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黄维（左）、孟鸿（中）和纪君朋在实验室交流项目进展 。 北京大学供图
柔性电子是近年来全球学术界和产业界研究开发热点 。 其中 ， 电致发光器件起步最早 ， 具有非常广泛的应用前景 。 然而 ， 电致发光器件大多功能单一 ， 封闭的器件结构导致传感功能难以集成 ， 进而难以满足泛物联网时代对发光器件智能性的新要求 。
此外 ， 电致发光器件大多采用直流电或单相交流电驱动 ， 这也导致电致发光器件无法直接接入三相电网 ， 且需要复杂的后端电路 ， 造成新的能源消耗并增加运行成本 。
日前 ， 由中国科学院院士、西北工业大学柔性电子前沿科学中心首席科学家黄维领衔团队联合北京大学深圳研究生院教授孟鸿课题组 ， 创造了全球首个由三相交流电驱动的电致发光器件 ， 同时成功赋予该器件开放式传感接口 ， 可满足多种智能传感功能需要 。 这一原始创新成果在线发表于《自然—通讯》 。
突破瓶颈
传统“三明治型”叠层结构给柔性电子带来极富挑战性的本征难题 。
应用在柔性电子中的传统光电器件 ， 无论是无机发光、有机发光 ， 还是量子点和钙钛矿发光二极管 ， 都是“三明治型”叠层结构 ， 需要在功能层两侧夹两个电极 。 为了保证发射或吸收光 ， 其中至少一个电极必须透明 。
这给行业发展造成瓶颈 。 论文通讯作者黄维告诉《中国科学报》 ， “首先 ， 透明电极成本高 ， 是整个器件成本构成的主要部分 。 其次 ， 人们不断对电子设备提出可拉伸、可折叠等更高要求 ， 而电极透明性需求会大大缩小电极可选择范围 ， 限制了在未来智能可穿戴应用中的发展 。 第三 ， 上下电极堆叠形成封闭器件结构 ， 难以直接集成传感模块 ， 实现传感和人机交互功能 。 ”
为解决这一世界性难题 ， 在黄维指导下 ， 孟鸿课题组于2014年成功实现了共平面电极新型电致发光器件结构构思 ， 并于2015年申请相关国际专利 。
孟鸿告诉采访人员 ， “这种结构的电致发光器件可采用任何材料作为基底 ， 使用任意稳定导体作为电极 ， 无需使用价格高昂且制备工艺复杂的透明导体电极 。 此外 ， 这种新型结构不仅工艺简单 ， 利于大规模制造 ， 更重要的是 ， 与传统发光器件相比 ， 一对电极排列的方式不再是相互堆叠而是并排分布 。 正是这种结构优势 ， 创造了远程遥感发光的发光器件 ， 并有望实现智能发光的广泛应用 。 ”
时至今日 ， 电致发光器件已由只有一个发光单元的“三明治型”结构拓展到具有两个发光单元的共平面电极型结构 。
基于共平面电极的新型电致发光器件结构 ， 是否可以进一步将电致发光器件的发光单元拓展到3个甚至更多 ， 以在照明、显示、传感等多领域实现更多具有独特吸引力的应用？这正是科研人员亟待解决的问题 。
以简驭繁
如何用简单方法实现电致发光器件直接由三相交流电驱动呢？黄维团队构筑了一种具有柔性和多功能的三相电驱动电致发光器件（TPEL） 。
“这是世界上首次报道由三相交流电直接驱动的电致发光器件 。 ”孟鸿介绍说 ， 该器件结构包括3个独立电极 ， 在每个输入电极顶部均涂有介电层和发光层 。 它不需要透明导电材料作为电力输入电极 ， 当顶部发光层被极性电桥连接时就会发光 。 电桥介电常数、偶极矩和黏度均可以影响交流电致发光器件性能 。 然而 ， 电桥导电性对器件性能并不产生直接影响 ， 甚至可以使用绝缘材料代替昂贵的透明电极 。
此外 ， 独特的器件结构和外耦合的极性电桥也使TPEL器件具有多种应用功能 。
道生一 ， 一生二 ， 二生三 ， 三生万物 。 论文第一作者、北京大学硕士生纪君朋进一步介绍说 ， “古代哲学家老子所说的三生万物很适合用来描述全彩显示领域 ， 因为使用三原色就可以在调色板上创造出任何颜色 。 由于TPEL器件有3个发光单元 ， 可以设计器件结构使3个发光单元分别发射红光、绿光和蓝光 ， 即一个器件发出3种不同颜色 ， 实现像素功能 。 ”
另外 ， 团队将三相电直接驱动的概念扩展到有机发光器件 ， 制备了三相电驱动的有机发光器件 。 虽然并没有专门针对新型结构进行优化以实现最高器件性能 ， 但与无机TPEL器件相比 ， 所制备的有机器件达到了更高的亮度（最高6601 cd/m2）和电流效率（最高16.2 cd/A） ， 证实了三相电的驱动方法广泛适用于各种发光材料 。
未来可期
研究团队还为采访人员演示了一种多功能柔性TPEL面板 。 为制备大面积照明面板 ， 他们设计了适用于三相电驱动的特殊叉指电极结构 。 由三相电直接驱动的大面积发光面板不仅适用于一般固态照明 ， 也可用于交互性显示和传感等 。
例如 ， 可交互重写的显示面板：使用蘸水毛笔就可以在面板上任意书写 ， 来自笔刷的水作为极性电桥 ， 只有被墨水覆盖的部分会发光 。 与其他交互式可重写显示器不同 ， TPEL面板不仅由三相电源驱动 ， 而且不需要特殊的导电和透明材料 ， 也不需要复杂的压力传感系统和后端电路 。
【结构|“三生万物”重塑电致发光器件】TPEL面板还可以作为传感面板直接连接到220V、50Hz远距离三相输电线上 。 纪君朋介绍说 ， “几乎所有威胁电力线路安全的因素 ， 如雨、雪、冻雨、冰积或极端潮湿环境 ， 都可以通过连接TPEL面板检测到 ， 并远程发出光报警 。 当电力线出现异常 ， 如相位丢失或三相电压不平衡 ， TPEL面板也可以作为传感器进行远程光通信 。 ”
谈及未来科研规划 ， 孟鸿表示：“我们也在尝试使用热活化延迟荧光材料、聚合物发光材料、钙钛矿量子点发光材料等更多新兴材料作为共平面电极新型结构器件的发光层材料 ， 使用多样化发光材料体系将给这种新型器件结构带来更加多样化的应用 ， 已经取得的相关研究成果将陆续发表 。 ”
“多样化外耦合极性电桥将给新型电致发光器件结构带来更多潜在应用 ， 例如将脑神经信号施加到开放极性电桥上形成具有传感显示功能的脑机接口 。 ”黄维对该成果的应用充满信心 。
“外耦合极性电桥共平面电致发光器件和可穿戴显示技术结合 ， 有望实现人体机能传感和显示器件无缝融合 ， 在智能传感领域拥有更广阔的潜在应用前景 。 今后课题组也将致力于开发该类型器件的更多应用场景 。 ”黄维说 。
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-020-20265-2
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