近年來(lái),電致發(fā)光(EL)器件由于其低功耗、制備簡(jiǎn)單、高耐久性、均勻的光發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)受到了研究者們的廣泛關(guān)注,并且在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、顯示和信息通信等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力。然而,構(gòu)建能夠在嚴(yán)寒條件下具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性的可穿戴電致發(fā)光器件仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。
圖1.(a)可穿戴的自驅(qū)動(dòng)EL系統(tǒng)的原理圖;(b)基于液體電解質(zhì)的LE-TENG原理圖;(c)OH-EL器件的原理圖;(d)OH-EL器件的實(shí)物圖;(e)發(fā)光層的SEM圖像;(f)OH-EL器件發(fā)光強(qiáng)度隨ZnS:Cu/PVDF-HFP質(zhì)量比的變化圖;(g)OH-EL器件發(fā)光強(qiáng)度隨發(fā)光層厚度的變化圖;(h)不同電壓、不同頻率下OH-EL器件發(fā)光強(qiáng)度變化圖。
近期,河南大學(xué)光伏材料省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王新教授團(tuán)隊(duì)提出了一種可穿戴和耐低溫的自驅(qū)動(dòng)電致發(fā)光系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了在低溫下長(zhǎng)期穩(wěn)定的顯示。自驅(qū)動(dòng)電致發(fā)光系統(tǒng)由基于有機(jī)水凝膠(NaCl/明膠)的柔性電致發(fā)光器件與摩擦納米發(fā)電機(jī)構(gòu)建而成;谧孕迯(fù)、耐低溫、可拉伸有機(jī)水凝膠構(gòu)建的電致發(fā)光(OH-EL)器件能夠直接被液態(tài)電解質(zhì)(KI/甘油)的單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)點(diǎn)亮(LE-TENG)。自驅(qū)動(dòng)電致發(fā)光系統(tǒng)的發(fā)光強(qiáng)度與發(fā)光層中ZnS:Cu熒光粉含量、發(fā)光層厚度、以及TENG提供的驅(qū)動(dòng)電壓和頻率相關(guān)。當(dāng)ZnS:Cu/PVDF-HFP質(zhì)量比為1.2、發(fā)光層的厚度為110 μm時(shí),實(shí)現(xiàn)了OH-EL器件的最優(yōu)化電致發(fā)光性能。同時(shí),TENG提供的驅(qū)動(dòng)電壓和頻率對(duì)OH-EL器件的發(fā)光強(qiáng)度也具有重要的影響,隨著頻率和電壓的增加,OH-EL器件的發(fā)光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。為了展示OH-EL器件的機(jī)械形變性能,分別測(cè)試了在不同形變情況下的發(fā)光情況,結(jié)果表明在彎曲、扭轉(zhuǎn)和拉伸(140%)的狀態(tài)下均能保持穩(wěn)定的發(fā)光,如圖2a-c所示。另一方面,為了驗(yàn)證電致發(fā)光系統(tǒng)在低溫下的發(fā)光性能,檢測(cè)了不同溫度(298 K-253 K)下器件發(fā)光強(qiáng)度,并無(wú)明顯變化,如圖2d所示。同時(shí)為了探究電致發(fā)光系統(tǒng)的長(zhǎng)期耐低溫性能,將其放置在253 K環(huán)境中六個(gè)月,仍能保持明亮的光發(fā)射,如圖2e所示。此外,該系統(tǒng)可穿戴在人體的不同部位,通過(guò)LE-TENG收集人體機(jī)械能(如手拍、胳膊彎曲和腿部彎曲)并轉(zhuǎn)換為電能驅(qū)動(dòng)電致發(fā)光器件,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的可視化顯示,如圖2f所示。因此,基于OH-EL器件和LE-TENG的自驅(qū)動(dòng)電致發(fā)光系統(tǒng)為長(zhǎng)期耐低溫顯示提供了一種簡(jiǎn)單有效的方法。該工作以“Wearable, freezing-tolerant, and self-powered electroluminescence system for long-term cold-resistant displays”為題發(fā)表在(Nano Energy. 2022,107309)上。文章的第一作者是河南大學(xué)碩士研究生朱燕,通訊作者是王新教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。
圖2.(a)OH-EL器件在彎曲、旋轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的發(fā)光光學(xué)圖像;(b)OH-EL器件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線;(c)OH-EL器件在不同拉伸程度下的發(fā)光光學(xué)圖像;(d)OH-EL器件在不同溫度(298~253 K)下的發(fā)光光學(xué)圖像;(e)OH-EL器件在253 K環(huán)境中,六個(gè)月內(nèi)的發(fā)光光學(xué)圖像;(f)通過(guò)收集生物機(jī)械能點(diǎn)亮可穿戴的自驅(qū)動(dòng)電致發(fā)光系統(tǒng)。
該工作是團(tuán)隊(duì)近期有關(guān)自驅(qū)動(dòng)電致發(fā)光器件光學(xué)性質(zhì)研究的最新進(jìn)展之一。利用摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)的工作原理,課題組發(fā)展了一系列基于摩擦發(fā)電的自驅(qū)動(dòng)傳感器和能源收集器件。電極材料是TENG的重要組成部分,團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了基于KI溶于甘油的電介質(zhì)的工作電極,構(gòu)建了具有可拉伸和形狀自適應(yīng)的TENG,并且該器件具有超過(guò)1年的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,利用該器件能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互(Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007221.);為了適用惡劣環(huán)境收集機(jī)械能的需要,團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于導(dǎo)電、可拉伸和耐凍有機(jī)水凝膠(1.6 S/m)為電極的應(yīng)力傳感器和TENG,并實(shí)現(xiàn)了抗凍性的TENG (Nano Energy, 2022, 95, 106967.);另外,基于激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)陣列電極的自驅(qū)動(dòng)傳感器件及其觸覺(jué)成像研究,實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)觸覺(jué)、滑動(dòng)觸覺(jué)和軌跡追蹤的功能及其實(shí)時(shí)成像功能 (Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2100709);此外,利用激發(fā)直寫(xiě)技術(shù)制備了圖案化的激光誘導(dǎo)銅電極(LIC),并且基于LIC構(gòu)建高輸出性能的TENG,以及LIC-TENG驅(qū)動(dòng)的圖案化的二維碼發(fā)光成像,實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)直接讀取光學(xué)信息的人機(jī)交互(Nano Energy, 2022, 97, 107116.);同時(shí)開(kāi)發(fā)了一種高亮度、高分辨率的柔性摩擦起電誘導(dǎo)電致發(fā)光皮膚(TIEL-skin),能夠顯示空間分辨率為220 μm的指紋成像,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)成像和人機(jī)信息交互(Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2201292);以及其他相關(guān)工作(Nano Energy, 2020, 73, 104843;Nanoscale, 2021, 13, 18363)。
原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107309
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