基于介电调控和阻抗匹配的亮度增强型自供电发光器件

研究背景

柔性电致发光器件是柔性电子技术的关键部分，被广泛应用于显示、照明、可穿戴系统和人机界面领域。最近，人们通过无机发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)和交流电致发光(ACEL) 器件，构建了柔性EL器件，实现了可变形和柔性发光和显示。其中，ACEL器件具有较低的功耗、均匀的发光和出色的稳定性，在平面柔性大面积光源技术中具有吸引力。在ACEL器件中，光是由在交变电场下激发的荧光粉微粒子产生的。通常，需要一个高电场来引起发光中心和高能电子之间的非弹性碰撞。目前，ACEL 器件正朝着小型化、低功耗、多功能和便携性的方向发展。然而，不可避免的高驱动电压限制了它在可穿戴电子设备中的应用，以达到长寿命和生命安全。

最近，摩擦纳米发电机(TENG) 驱动的电致发光(TDEL) 系统引起了人们的极大关注，因为它们可以将机械能转化为光信号用于照明和显示。目前，这种装置的广泛实施受到低亮度的限制，无法达到实际应用，这是由于使用低介电常数的有机硅。随着EL层中高K材料的引入，高压电场可以有效地集中在荧光粉微粒子上，传统ACEL器件的亮度得到了明显的改善。然而，由于TENG和ACEL器件之间的阻抗不匹配，高k材料的引入导致负载器件的驱动电压下降。此外，TENG 的等效电阻和电容会随着频率的变化而变化。因此，亮度和高k材料之间的平衡是TDEL系统进一步发展的关键问题。

研究成果

可以将人体动能转化为可见光的摩擦纳米发电机驱动的电致发光(TDEL)在可穿戴电子设备中引起了广泛关注。然而，由于阻抗不匹配导致荧光粉上的电场强度低，亮度通常很低。在这项工作中，苏州大学黄海波、文震教授及华中科技大学周赟磊教授团队通过调整纳米复合材料的介电常数和匹配阻抗，提出了一个具有最佳亮度的TDEL系统。建立了TDEL系统的电路模型,并通过模拟预测了EL 层的电压，误差低于4.7%。在纳米复合材料介电常数增加引起的电致发光层电压下降和极化增强的双重作用下，采用有限元仿真模拟了荧光粉的最佳场强。当ZnS: Cu的体积比为40%，复合材料的介电常数从12增加到22.8时，最佳亮度值增加了172%。最后，演示了一个由行走或跑步驱动的图案化TDEL系统，以实现夜间报警和信息交流。这项研究为通过介电常数操纵和阻抗匹配来提高TDEL系统的亮度打开了窗口，它适用于不同类型的TENG、发光粒子和介电纳米复合体。相关研究以“Brightness-enhanced electroluminescence driven by triboelectric nanogenerators through permittivity manipulation and impedance matching” 为题发表在Nano Energy期刊上。

研究亮点

1. 展示了一个TDEL系统，其中复合材料的介电常数被调整，以达到荧光粉颗粒的最佳电场值。

2. 研究了TDEL 系统的工作机制，并初步评估了高K材料对TENG和ACEL器件的电容阻抗匹配机制的影响。

3. 建立了TDEL系统的电路模型，通过计算预测了不同介电常数下发光层两端的电压。在TDEL系统中纳米复合材料的介电常数增加导致发光层电压下降和偏振增强的双重影响下，采用有限元仿真模拟了荧光粉的最佳场强。

4. 图案化的TDEL系统由行走和跑步产生的低频机械能驱动，实现夜间报警和信息交流的功能。

总结与展望

总之，作者通过调整纳米复合材料的介电常数，成功地展示了一个亮度增强的TDEL 系统。首次构建了合理准确的TDEL系统的电路模型来预测EL层的电压，其误差小于4.7%。然后，计算了含有不同介电常数的复合材料的EL层的电容和电压。接下来，构建了发光层的横截面模型。在TDEL系统中纳米复合材料的介电常数增加引起的EL层的电压下降和极化增强的双重影响下，使用有限元模拟来模拟荧光粉的最佳场强。当复合材料的介电常数从12增加到22.8时，TDEL系统的亮度增加了172%。由行走和奔跑驱动的柔性和图案化的TDEL系统可以实现夜间报警和信息交换功能，在软体机器人、交互式通信和自动检测领域具有广阔的应用前景。本研究通过调整ACEL和TENG之间的最佳系数，为提高TDEL系统的亮度开辟了一条新途径。这种方法可以应用于不同类型的TENG、荧光粉和电介质纳米复合材料。

转自：“i学术i科研”微信公众号

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