知 PEG 可诱导 PEDOT 纳米纤维的形成以增强导电性，但 PEG的高结晶度会导致严重的相分离和低拉伸性。
2. 使用波长为 365nm 的光源进行光交联后，PEDOT:PSS/PR 电极变得不再溶于溶剂之中，PEDOT 纳米纤维锁定在交联的 PR 网络中，因而同时实现了高拉伸性、导电性、透明度和器件可加工性（图 3c）。
要点：
1. 通过上述精心定制和选择的材料，结合器件制造工艺优化，本文制造了高性能可拉伸 APLED。器件结构和能级序列图如图4a、b所示。可拉伸APLED的特征电流密度-亮度-电压和电流效率-亮度曲线如图4c所示。APLED 可以在约 5V 时开启，并观察到在 15V 时达到约 7450cdm-2 的最大亮度（从阴极侧测量）。
2. 接下来，本文研究了拉伸之后的性能。如图4d所示，随着应变的逐渐增加，测量了特征应变-亮度-电流密度-电流效率曲线。首先，拉伸情况下的电流密度的降低主要归因于 PEDOT:PSS/PR 电极的薄层电阻增加。其次，观察到亮度首先在较低应变下增加（可能是因为更好的界面接触），然后在较高应变下降低。第三，较低应变下电流密度和亮度的相反变化导致电流效率逐渐提高，表明电荷注入更加平衡。
3. 对于实际应用，本文的可拉伸 APLED 需要在附着在人体皮肤上时长时间发挥作用。因此，本文着手设计一种灵活的无线能量收集系统，该系统可以在大约 9V的低电压下连续为可拉伸的 APLED 供电（图 4i）。
小结
总之，通过合理的材料工程和优化的器件制造，本文同时实现了可拉伸和高效的 APLED。这项工作提供了一种帮助改善视觉的人机界面的方法，并为下一代可拉伸光电设备面向未来的皮肤电子和生物电子应用奠定了基础。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04400-1
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