南京大学陆延青教授/孔德圣教授AFM：基于液态金属/离子导体复合透明电极的高性能可拉伸电致发光像素显示屏

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-02 07:50

正文

随着柔性电子技术的发展，具有可拉伸机械特征的新型电致发光（EL）显示器件，因其在智能可穿戴设备、人机交互界面等领域的广阔应用前景，受到了学术界与产业界的广泛关注。作为此类器件的核心组件，透明电极的性能直接决定了器件的整体表现。然而，当前技术面临的核心挑战在于缺乏能够同时满足高导电性、优异光学透明性以及极端机械变形稳定性的电极材料。传统可拉伸透明电极（如银纳米线、碳纳米管基电极）在大应变条件下易发生结构损伤，导致电阻显著增加；而离子导体虽然具有出色的拉伸性能，但其电导率较电子导体低数个数量级，导致严重的欧姆损耗和器件发光不均匀等问题。因此，如何通过材料设计与结构优化，在导电性、透光性与可拉伸性之间实现协同平衡，构建高性能的可拉伸透明电极，已成为推动可拉伸显示器技术突破的关键科学问题与技术瓶颈。

近日，南京大学陆延青教授和孔德圣教授团队报道了一种基于液态金属/离子导体复合结构的新型可拉伸透明电极。该电极在465 nm波长处透光率达到96.6%，方阻低至1.2 Ω/sq，同时展现出高达500%应变的单轴拉伸性能，显示出突出的综合性能。基于该电极构建的电致发光显示器件，在大形变条件下仍能实现像素的均匀发光，充分满足了复杂信息传输与交互的应用需求。相关研究成果以“Hybrid Liquid Metal/Ionic Nanocomposite Transparent Electrodes for Highly Stretchable Electroluminescent Matrix Displays” 为题，发表于材料科学领域权威期刊《Advanced Functional Materials》。南京大学现代工程与应用科学学院博士生方婷为论文第一作者，孔德圣教授和陆延青教授为共同通讯作者。

显示屏结构设计

像素化的交流电致发光显示器具有在三明治结构，研究团队创新性地采用液态金属薄膜作为反光电极，并结合液态金属/离子导体复合透明电极作为上电极，中间嵌入ZnS/Cu荧光粉与弹性体的复合发光层。通过上下电极的正交排列，其交叉区域定义了每个像素点。该像素化显示器的独特之处在于全部采用本征可延展材料，使其在弯曲、扭转、拉伸等极端机械形变条件下仍能保持稳定工作，且未出现界面分层或结构损伤等问题。通过外接驱动控制器，能够对该器件实现时序控制，精确显示任意动态图案显示（包括字母、数字、图形等）。

图1. 可拉伸交流电致发光阵列显示器的设计

复合透明电极

该复合透明电极采用创新的结构化设计，通过多种液体材料的优化组合，实现了在极端应变条件下的稳定性能。在制备工艺上，研究团队利用铜与液态金属之间的合金化反应，结合高速离心技术制备出厚度均匀且精确可控的液态金属薄膜，并通过红外激光烧蚀实现薄膜的图案化加工。同时，以[EMIM]BF₄离子液体为基质，通过掺杂疏水二氧化硅纳米颗粒进行流变学调控，成功制备出兼具高透明性和可印刷性的复合流体材料。在设计方面，电极以网络状液态金属薄膜作为导电框架，并通过印刷离子流体油墨填充中心透光区域，形成独特的复合结构。液态金属与离子导体在界面处形成双电层（EDL），在交流电压驱动下可实现高效电荷传输。得益于这一独特设计，电极中心发光区的透光率高达96.6%（在465 nm波长处），整体透光率达到81.6%。复合电极的方阻低至1.2 Ω/sq，相较纯离子电极的5.3 kΩ/sq降低了近4个数量级，且在500%拉伸应变下方阻仅增加至2.2 Ω/sq。该研究展示了通过液体材料的结构设计，有效兼顾了透光率、方阻和拉伸性，为可拉伸电子器件的开发提供了创新的设计思路和技术路径。

图2. 液态金属薄膜与离子导电凝胶的制备

图3. 复合透明电极的设计与性能

器件性能

以离子导体为顶部透明电极时，由于离子导体较大的方阻，电流传输至远端像素时，会产生显著的电压降，光电显示器件会出现发光不均匀的问题。在拉伸状态下，离子导体电阻上升，进一步加剧了光强的不均匀。而采用复合透明电极为上电极，由于高导电性的液态金属外框，光电器件的像素亮度均匀性得到了显著的提高（差异<10%），并且在400%拉伸下仍保持稳定发光。单像素最大亮度达384 cd/m²（350 V驱动），能承受500%的应变，不发生脱层现象，并且经1000次拉伸-松弛循环后，仍然保有较高的光电性能，展现卓越耐久性。

图4. 复合透明电极提高像素显示器件发光均匀性

图5. 单个像素点的光电与机械性能

像素显示屏与驱动

通过对上下电极的图案化定制，可以实现像素密度的灵活调控，制备不同像素密度的显示屏，且各个像素间的发光强度均匀（差异化小于10%）。显示屏的驱动电路由微控制器、高压电源模块和串并转换器组成，支持逐像素寻址控制，通过电压差实现像素点亮/暗状态的切换。显示屏外接控制器后，可以实现任意图案切换显示。柔性显示屏可以完美贴合曲面物体，并能承受200%的极端形变，为曲面显示、人机交互等场景提供了可靠的技术方案。

图6. 可拉伸交流电致发光阵列显示器

小结

该研究基于电子-离子混合导体的理念，成功解决了导电性（1.2 Ω/sq）、透光度（96.6%）与拉伸性（500%）之间的性能矛盾，提出了一种具有理想综合性能的可拉伸透明电极设计，为下一代可拉伸光电器件的发展奠定了重要的材料基础。未来，通过进一步优化液态金属的图案化精度，提升驱动电压效率以及改善器件集成工艺，有望推动高分辨率、低功耗柔性显示器的实际应用。此项工作不仅拓展了液态金属与离子导体在柔性电子领域的应用边界，也为智能显示、人机交互等前沿领域的创新提供了新的技术路径和研究思路。

原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202417982

来源：高分子科学前沿

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