石墨烯电极优化及其在有机电致发光器件中的应用研究

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石墨烯材料自2004年被发现以来,凭借其特殊的结构及优异的性能成为科学研究领域的热点材料。超高的透明度,优异的导电性及良好的机械韧性使其可替代传统的ITO材料,作为透明导电电极应用于各类有机光电器件中。在众多合成方法中,化学气相沉积技术可通过选择合适的催化基底和精细控制生长参数,制备出高质量、大面积的石墨烯薄膜。然而,石墨烯薄膜作为电极应用于有机光电器件中还需进一步的转移及图案化工艺,工艺要求保证石墨烯的结构完整及表面清洁。此外,原始石墨烯用作透明阳极主要面临较高的电阻和较低的功函数的限制。因此,本论文面向石墨烯电极在有机电致发光器件(OLED)中的应用,围绕高质量且层数可控的石墨烯膜外延生长,及其表面修饰优化电极的导电性及功函数两个方面展开研究,具体研究成果包含以下两个部分:1.采用低压化学气相沉积(LP-CVD)技术在铜箔上生长大尺寸、高质量石墨烯。生长过程中通过调整气体流量、温度、生长时间、冷却条件等参数,可以实现大面积、高质量和层数可控的单晶石墨烯生长。然后利用聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为支撑层将石墨烯膜转移到目标基底。在可见光波段,单层石墨烯的透过率最高可达97.7%,要优于ITO,而且层数每增加一层,薄膜透过率下降约3个百分点,接近理论值;本征单层石墨烯的表面电阻约为600Ωsq-1,双层石墨烯的表面电阻约为400Ωsq-1,三层石墨烯的电阻约为350Ωsq-1;此外,通过表面形貌的一系列表征证明了生长的材料表面光滑,几乎没有杂质覆盖,同时具备超高的表面覆盖率。2.双层石墨烯在保持近94%的高透过率下,表面电阻仅为单层石墨烯的一半左右,因此我们选定双层石墨烯薄膜作为OLED电极。为进一步地提升电极性能,我们利用氯金酸溶液对条带状的石墨烯阳极表面进行化学掺杂,金粒子的掺杂在大幅提升石墨烯电导率的同时,将本征石墨烯的功函数提高了0.5 eV,降低了空穴注入势垒。进而在掺杂石墨烯表面蒸镀薄层MoO3进行电极界面修饰,使得OLED空穴注入一侧的各功能层间形成梯度能级势垒,更利于空穴的注入和传输。最终,基于掺杂石墨烯阳极的绿色磷光OLED的电流效率和亮度达到31.5 cd/A和43130 cd/m2,相较于未掺杂的器件(23.5 cd/A和30990 cd/m2)大幅提升。
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