| 科普| 增透摻雜法同步提升柔性石墨烯透明導(dǎo)電膜的電導(dǎo)與透光率

透明導(dǎo)電薄膜

透明導(dǎo)電薄膜是一種重要的光電材料，廣泛應(yīng)用于觸摸屏、液晶顯示、有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）、太陽能電池等光電領(lǐng)域。隨著便攜式和可穿戴電子產(chǎn)品的涌現(xiàn)，柔性化、高導(dǎo)電、高透光以及高穩(wěn)定等已成為透明導(dǎo)電薄膜的發(fā)展趨勢。

我們報告了一種簡單的方法來打破石墨烯FTE的先前限制，并產(chǎn)生與*佳商用ITO電極相媲美的**性能。

使用量身定制的單層石墨烯FTE，我們進(jìn)一步展示了高性能柔性綠色有機(jī)發(fā)光二極管（OLED），其效率優(yōu)于所有同類柔性O(shè)LED，并超過了剛性ITO陽極。這種簡單的策略將推動下一代柔性光電技術(shù)的發(fā)展，超越占主導(dǎo)地位的剛性平臺。

現(xiàn)有的性能改善方法基于單一的電學(xué)或光學(xué)調(diào)制，雖然分別在提高電導(dǎo)或者透光率方面效果顯著，但常導(dǎo)致顧此失彼，造成大面積柔性石墨烯透明導(dǎo)電薄膜的性能評價指標(biāo)（電/光導(dǎo)率比）較商用ITO薄膜仍有明顯差距（僅為后者的50%左右），極大制約了石墨烯柔性光電器件的發(fā)展。

采用具有光學(xué)增透效應(yīng)的摻雜劑薄膜同步提高石墨烯的電導(dǎo)和透光率。

近日，中國科學(xué)院金屬研究所成會明院士和任文才研究員團(tuán)隊提出了基于光電共調(diào)制發(fā)展高性能柔性石墨烯透明導(dǎo)電薄膜的新思路：

研究人員在大面積柔性石墨烯表面涂覆低折射率且高透光的有機(jī)質(zhì)子酸HTB的納米涂層，即可對其同時產(chǎn)生強(qiáng)的空穴摻雜（電導(dǎo)提高7倍）和可見光波段的有效增透（透光率98.8%，550nm），從而獲得高達(dá)323的電/光導(dǎo)率比，而且在環(huán)境條件下長期穩(wěn)定，顯著優(yōu)于同類石墨烯柔性薄膜甚至ITO薄膜。

此外，薄膜的功函數(shù)明顯提高（5.3 eV），表面粗糙度也因HTB薄膜的平整化作用而降低。由于兼具高電導(dǎo)、高透光、高功函和高平整度，以其作為透明陽極大幅提升了柔性綠光OLED的器件性能，電流效率（111.4 cd A-1）、功率效率（124.9 lm W-1）和外量子效率（29.7%）均為同類器件的*佳性能，并明顯優(yōu)于其它結(jié)果。

『HTB増透摻雜劑同步提升柔性石墨烯薄膜的電導(dǎo)與透光率』

（a）石墨烯表面的HTB分子結(jié)構(gòu)示意圖。

（b）HTB增透摻雜的大面積單層石墨烯/PET柔性薄膜（10 × 10 cm2）照片。

（c）不同濃度HTB溶液摻雜單層石墨烯的拉曼光譜。

（d）不同濃度HTB溶液摻雜單層石墨烯的空穴濃度。

（e）20mM HTB增透摻雜前后單層石墨烯/PET柔性薄膜（10 × 10 cm2）的面電阻。

（f）增透摻雜后薄膜的面電阻分布均勻性。

（g）20mM HTB增透摻雜前后單層石墨烯/PET柔性薄膜的透光率譜線。

（h）20mM HTB增透摻雜前后1-4層石墨烯/PET柔性薄膜的方阻/透光率（l = 550 nm）關(guān)系圖。圖中同時給出了ITO薄膜的典型性能作為對比。

（i）HTB增透摻雜的大面積單層石墨烯/PET柔性薄膜與典型石墨烯柔性薄膜及ITO薄膜的性能（電/光導(dǎo)率比）對比。

『摻雜穩(wěn)定性與功函數(shù)調(diào)制』

（a）HTB與典型摻雜劑摻雜單層石墨烯在環(huán)境條件下放置兩個月前后的空穴濃度對比。

（b）HTB與典型摻雜劑摻雜單層石墨烯的方阻在環(huán)境條件下隨放置時間的變化。

（c）HTB與典型摻雜劑摻雜單層石墨烯在環(huán)境條件下放置兩個月前后的空穴濃度與方阻變化幅度對比。

（d）不同濃度HTB溶液增透摻雜單層石墨烯在環(huán)境條件下放置兩個月前后的透光率對比。

（e）HTB增透摻雜單層石墨烯的功函數(shù)與空穴濃度的關(guān)系。

（f）不同濃度HTB溶液摻雜后單層石墨烯場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。

『HTB同步提升石墨烯電導(dǎo)與透光率的増透摻雜機(jī)理』

（a）采用密度泛函計算的TB?基團(tuán)/石墨烯結(jié)構(gòu)的態(tài)密度。

（b）不同濃度HTB溶液增透摻雜單層石墨烯/PET薄膜的光學(xué)反射譜線。

（c）HTB薄膜在不同波長下的折射率曲線。

（d）不同溶液濃度制備的HTB薄膜的透光率譜線。

（e）HTB減反增透單層石墨烯/PET薄膜的原理示意圖。

（f）不同濃度HTB溶液對石墨烯增透效果的實測值與計算值的比較。

『石墨烯透明陽極的柔性綠光OLED的器件結(jié)構(gòu)』

（a）OLED的器件結(jié)構(gòu)示意圖

（b）電流效率

（c）功率效率

（d）外量子效率與亮度關(guān)系曲線

（e）*大電流/功率效率和

（f）*大外量子效率與典型柔性綠光OLED器件的性能對比。

該方法不僅效果顯著，而且對基底的材料結(jié)構(gòu)和制備工藝均無特殊要求，具有良好的普適性，為發(fā)展新一代的高性能柔性透明導(dǎo)電薄膜及其光電器件提供了新的解決方案。

總結(jié)

作者發(fā)展了一種基于光電共調(diào)制原理的增透摻雜策略,打破石墨烯FTE先前限制的簡單途徑，并產(chǎn)生了****的FoM，可與*佳的商用ITO電極相媲美。使用量身定制的單層石墨烯陽極，我們進(jìn)一步展示了高性能柔性綠色OLED，其*大效率超過了所有同類柔性O(shè)LED，并超過了標(biāo)準(zhǔn)剛性ITO陽極。

我們期望通過探索對其他具有多種功能的碳基或二維FTE有效的有機(jī)和無機(jī)涂層的廣泛選擇，來建立一種通用的策略。*終的FTE將超越主要的剛性平臺，推動下一代柔性光電的發(fā)展。