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Nature：斯坦福鲍哲南教授团队研发高亮度、可拉伸的全聚合物发光二极管

2022-03-24 12:14

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创果壳硬科技我是科学家iScientist

2022年3月24日，斯坦福大学鲍哲南教授团队，在Nature发表题为“High-brightness all-polymer stretchable LED with change-trapping dilution”的研究论文。果壳硬科技邀请了论文第一作者张智涛撰写解读文章。以下为张智涛的分享内容。

论文截图

近年来，可穿戴电子设备，特别是电子皮肤受到了人们的广泛关注，可用于日常活动监测、疾病预防和疾病治疗等。其中，作为电子皮肤和人类的交互界面，电子皮肤显示器的功能就显得尤为重要，如高柔软性、高拉伸性和高亮度等。

为了使刚性显示器具有较好的柔性和拉伸性，通常采用的策略分为两种：一是将刚性的纳米材料嵌入到弹性聚合物基质中；二是在小的刚性单元中引入可拉伸结构桥梁。然而，这些策略势必要牺牲发光器件的亮度、驱动电压、拉伸性以及分辨率等。我们注意到，自身具有拉伸性的聚合物材料不会遭遇上述难题，即使器件密度很高，这种材料也能保持较好的拉伸性。因此，我们将目标对准全聚合物的可拉伸发光器件，特别是高亮度可拉伸全聚合物发光二极管。

构建高亮度可拉伸全聚合物

发光二极管的难题

现有的聚合物材料种类很多，但受限于它们自身的电学、光学和力学性质，很难满足构建高亮度可拉伸发光器件的应用需求。

首先，大多数共轭聚合物材料相对刚性，即使在小于25%应变条件下也会产生较大裂缝，从而导致材料内部电子性能显著降低；其次，共轭聚合物发光材料通常表现出较强的电荷俘获效应，会严重降低材料内部电子电流密度，并导致非辐射复合；再次，现有的可拉伸聚合物电极电导率较低，无法满足高亮度发光器件的制备需求；另外，聚合物发光层和聚合物电极之间存在较大能级差，会导致电荷注入受阻和高驱动电压。

因此，研究团队若想实现高亮度可拉伸全聚合物发光二极管，需要先设计并得到高性能聚合物材料，然后优化发光器件结构。

破局：引入聚氨酯

高性能可拉伸聚合物发光材料是构建可拉伸聚合物发光二极管的核心。研究发现，通过在聚合物发光材料（SuperYellow）中引入另一种弹性聚合物，如聚氨酯，通过两者之间的极性相互作用可以有效地调控聚合物发光材料的形貌，使其形成类似纤维状的结构。该独特的纤维结构可以有效优化材料内部电荷传输路径，使得电荷可以快速传输。同时，由于引入了另一种低模量的弹性聚合物，使得整个薄膜具有较低的模量以显著改善聚合物发光材料的拉伸性能。我们认为，上述方法具有很好的普适性，可以应用到其他颜色的聚合物发光材料中。

聚合物发光材料的形貌和机械性质调控，高性能可拉伸聚合物发光材料是构建可拉伸聚合物发光二极管的核心| 团队供图

可拉伸聚合物发光材料，拉伸其两倍也不会撕裂 | 团队提供

通过进一步研究发现，聚氨酯的引入不仅可以有效改善聚合物发光材料的拉伸性能，还可以有效降低其内部电子陷阱密度，从而大幅提高发光材料的电学和光学性能，主要涉及到光致发光量子效率（PLQE）、光致发光(PL)寿命以及电流密度等。

增强聚合物发光材料电学和光学性质 | 团队供图

优化发光器件结构

构建高性能可拉伸聚合物发光二极管，除了高性能聚合物发光材料以外，高电导率、透明、可拉伸聚合物电极和功函数匹配的聚合物界面修饰层同样十分重要，可以有效促进电子和空穴的注入并产生光。通过不断优化发光器件中每一层材料，我们最终得到了高亮度的可拉伸全聚合物发光二极管，器件的亮度最高可以达到7,450 cd/m2，最大形变量可以达到100%。

由于该器件需要的驱动电压较低，因此可以采用无线装置对其进行供电，显著扩展其应用范围。而且，在监测人心跳频率时，该发光二极管可以同步显示脉冲信号，实时显示心率。

除了高性能聚合物发光材料以外，高电导率、透明、可拉伸聚合物电极和功函数匹配的聚合物界面修饰层同样十分重要 | 团队供图

高亮度可拉伸全聚合物发光二极管，亮度高，形变量大 | 团队供图

参考文献

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04400-1

作者：张智涛

编辑：酥鱼

排版：尹宁流

题图：可拉伸聚合物发光材料，拉伸其两倍也不会撕裂

题图来源：团队提供

研究团队

通讯作者鲍哲南：斯坦福大学化工系K.K. Lee讲席教授，美国工程院、科学与艺术学院两院院士，主要从事人造电子皮肤、有机半导体、生物电子学、锂电池等领域的研究。

鲍哲南教授团队

第一作者张智涛：2012年本科毕业于华东理工大学材料科学与工程学院，获理学学士学位；之后进入复旦大学先进材料实验室彭慧胜教授课题组获得理学博士学位，主要从事织物电子学方面研究。2017年底，加入美国斯坦福大学化学工程系鲍哲南教授课题组从事博士后研究，主要研究领域为人造电子皮肤。即将加入上海交通大学，建立独立研究课题组，从事柔性电子材料与器件方面的研究工作，欢迎对该领域有浓厚研究感兴趣的同学加入课题组，共同推进该领域的发展。