目前,石墨烯薄膜已在柔性光电器件领域展现出积极的发展态势。因不同器件的需求差异,石墨烯应用于这些柔性光电器件的具体过程中须关注其如下几方面性质。
不同应用领域对石墨烯薄膜的方块电阻和透过率需求不同。例如对于电阻类触摸屏,石墨烯薄膜的方块电阻为10~103Ω/□,而薄膜太阳能电池和OLED的高工作电流密度使得它们需要低至10Ω/□的石墨烯薄膜。在透过率方面,电阻类触摸屏的要求则高于薄膜太阳能电池和OLED,须达到大于90%。综合分析方块电阻和透过率的需求,薄膜太阳能电池和OLED等器件对方块电阻的需求相对较高,以期提升器件效率,而电阻类触摸屏等器件则对透过率的需求相对较高。
本征态石墨烯的功函数为4.4~4.6eV。若用于提取或注入空穴,其功函数偏小;若用于提取或注入电子,其功函数偏大。因此,石墨烯薄膜作为电极与有机半导体接触时,其功函数须被调控以匹配能级。由于石墨烯的易修饰性,可通过掺杂或吸附一层界面材料进行调控,目前其功函数最小可调控至3.25eV,最大可增加到5.95eV。
石墨烯薄膜须具备大面积均匀的性质以满足柔性光电器件的性能及应用需求,例如目前第六代柔性OLED生产线采用1850mm×1500mm的基底。如此大尺寸的石墨烯薄膜,对其均匀性也提出了挑战,须保证整个石墨烯薄膜的方块电阻等性能指标的变化率控制在较小范围内。
为了图案化石墨烯薄膜以应用于柔性光电器件,石墨烯薄膜须具备易加工性。一方面,石墨烯薄膜应易于大面积刻蚀。另一方面,要达到精密可控加工石墨烯薄膜,例如刻蚀微米级图案阵列以用于柔性显示应用。(www.daowen.com)
提升石墨烯薄膜洁净度对于柔性光电器件(例如有机太阳能电池和OLED)至关重要。石墨烯生长、转移或掺杂过程中会引入几十纳米到几百纳米尺度的杂质,这不利于器件的制备与工作。例如,OLED的有源层厚度为200nm左右,较大的粗糙度会引起器件严重短路;同时,引入的杂质会成为电子散射中心,降低石墨烯薄膜的电学性能。
石墨烯的界面性能主要包含界面附着力及润湿性。石墨烯与基底之间的相互作用力为范德瓦耳斯力,以致界面附着力低、薄膜易脱落或遭受损坏。因此在实际应用中,须提升石墨烯界面附着力,使器件的制备更好地兼容现有制程。而石墨烯表面的润湿性影响着后续薄膜的成膜质量,例如石墨烯的疏水性使得水溶性的材料在其表面难以成膜。因此,须对石墨烯表界面进行修饰以提升材料的成膜质量。
为了满足上述需求,需要研究石墨烯薄膜的生长、转移、改性及图案化技术。其中生长、转移、改性技术均对石墨烯薄膜的方块电阻、透过率及洁净度影响重大,功函数和界面性能调控主要依赖于改性技术,薄膜的尺寸、均匀性则受限于石墨烯的生长和转移技术,图案化技术则关系石墨烯的加工性能及电学性能。
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