鲍哲南院士再发Nature皮肤也可变显示 [复制链接]

一、研究背景

实时显示信息对于交互式人机界面至关重要。除了用作视觉读出装置，有机发光二极管还是柔性和可弯曲显示器的关键部件。它们被用于许多领域，例如光学神经刺激(例如，光遗传学)，治疗(例如，治疗新生儿黄疸)和成像(例如，超声波断层成像)。最近，用于连续监测活动、健康和福祉以及疾病早期发作的类皮肤传感器取得了很大进展。尽管柔性显示器很流行，但是仍然缺乏具有可重复拉伸性和低硬度的可拉伸显示器。为了将刚性显示器转变为可拉伸的架构，已经报道了几种策略，包括在弹性聚合物基质中嵌入刚性纳米结构的纳米复合材料或应变工程。然而，这些演示不得不牺牲设备性能、可拉伸性或分辨率。另一方面，本质上可拉伸的聚合物材料即使在高装置密度下也保持可拉伸性。因此，考虑到其低驱动电压、高亮度、快速响应时间、长期稳定性和基于溶液的处理，全聚合物发光二极管(APLEDs)将成为皮肤显示的理想平台。然而，由于几个原因，本质上可拉伸的APLEDs还没有实现。首先，大多数共轭聚合物易碎，即使在小于25%的小应变下也会产生大裂缝，导致电子性能显著降低。其次，发光共轭聚合物通常表现出强烈的电荷俘获效应，严重降低了电子和空穴电流密度，还可能导致非辐射复合。第三，报道的阳极和阴极所需的可拉伸导电聚合物的电导率太低，不能提供高亮度所需的高驱动电流。第四，半导体活性材料和导电聚合物电极之间可能存在能级错位，导致受阻电荷注入和高驱动电压。

二、研究成果

皮肤上的下一代发光显示器应该柔软、可拉伸且明亮。之前报道的可拉伸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。它们要么需要高工作电压，要么拉伸性和亮度、分辨率或应变强度有限。另一方面，本质上可拉伸的聚合物材料具有良好的应变耐受性。然而，实现高亮度对于本质上可拉伸的发光二极管来说仍然是一个巨大的挑战。近日，美国斯坦福大学鲍哲南院士课题组报道了一种材料设计策略和制造工艺，以实现可拉伸的全聚合物基发光二极管，具有高亮度(约坎德拉每平方米)、电流效率(约5.3坎德拉每安培)和可拉伸性(约%应变)。作者制造了可拉伸的红色、绿色和蓝色全聚合物发光二极管，实现了皮肤无线供电和脉冲信号的实时显示。这项工作标志着高性能可拉伸显示器的巨大进步。相关研究工作以“High-brightnessall-polymerstretchableLEDwithcharge-trappingdilution”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

三、图文速递

图1.用于增强发光共轭聚合物膜拉伸性的各种颜色的自发形成的纳米纤维发光结构

图2.增强可拉伸发光共轭聚合物薄膜电学和光学性能的电荷俘获稀释效应

在这项工作中，作者使用具有纳米约束发光聚合物结构的发光层解决了上述问题，所述纳米约束发光聚合物结构通过从软弹性体自发相分离形成。这种策略使得能够同时实现增强的拉伸性和电荷传输。此外，可拉伸的发光层与透明的可拉伸的和高导电性的聚合物电极结合，对于阳极和阴极具有合适的界面改性，以实现可拉伸的APLEDs，其具有高达约cdm-2的亮度和约%应变的拉伸性，总模量约为1MPa(图1a)。

开发具有高光学发光的弹性发光层是实现高性能固有可拉伸APLED的第一步。作者首先研究了作为发光聚合物的超黄SuperYellow(SY)和作为软弹性基质的聚氨酯(PU)(图1b)。含SY纳米纤维的均匀共混物被发现均匀分布(垂直和水平)在旋涂的整个薄膜中(图1c，d)。作者推断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。事实上，当混合SY和非极性聚苯乙烯-嵌段-聚(乙烯-ran-丁烯)-嵌段-聚苯乙烯(SEBS)时，观察到严重的相分离。从eV的共振软X射线散射(R-SoXS)表征(图1e)中，观察到散射峰对应于从约nm到约nm的畴间距，其中PU的量增加，作者认为这是富含PU的畴和SY主导的畴。此外，对于.2eV的X射线，观察到对应于约nm至约nm间距的另一散射峰(图1f)。这些散射峰归因于SY结晶区和SY无定形区之间的对比，由于PU诱导的纳米结构的形成，这在共混膜中比在纯SY散射轮廓中更明显。根据掠入射X射线衍射(GIXD),纯SY膜具有相对低的结晶度，具有面向取向。从半峰全宽计算的相干长度随着PU量的逐渐增加而增加。然而，晶体畴的π-π堆积增强，如SY的π-π间距从4.04减小到3.7，以及紫外(UV)-可见(vis)吸收光谱的逐渐红移所示。认为更短的π-π距离和更长的相干长度可以促进更好的电荷传输，这对混合物的亮度有潜在的好处。

图3.高导电性和高拉伸性PEDOTSS/PR电极

图4.固有可拉伸、低模量和高性能的APLED和具有不同颜色的APLED阵列，适用于可穿戴应用

图4e显示，可拉伸APLED可以拉伸到%应变，同时保持其均匀性和明亮的光发射。可拉伸的APLED显示出优异的稳定性，即使在拉伸次循环至40%应变后，其亮度仍保持在其原始值的约85%。与之前报道的所有可拉伸的PLED相比，可拉伸的APLED表现出最高的亮度(图4f，g)。此外，可以扩展器件结构以制造具有不同颜色或阵列的APLEDs，同时保持它们对机械变形的抵抗力，包括弯曲和拉伸(图4h)。对于实际应用，这种可拉伸APLEDs将需要在附着在人类皮肤上时发挥更长时间的作用。因此，作者着手设计一种灵活的无线能量收集系统，该系统可以用大约9V的低电压为可拉伸的APLED连续供电(图4i)。可拉伸的APLED能够根据测得的人类心跳频率，通过重复闪烁来指示实时脉冲信号(图4j)。

四、结论与展望

在这项研究中，通过合理的材料工程和优化的器件制造，作者同时实现了可拉伸和高效的全聚合物发光二极管。这项工作提供了一种帮助改善视觉人机界面的方法，并为面向未来皮肤电子和生物电子应用的下一代可拉伸光电设备奠定了基础。