Инженеры нашли необычный способ заставить хрупкие материалы работать в растягиваемых OLED. Вместо бесконечной борьбы с трещинами исследователи разрешили светящемуся слою растрескиваться, но заставили повреждения возникать в строго контролируемых местах и оставаться наноскопическими. Такой подход позволил OLED продолжать светиться даже при растяжении устройства на 250%.
Разработку представили ученые Северо-Восточного педагогического университета и Цзилиньского педагогического университета в Китае. Работа опубликована 27 августа в Nature Communications. Исследователи сосредоточились на OLED с низкомолекулярными органическими полупроводниками. Подобные материалы обеспечивают высокие оптические характеристики, но плохо переносят механическую деформацию: при растяжении в слоях возникают случайные трещины, которые быстро нарушают перенос заряда и снижают яркость.
Обычный подход к растягиваемой электронике строится вокруг подавления трещин или замены жестких компонентов более эластичными аналогами. Авторы новой работы пошли в противоположную сторону и разработали систему управления механическими напряжениями. Многослойная структура направляет возникающие повреждения так, чтобы вместо крупных разрывов внутри активного слоя формировались отдельные нанотрещины, не пересекающие всю толщину OLED.
Ключевую роль играет асимметричная конструкция электродов. С одной стороны активного слоя находится сравнительно мягкий прозрачный электрод из PEDOT:PSS и сети одностенных углеродных нанотрубок, с другой расположен значительно более жесткий алюминиевый электрод. Разница механических свойств перераспределяет напряжение и задает направление роста трещин. В оптимальной конструкции ширина отдельных нанотрещин составляла около 65 нм, а расстояние между соседними повреждениями достигало примерно 4,2 мкм.
Нанотрещины фактически делят светящийся слой на множество небольших участков, каждый из которых продолжает проводить заряд и генерировать свет. Повреждения остаются внутри активного материала и не превращаются в крупные разрывы, способные разорвать электрическую цепь или вызвать расслоение всей структуры. При использовании традиционной схемы с жестким ITO-электродом при растяжении на 80% исследователи наблюдали крупные сквозные трещины и расслоение между слоями.
Экспериментальный OLED выдержал растяжение до 250% и продолжил равномерно светиться. Дополнительные материалы к исследованию уточняют важную деталь: при таком режиме вся область электродов увеличивалась на 250%, тогда как непосредственно светящаяся область удлинялась примерно на 50%. Поэтому результат относится к деформации всей конструкции OLED, а не к увеличению каждого светящегося элемента в 3,5 раза.
Механическая выносливость не потребовала жертвовать характеристиками свечения. Максимальная яркость достигла 16 050 кд/м², токовая эффективность составила 85,7 кд/А, а внешняя квантовая эффективность достигла 24,7%. Для жесткого контрольного OLED на основе ITO исследователи получили 65,5 кд/А и 18,9% соответственно.
Контролируемые трещины выдержали и длительные нагрузки. После 1500 циклов растяжения и возврата при деформации 30% зеленый OLED сохранил 86,5% первоначальной яркости. Синие, желтые и красные варианты после тех же испытаний сохранили 82,9%, 83,7% и 80,5% яркости соответственно. При двухосном растяжении на 20% зеленый образец после 1500 циклов сохранял 81,2% исходного свечения. Микроскопия показала лишь небольшое увеличение числа локальных нанотрещин без перехода повреждений в крупные разрывы.
Разработка меняет сам подход к созданию растягиваемой электроники. Вместо попытки превратить каждый хрупкий материал в эластичный инженеры могут заранее определить, где и каким образом материал будет разрушаться под нагрузкой. Авторы считают, что управляемое растрескивание поможет использовать высокоэффективные низкомолекулярные органические полупроводники в носимых дисплеях, электронике для кожи и устройствах, которые должны принимать форму сложных поверхностей.