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科技之光：可用于皮膚的有機(jī)發(fā)光二極管顯示器

來源：環(huán)球科學(xué)

發(fā)布時(shí)間：2021-06-16

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科技之光：可用于皮膚的有機(jī)發(fā)光二極管顯示器

全彩色AMOLED顯示器，及其基于大面積MoS2的底板。(A)如圖所示，將基于高性能MoS2的底板置于4英寸載玻片基板上, 并把Al2O3覆蓋層應(yīng)用到載玻片基板上的MoS2薄膜以實(shí)現(xiàn)氮摻雜效應(yīng)（左上），將有源矩陣全彩色顯示器應(yīng)用于超薄聚合物基板（右上），并在人手上測試大面積全彩色顯示器（右下）。(B) 有源矩陣全彩色像素陣列與MoS2晶體管集成方案，每個(gè)像素通過柵極、數(shù)據(jù)和陰極互連器連接起來，用于線路尋址控制。(C) 4英寸載玻片基板上有源矩陣顯示器的數(shù)碼照片，此處插圖為啟動時(shí)的全彩色顯示器。(D) 超薄聚合物基板上大面積全彩色顯示器的數(shù)碼照片，展示了超薄材料低彎曲剛度所導(dǎo)致的柔性機(jī)械性能。圖片來源:
Minwoo Choi，延世大學(xué)。

針對可用以監(jiān)測人體健康和充當(dāng)醫(yī)療機(jī)器人的可折疊或可穿戴顯示器，電子應(yīng)用發(fā)展的形式日新月異。優(yōu)化此類設(shè)備依靠有機(jī)發(fā)光二極管（OLEDs）實(shí)現(xiàn)。然而，受限于其傳統(tǒng)電子元件的形式，開發(fā)出具有高機(jī)械柔性的半導(dǎo)體材料仍然是項(xiàng)挑戰(zhàn)。據(jù)《科學(xué)·進(jìn)展》的一項(xiàng)新報(bào)道，崔敏宇和大韓民國電子工程和材料科學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種可穿戴的全彩色OLED顯示器，該顯示器使用基于二維（2-D）材料的背板晶體管。他們在二硫化鉬(MoS2)薄膜上設(shè)計(jì)了一個(gè)18×18薄膜晶體管陣列，并將MoS2膜轉(zhuǎn)移到氧化鋁（Al2O3）/聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）表面。崔等人隨后在設(shè)備表面放置紅色、綠色和藍(lán)色的OLED像素點(diǎn)，并觀察到二維材料具有出色的力學(xué)和電學(xué)性能。表面可以驅(qū)動電路以控制OLED像素，從而實(shí)現(xiàn)超薄的可穿戴設(shè)備。

科學(xué)家和工程師必須在可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域進(jìn)行廣泛研究，以開發(fā)出聚焦于柔性設(shè)備和超薄基板的智能電子系統(tǒng)。這種材料的固有局限性促使人們在薄膜晶體管（TFTs）和性能相對較高的邏輯電路中使用替代性半導(dǎo)體材料（例如MoS2）。這些材料被稱為過渡金屬硫化物，它們?yōu)榭纱┐麟娮釉O(shè)備的背板電路提供特有的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能。近期，研究人員開發(fā)出具有復(fù)雜紅、綠、藍(lán)（RGB）顏色的MoS2晶體管，這是實(shí)用顯示器的基本及本質(zhì)要求。在這項(xiàng)工作中，崔等人開發(fā)出一種大面積MoS2 TFT陣列，可在2英寸RGB OLED中操作324個(gè)像素，其中全彩色顯示器顯示了有源矩陣配置。RGB OLED由不同的光電特性制成，因此研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了背板TFTs來控制每個(gè)彩色像素。該實(shí)驗(yàn)裝置有望作為一種可穿戴顯示器，在人體皮膚上穩(wěn)定運(yùn)行，且無不良反應(yīng)。目前，該團(tuán)隊(duì)采用了異質(zhì)材料設(shè)計(jì)，以形成光電器件。

大面積有源矩陣OLED(AMOLED)顯示器

該團(tuán)隊(duì)通過一系列過程設(shè)計(jì)出帶有MoS2背板的大面積有源矩陣OLED(AMOLED)顯示器。他們首先在MoS2薄膜上生成一個(gè)薄膜晶體管(TFT)陣列，然后將RGB OLED放置在TFT漏極上，并將顯示器從載體上剝離轉(zhuǎn)移到人手(目標(biāo))上。在此過程中，他們通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)在4英寸SiO2 /Si晶片上合成MoS2雙層膜。然后，他們用原子層沉積法在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板上涂氧化鋁，并將MoS2薄膜從SiO2/Si晶片轉(zhuǎn)移PET基板上，以產(chǎn)生帶有驅(qū)動背板配置的MoS2晶體管陣列。最終得到的結(jié)構(gòu)是獨(dú)特的，并用氧化鋁封裝以改善金屬接觸和載流子遷移率。全彩色AMOLED顯示器統(tǒng)一控制RGB OLED像素，其中每個(gè)像素都與一項(xiàng)數(shù)據(jù)和一條掃描線連接，并且整個(gè)顯示電路均采用有源矩陣設(shè)計(jì)。崔等人根據(jù)晶體管的漏極和柵極信號控制像素電流，以改變OLED的亮度。隨后，他們可以將超薄顯示器從載玻片基板轉(zhuǎn)變?yōu)榍?，且不會降低設(shè)備質(zhì)量。

穩(wěn)定的顯示應(yīng)用

該團(tuán)隊(duì)檢查了電流-電壓輸出曲線，以確定TFT漏極特性，從而說明漏極電流(I DS)與偏置電壓(VDS和VGS)之間的關(guān)系。MOCVD合成的MoS2薄膜所具有的一致性可實(shí)現(xiàn)高度統(tǒng)一的穩(wěn)定顯示應(yīng)用。所有樣本的器件特性均保持一致，允許單個(gè)像素在全彩色AMOLED中運(yùn)行，且效率并為降低。該團(tuán)隊(duì)測量了藍(lán)色、綠色和紅色OLED在460、530和650nm處的最大發(fā)光強(qiáng)度。

在連續(xù)+10伏柵極脈沖偏壓下，盡管響應(yīng)時(shí)間受到測量系統(tǒng)限制，OLED呈現(xiàn)在開關(guān)狀態(tài)間快速轉(zhuǎn)換，延遲時(shí)間很短。關(guān)閉狀態(tài)下，不會發(fā)生柵極調(diào)制，像素狀態(tài)保持穩(wěn)定，為TFT提供了有效的防漏操作。通電狀態(tài)下，像素電流也會隨著柵極偏壓(VG)的增加而顯著增加，穿過RGB OLED達(dá)到5伏的閾值電壓。

MoS2晶體管和RGB OLEDs的集成單像素特性。（A）如圖所示，RGB單元像素與MoS2晶體管串聯(lián)集成的有源矩陣配置。（B）固定數(shù)據(jù)偏壓為4V（紅色）和10V（藍(lán)色）時(shí)，使用?10和10V的柵極偏壓控制像素開關(guān)特性。（C）RGB OLEDs在4-9V柵偏壓范圍內(nèi)亮度變化的數(shù)碼照片，其中每個(gè)OLED的亮度穩(wěn)定，并由MoS2晶體管的柵極信號控制。（D到F）像素電流（左y軸）和亮度（右y軸）構(gòu)成柵極信號函數(shù)。圖片來源：Sa-Rang Bae，高麗大學(xué)。

概念驗(yàn)證—可穿戴電子設(shè)備

該團(tuán)隊(duì)確認(rèn)了使用晶體管時(shí)的各個(gè)RGB像素的性能，并將18 x 18陣列(324個(gè)像素)集成到晶體管底板電路的數(shù)據(jù)線和柵極線上，從而形成了全彩色AMOLED顯示器。他們通過矩陣線控制每個(gè)像素，使每個(gè)像素在OLED顯示器中發(fā)光一致。由于對柵極和數(shù)據(jù)信號控制穩(wěn)定，RGB OLED像素亮度一致。崔等人通過外部驅(qū)動電路依次驅(qū)動RGB像素陣列，所配置的外部驅(qū)動電路為代表字符“ R”，“ G”和“B”的商用帶狀像素結(jié)構(gòu)。、超薄設(shè)備的低剛度可防止將其轉(zhuǎn)移到人手后，產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的機(jī)械變形反射過程中，光學(xué)和電學(xué)性能的破壞?；陔娏?電壓特性(I-V)，在皮膚收縮或皮膚拉伸運(yùn)動中，電流水平不變，有源矩陣顯示操作期間，通電狀態(tài)也沒有波動。盡管設(shè)備的穩(wěn)定性仍處于開發(fā)之中，但該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是進(jìn)一步推進(jìn)工程設(shè)計(jì)，以完善MoS2膜的實(shí)際應(yīng)用，使其成為可穿戴的全彩色AMOLED顯示器。

基于MoS2背板電路的可穿戴全彩色AMOLED顯示器。全彩色有源矩陣顯示器在（A）“全開”狀態(tài)下的數(shù)碼照片；（B）有源矩陣顯示器的動態(tài)操作，其中柵極和數(shù)據(jù)信號通過外部電路單獨(dú)控制；以及（C）超薄顯示器應(yīng)用于人手上，其中，顯示器通過兩種基于手部運(yùn)動的機(jī)械模式發(fā)生變形，即壓縮模式（中間）和拉伸模式（右側(cè)）。（D）在壓縮（藍(lán)色）、水平（紅色）和拉伸（綠色）模式下，單元像素電流與VG值為4V（關(guān)閉狀態(tài)）、6V和9V的數(shù)據(jù)電壓函數(shù)圖。每個(gè)應(yīng)用的柵偏壓（VG）下，可以觀察到不同變形模式下像素電流的微小變化，這使得AMOLED能在人手上穩(wěn)定運(yùn)行。（E）超薄顯示器在機(jī)械變形過程中通電狀態(tài)電流變化。圖片來源：Minwoo Choi，延世大學(xué)。

通過這種方式，崔敏宇及其同事使用基于MoS2的背板TFTs 開發(fā)出具有18x18陣列的輕薄(2英寸)可穿戴全彩色AMOLED 顯示器。他們直接在用MOCVD法生成的雙層MoS2薄膜上構(gòu)建晶體管陣列，觀察到高載流子遷移率和開/關(guān)比。該團(tuán)隊(duì)通過施加4~9伏間的柵極電壓來控制RGB OLED像素的發(fā)光情況。他們把超薄塑料基板(PET)與2-D半導(dǎo)體材料結(jié)合，直接制造OLEDs，以實(shí)現(xiàn)出色的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能。除開現(xiàn)有的常規(guī)和剛性有機(jī)材料，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將能被進(jìn)一步完善并集成到可穿戴電子設(shè)備中。

撰文：塔瑪拉西?吉萬達(dá)拉（Thamarasee Jeewandara）

翻譯：李雅婷

審校：董子晨曦

引進(jìn)來源：美國物理學(xué)家組織網(wǎng)

引進(jìn)鏈接：https://phys.org/news/2020-07-active-matrix-light-emitting-diode-human-skin.html

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