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人体皮肤上的有源矩阵有机发光二极管显示

电子应用的发展可以呈现出许多新的形式,包括可折叠和可穿戴显示器,以监测人类健康和充当医疗机器人。这种装置依靠有机发光二极管(OLEDs)进行优化。然而,由于半导体材料在传统电子格式中的使用受到限制,开发具有高机械灵活性的半导体材料仍然具有挑战性。在一份关于科学进展的新报告中,韩国电子工程和材料科学的Minwoo Choi和一组科学家开发了一种可穿戴的、全彩的OLED显示屏,它使用了一种基于二维材料的背板晶体管。他们在二硫化钼(MoS2)薄膜上设计了一个18x18的薄膜晶体管阵列,并将其转移到氧化铝(Al2O3)/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)表面。Choi等人在设备表面沉积红、绿、蓝三色OLED像素,并观察到该二维材料优异的力学和电学性能。这种表面可以驱动电路来控制OLED像素,从而形成一种超薄的可穿戴设备。

科学家和工程师必须在可穿戴电子领域进行广泛的研究,以开发智能电子系统的重点是柔性设备和超薄基片。这种材料固有的局限性促使人们使用替代半导体材料,如MoS2,用于性能相对较高的薄膜晶体管(TFTs)和逻辑电路中。这些材料被称为过渡金属双卤化物,它们为可穿戴电子产品的背板电路提供了独特的电学、光学和机械性能。研究人员最近开发了具有复杂红、绿、蓝(RGB)颜色的二硫化钼晶体管,作为实际显示器的基本和必要要求。在这项工作中,Choi等人开发了一种大面积MoS2 TFT阵列,用于在2英寸RGB OLED中操作324像素,其中全彩显示器演示了主动矩阵配置。RGB oled具有不同的光电特性,因此该团队设计了背板TFTs来控制每个彩色像素。该实验装置有望作为可穿戴显示器,在人体皮肤上运行稳定,无不良反应。在目前的工作中,该团队使用异质材料设计来形成光电子。

该团队通过一系列流程设计了一种带有MoS2背板的大面积有源矩阵OLED (AMOLED)显示器。他们首先在一层薄薄的MoS2薄膜上形成薄膜晶体管(TFT)阵列,然后在TFTs的漏极上沉积一个RGB OLED,并将显示器从载体上剥离,将其转移到人手(目标)上。在此过程中,他们通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)在4英寸的SiO2/Si晶片上合成了双层MoS2薄膜。然后,他们用原子层沉积法在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板上涂上氧化铝,并将二硫化钼薄膜从SiO2/Si晶片转移到PET基板上,以产生具有驱动背板结构的二硫化钼晶体管阵列。所得到的结构是独特的,并封装了氧化铝,以改善金属接触和载流子迁移率。全彩色AMOLED显示器统一控制RGB OLED像素,每个像素连接到一个数据和扫描线,整个显示电路工作在一个主动矩阵设计。Choi等人根据晶体管的漏极和门信号控制像素电流,从而改变OLED的亮度。然后,他们可以将超薄显示器从载体玻璃基片转换为曲面,而不使设备退化。

该小组研究了电流-电压输出曲线,以确定TFTs的漏极特性,以说明漏极电流(IDS)和偏置电压(VDS和VGS)之间的关系。模拟生长的MoS2薄膜的均匀性使得高均匀性可以用于稳定的显示应用。所有样品的设备属性是一致的,允许单个像素在全彩AMOLED中工作,而效率没有下降。该团队测量了蓝、绿、红三种oled的最高发光强度,分别为460、530和650纳米。

在一个 10伏特的重复栅脉冲偏压下,OLED显示了开关状态之间的快速转换,尽管响应时间受到测量系统的限制,延迟时间很短。门调制没有发生在关闭状态和像素状态保持稳定,提供了有效的防漏操作的TFT。在通电状态下,像素电流也随着栅偏置(VG)的增加而急剧增加,达到RGB oled的阈值电压5伏。

该团队使用晶体管确认了单个RGB像素的性能,并将一个18x18阵列(324像素)集成到晶体管背板电路的数据和门线中,形成了一个全彩AMOLED显示器。他们通过矩阵线控制每个像素,并在OLED显示器中保持每个像素的发光一致性。由于门禁信号和数据信号的稳定控制,使得RGB OLED像素亮度一致均匀。Choi等人通过配置在代表字符‘R’、‘G’和‘B’的商业条形像素结构中的外部驱动电路依次驱动RGB像素阵列。

这种超薄设备的低硬度防止了其在移入人手后,在发生实质性机械变形反射时光学和电学性能的恶化。基于电流-电压特性(I-V),在皮肤收缩或皮肤拉伸练习中电流水平没有变化,在有源矩阵显示操作中通态也没有波动。虽然设备稳定性仍在开发中,但该团队的目标是进行进一步的工程,以改善MoS2薄膜的实际应用,使其成为可穿戴的全彩AMOLED显示器。

通过这种方式,Minwoo Choi和他的同事开发了一种轻薄的(2英寸)、可穿戴的全彩AMOLED显示屏,它使用基于mos2的背板TFTs技术,具有18个x 18个阵列。他们将晶体管阵列直接建在用MOCVD生长的双层MoS2薄膜上,并观察到高载流子迁移率和开/关比。该团队通过施加4到9伏的栅极电压来控制RGB OLED像素的发光。他们使用超薄塑料基板(PET)与二维半导体材料结合,直接制造出具有优异电学、光学和机械性能的oled。该实验系统可以在现有的常规和刚性有机材料的基础上进行改进,以集成到可穿戴设备和电子设备中。

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