基于激光直写技术构建自驱动柔性电致发光器件的研究

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随着物联网和大数据的快速发展,数据和信息的爆发式增长对具有信息交互功能和图案显示技术提出了严峻的挑战,尤其在人工智能、电子商务、智能显示等方面产生深远的影响。其中,柔性电致发光(EL)器件在信息交互、可穿戴电子和人工智能等领域发挥及其重要的作用。然而,传统的EL器件需要额外的高频、高压交流电源实现其显示功能,限制了其作为便携式电子设备的应用。此外,实现定制图案显示的EL器件往往需要定制的掩膜版以及昂贵的仪器设备,这些繁琐的操作过程将会进一步增加器件的制作成本。因此,开发一种不需要高频的交流电源及简便、高效、低成本地制备用于图案显示的EL器件仍然是一个挑战。激光直写(LDW)技术作为一种功能强大、可精确编程、无掩模制造工艺,已广泛应用于自驱动传感和柔性电子等领域。利用LDW技术通过刻蚀氧化铜油墨制备不同图案的激光诱导铜(LIC)材料,并将其应用在柔性电子器件领域。基于激光诱导铜电极构建了将低频机械能转化为电能的高性能输出的摩擦纳米发电机(LIC-TENG),并能够驱动便携式电子器件是本工作的第一研究要点。此外,将LIC-TENG器件与电致发光器件集成构建了基于激光诱导铜电极的柔性自驱动电致发光器件,并实现定制图案显示和可视化信息交互的功能是本工作的第二研究要点。基于以上的研究要点,本论文的主要研究内容及创新点如下:(1)借助于高效、低成本且无掩膜的LDW技术通过刻蚀氧化铜油墨成功构建了基于激光诱导铜电极的LIC-TENG。本工作提出基于激光直写制备高导电性的铜薄膜材料,并制备了低成本、高输出的摩擦纳米发电机。铜薄膜材料在不同弯曲角度及长时间的弯折测试下,其电阻值基本保持稳定,表明该材料具有优异的机械柔性和稳定性。面积为3 x 3 cm~2的LIC-TENG能够产生最大的开路电压、短路电流、功率密度分别为200 V、27.4μA、3.0 W·m-2,展现出优异的电学输出性能。此外,经过10000次接触分离运动后,器件仍能保持稳定的电学输出性能。该LIC-TENG器件在接触分离模式下收集环境中低频机械能并将其转化为电能不仅可以直接驱动LED灯,而且还可以通过电源管理电路将其储存在电容器中驱动便携式电子设备。本工作中利用简便、高效的LDW技术制备的LIC-TENG在能源收集、自供能传感等领域具有广阔的应用前景。(2)利用基于激光诱导铜电极的柔性电致发光器件与摩擦纳米发电机集成,构建了用于图案化显示和信息交互的自驱动柔性电致发光系统。本工作创新性提出基于激光诱导铜薄膜图案的电致发光器件能够直接被激光直写制备的LIC-TENG点亮实现自驱动图案化显示的功能。另外,探究了LIC-TENG在不同电压和频率下的电学输出对柔性自驱动电致发光器件性能的影响。LIC-TENG在2 Hz的频率下,输出电压从100 V增加到300 V时,器件的发光强度增加了11.6倍;在120 V的输出电压下,输出频率从0.3Hz增加到2.5 Hz时,器件的发光强度提高了12倍。再者,基于激光诱导铜电极的自驱动柔性电致发光器件在不同弯曲角度(0-150o)和5000次循环测试下仍能保持稳定的发光性能,展现出该系统具备优异的稳定性。此外,进一步开发基于激光直写二维码图案电极的自驱动电致发光(QR-EL)系统,通过智能手机读取和识别发光图案信息实现可视化信息交互的功能。因此,本研究中基于激光诱导铜电极的自驱动柔性电致发光器件在柔性电子、定制图案化显示和信息交互等相关领域具有潜在的发展空间。
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