Ultra-Bright Stretchable Electroluminescent Devices at Low Driving Fields Enabled by a High-Permittivity Elastomer
本文通过将极性碳酸乙烯基乙烯基碳酸酯引入聚丙烯酸酯中，构建了一种高介电常数弹性体，从而在可拉伸电致发光器件领域取得了突破性进展，实现了具有低驱动场和卓越拉伸性的创纪录超高亮度、多色显示。
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想象这样一个世界：我们每天注视的屏幕不再是僵硬的玻璃面板，而是柔软、灵活的薄片，可以拉伸、扭曲并顺应我们身体的形状。这就是柔性电子技术的愿景，该领域致力于创造能够随我们一起运动而非阻碍我们的设备。为了让这些设备正常工作，它们需要一种能够产生与制造它们的材料同样灵活的光源。创造这种光的一种极具前景的方法被称为交流电致发光（alternating current electroluminescence）。简单来说，这是一个材料在电场穿过时会发光的物理过程，不需要标准灯泡或手机屏幕中那种复杂的层级结构。挑战一直在于，用于承载发光粒子的材料通常过于僵硬，或者需要危险的高电压才能工作，这使得它们在可穿戴技术中并不实用。
来自中山大学及其合作者的研究团队现在开发出了一种新型软材料，解决了这些问题，创造出一种既极其明亮又能够拉伸至原始长度五倍的发光器件。他们通过设计一种特殊的类橡胶物质，即弹性体，使其作为电场的高效导体来发挥作用。这种新材料使设备能在极低的电压下发出明亮的光，这比以往需要更强电驱动力才能工作的版本有了显著改进。其结果是一种可以被拉伸、弯曲，甚至集成到衣物或皮肤传感器中的显示器，且不会失去其闪烁能力。
这一突破的核心在于这种新弹性体的化学性质。研究人员从一种常见的塑料——聚丙烯酸酯开始，并将其与一种被称为乙烯基碳酸乙烯酯的高极性分子混合。在材料科学领域，“极性”是指分子具有很强的电荷分离，这有助于它们与电场发生相互作用。通常情况下，向柔软的橡胶中添加此类强极性且刚性的分子会使整个混合物变得僵硬且易碎，而这恰恰是柔性设备所不需要的。然而，研究团队发现，通过仔细调整成分比例，他们可以创造出一种随着极性分子增加反而变得更软、更具延展性的材料。这种反直觉的行为使他们能够创造出一种具有创纪录的储电能力（即介电常数）的材料，其数值达到了19.6。高介电常数至关重要，因为它能放大作用于材料内部发光粒子的电场，从而在不需要额外电压的情况下让它们发光更亮。
由此产生的材料（研究人员称之为PMV）不仅在电学性能上表现卓越，而且在物理特性上也十分强韧。它保持透明，允许91%的光线通过，这对于清晰的显示器至关重要。它可以拉伸至原始长度的861%而不破裂，并且可以在不变得浑浊或不透明的情况下容纳大量的发光粒子（特别是硫化锌）。当研究人员使用这种材料构建一个夹在柔性电极之间的器件时，结果令人惊叹。在3.0伏特/微米的低电场下，该器件在方波信号驱动下实现了2117.6坎德拉/平方米的亮度，在标准正弦信号驱动下实现了1218.7坎德拉/平方米的亮度。这些数字代表了一个巨大的飞跃，超越了其他高性能材料创下的纪录。该器件还可以在1千赫兹的频率下运行，这一速度对于标准电源来说是完全可以承受的。
除了亮度高之外，该器件还表现出了极佳的耐用性和多功能性。研究人员测试了其承受反复拉伸的能力，发现它可以在超过200%的循环应变下持续工作1000次以上而不会损失亮度。当拉伸至500%时，器件仍能继续工作，尽管亮度略有下降，这一限制归因于电极而非发光层本身。为了展示该技术的实际应用潜力，团队制作了彩色版本的器件。他们在前电极中加入了荧光粒子，这些粒子会吸收来自主层的蓝光并将其转化为黄、绿或红光。这使得他们能够构建一个全彩显示器，能够同时在正面和背面显示不同的颜色。
该技术的实用价值通过将其与应变传感器集成得到了进一步证明。当一个人弯曲手指时，传感器会检测到电阻的变化，并立即触发特定区域的发光器件开启，从而有效地将动作可视化为一个光影图案。团队还构建了一个8乘16像素的阵列，即一个可以从智能手机无线控制的小型灯光网格。这个网格可以显示动态信息，例如滚动文本或变化的图案。整个系统即使在弯曲和扭转时也能稳定运行，证明了该技术已为可穿戴应用做好了准备。通过结合高亮度、低功耗和极高的延展性，这种新材料为新一代电子产品铺平了道路，这些产品可以佩戴在皮肤上或织入织物中，从而改变我们与数字信息的交互方式。
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