基于改性石墨烯电极的高效发光二极管研究

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石墨烯因具有诸多优异的光电和机械性能,已被广泛用作光电子器件的透明电极。当石墨烯电极用于发光二极管时,由于其本身固有的功函数(~4.5 e V)和较高的面电阻,使得石墨烯电极的载流子注入势垒大,从而导致器件性能低。本论文通过表面修饰和化学掺杂的方法,来调节石墨烯电极的功函数、降低石墨烯电极的面电阻和表面粗糙度,从而增强CVD单层石墨烯阳极的空穴注入能力,提升石墨烯电极有机发光二极管(OLED)和钙钛矿发光二极管(Pe LED)的光电性能。研究内容总结如下:(1)我们在石墨烯阳极与空穴注入层PEDOT:PSS(聚(3,4-亚乙二氧基噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐))之间引入一层很薄的高介电常数聚合物层,利用其产生的界面偶极效应提高石墨烯阳极的空穴注入能力。所使用的两个高介电常数聚合物为聚偏二氯乙烯(PVDC)和聚偏氟乙烯(PVDF)。结果表明,高介电聚合物旋涂于石墨烯上面,对石墨烯的光透过率影响甚小,并可有效降低石墨烯的表面粗糙度。紫外光电子能谱(UPS)证实了高介电聚合物诱导的界面偶极子的形成,PVDC和PVDF分别将石墨烯的功函数从原始的4.60 e V提高到4.94 e V和4.72 e V,使得石墨烯阳极与PEDOT:PSS之间的空穴注入势垒从0.54 e V分别降低至0.20 e V和0.42 e V。基于PVDC修饰的石墨烯阳极OLED取得了80.0 cd/A和41.6 lm/W的最大电流效率和功率效率,相比于基于原始石墨烯阳极的器件,分别提升了25.4%和44.9%。(2)我们将簇状化合物磷钼酸(H3[P(Mo3O10)4],简写为PMo12)作为石墨烯的p型掺杂剂,并优化出了PMo12的最佳掺杂浓度。将PMo12旋涂于石墨烯表面,石墨烯的透光率降低很小,面电阻从694Ω/sq降低到235Ω/sq,并具有超过30天的较长稳定性。表面粗糙度显著降低,提供了更加平滑和均匀的空穴注入界面。石墨烯的功函数提高了约0.5 e V,空穴注入能力显著增强。以PMo12掺杂的石墨烯作为阳极所制备的OLED,取得了129.3 cd/A、77.6 lm/W和36.5%的最大电流效率、功率效率和外量子效率,相比于基于原始石墨烯阳极器件的85.7 cd/A、46.5 lm/W和24.2%,分别取得了50.9%、66.9%和50.8%的提升效果。(3)基于合成的准二维钙钛矿和钙钛矿纳米晶,我们进一步将PMo12掺杂的石墨烯电极用于钙钛矿发光二极管。得益于PMo12对石墨烯有效的p型掺杂效果,器件的起亮电压从4.5 V降低到4.2 V,最大亮度从10470 cd/m2增大到17608 cd/m2。电流效率和功率效率从7.7 cd/A和2.0 lm/W提升到11.8 cd/A和4.5 lm/W,分别取得了53.2%和125%的提升效果。本论文通过使用高介电聚合物诱导界面偶极和使用PMo12对石墨烯形成p型掺杂,有效增强了石墨烯阳极的空穴注入能力,提升了石墨烯阳极OLED和Pe LED的光电性能。我们的工作,开发了优化石墨烯电极的一些新手段,对石墨烯电极发光器件方面的研究提供了一些参考。
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