CN104124348B - 颜色可调的石墨烯基薄膜电致发光器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及颜色可调的石墨烯基薄膜电致发光器件及其制备方法，属于电致发光器件技术领域，该器件包括一发光元件，一衬底结构，一第一电极、一第二电极、第三电极，以及信号输入装置；所述发光的两端分别与所述第一电极和第二电极建立电学连接，并通过第一电极和第二电极固定；所述发光元件，所述第一电极，第二电极和第三电极设置在衬底结构上，对这些元件起支撑和保护作用；所述信号输入装置包括分别与第二电极和第三电极相连的栅极控制信号，用以调制发光元件的颜色；还包括分别与第一电极和第二电极相连的源漏输入信号，用以控制发光的亮度。本发明能够实现发光波长从300nm至1000nm区间连续可调。可广泛应用在各种电子显示领域。
Description
技术领域
本发明属于电致发光器件技术领域，特别涉及一种采用石墨烯基薄膜作为发光层，并通过静电电场来调制发光的颜色。
背景技术
电致发光器件是一种能够发光的半导体电子器件。其核心元件是发光元件(Light-Emitting Device，简称LED)，现有技术发光元件一般分为无机发光LED和有机发光LED。
无机发光LED主要采用III-V族化合物半导体材料作为发光层，如磷砷化镓薄膜发红光，磷化镓薄膜发绿光，碳化硅薄膜发黄光，铟镓氮薄膜发蓝光。无机LED工作原理主要由通过注入电子空穴对，在PN结处复合发光。
有机LED主要采用由大分子或小分子够成的有机发光材料作为发光层。有机LED工作原理主要是通过注入阴极和阳极分别注入电子和空穴，通过电场注入到发光层中使得电子空穴复合，形成激子，激子再以光或热的形式发出能量进而回到基态。
LED的发光波长可调是一项核心技术，通过混合可调的颜色能够实现混合白光，这对于LED技术来说非常重要。然而对于有机LED和无机LED而言，一旦器件制备完成，这些传统的单个LED的发光颜色和波长就固定无法改变了。目前人们通过组合红色，绿色，蓝色三种发光二极管或者通过滤光片来实现颜色的调控，然而无法从原理上实现真正意义上的光波长可调的LED，这极大制约了LED实用性。
有研究通过电压偏置来实现LED的颜色可调，但可调的光波范围都小于100nm，目前缺乏可以大范围调制光波长的元件。
发明内容
本发明基于以上分析，提出一种发光颜色可调的石墨烯基薄膜电致发光器件及制备方法，该器件基于新原理，的能够面向实际的光学照明应用，实用性强。
本发明提出的一种发光颜色可调的石墨烯基薄膜电致发光器件，其特征在于，该器件包括一发光元件，一衬底结构，一第一电极、一第二电极、第三电极，以及信号输入装置；所述发光的两端分别与所述第一电极和第二电极建立电学连接，并通过第一电极和第二电极固定；所述发光元件，所述第一电极，第二电极和第三电极设置在衬底结构上，对这些元件起支撑和保护作用；所述信号输入装置包括分别与第二电极和第三电极相连的栅极控制信号，用以调制发光元件的颜色；还包括分别与第一电极和第二电极相连的源漏输入信号，用以控制发光的亮度。
所述发光元件包括至少一石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜构成的复合结构。
所述发光元件包括至少一石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜构成的复合结构，还包括在石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜之间的石墨烯量子点层。
所述第三电极通过一绝缘层同发光元件电学隔离，通过栅极控制信号的强弱使发光元件受静电电场调控载流子掺杂浓度，从而实现发光元件通过电学调控发光波长。
所述电学调控发光波长为从300nm至1000nm区间的连续可调。
本发明还提出一种制备如权利要求1所述发光元件的方法，其特征在于，所述制备源材料中包括至少一氧化石墨烯溶液，所述加工设置包括至少一激光光源，该方法包括以下步骤：
1)将氧化石墨烯溶液涂覆到柔性基底上，从而使得整体具有柔性；
2)采用激光对氧化石墨烯表面进行加热还原：
通过控制激光加热时间，使得石墨烯氧化薄膜受热表面一薄层还原为石墨烯，从而形成石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜复合结构，即构成发光显示器件的核心功能发光元件。
所述步骤2)中还包括通过控制激光加热时间，使得还原的石墨烯薄层下形成石墨烯量子点层。
所述步骤2)中还包括通过计算机程序控制激光加热的路径，设定被还原的氧化石墨烯薄膜的图案。
本发明的原理：当一激励信号输入至石墨烯基复合薄膜结构中，使石墨烯/氧化石墨烯界面层产生强电场，空穴在强电场中冲击离化电子，电子空穴对在石墨烯量子点中复合发光。发光的颜色通过另一个输入电信号进行静电电场耦合，调制石墨烯费米能级导致电子空穴复合的能量发生改变，进而实现调制界面层辐射光波长并且光波长范围可覆盖整个可见光波段。由于石墨烯的态密度可以通过电场明显调制，故该发光显示单元具有发光颜色在大范围波长可调的特点。这种石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜复合结构的发光显示单元可以实现在很宽的波长范围内发光，同时实现很高的发光强度。
本发明通过发光元件受静电电场大小的控制实现了发光波长从300nm至1000nm区间连续可调。还可通过环境湿度及真空度，同样可以调控石墨烯电致发光器件的发光颜色，在干燥空气中发绿光，在真空中环境中发蓝光，在潮湿空气中发红光。
本发光元件的核心发光层由全石墨烯材料构成，属于全新的材料体系。
本发明具有的良好效果：
本发明突破了传统发光元件无法实时颜色可调的技术瓶颈，由于石墨烯具备很高的机械强度，这种发光单元器件具有好的柔性。同时这种碳基材料制备简便，成本低，耗时短，避免了传统复杂、成本高昂的制备过程。
可以快速制备大面积、定区域的石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜复合结构，在电致发光元件领域具有重要应用价值，所述显示元件能够广泛应用在手机、MP3、MP4、电视、电脑等电子显示领域。
附图说明
图1是本发明的发光颜色可调的石墨烯基薄膜电致发光器件实施例结构示意图。
图2是本实施例的石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜复合结构。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明实施例的发光显示元件。
请参阅图1，本发明第一实施例设计了一种发光颜色可调的石墨烯基薄膜电致发光器件10，该器件10包括一发光元件12，一衬底结构14，一第一电极16、一第二电极18、第三电极20，以及信号输入装置；所述发光元件12的两端分别与所述第一电极16和第二电极18建立电学连接，并通过所述的第一电极16和第二电极18固定；所述发光元件12，所述第一电极16，第二电极18和第三电极20设置在衬底结构14上，对这些元件起支撑和保护作用。所述信号输入装置包括分别与第二电极和第三电极相连的栅极控制信号22，用以调制发光元件的颜色；还包括分别与第一电极和第二电极相连的源漏输入信号24，用以控制发光的亮度。
所述发光元件12包括至少一石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜复合结构，该复合薄膜的厚度约为10微米，可以根据实际应用确定。该复合薄膜结构应用于发光元件时，通过源漏输入信号24输入的电流越大，其发光强度越高。由于该石墨烯薄膜结构由石墨烯薄膜组成，因而石墨烯薄膜具有很高的韧性和机械强度。
请参阅图1，所述第一电极16和第二电极18通过外接导线将信号输入装置(直流偏置电压)的信号传输到所述发光元件12中。该第一电极16和第二电极18由导电材料形成，其具体材料类型和形状结构不限。具体地，该第一电极16和第二电极18的材料可以选择为金属、导电胶、金属氧化物等。该第一电极16和第二电极18的形状可以选择为层状、棒状、块状、或其他形状中的一种。本实施例中，该第一电极16和第二电极18为层状导电胶电极。
请参阅图1，所述第三电极通过信号输入装置(外加电场)输入的栅极控制信号22，进而使发光元件发出光的颜色。由于第三电极通过一绝缘层同发光元件12电学隔离，通过栅极控制信号22的强弱使发光元件12受静电电场调控载流子掺杂浓度，从而实现发光元件12的电学可调，发光波长从300nm至1000nm区间连续可调。
所述衬底结构14主要起到支撑和保护的作用，其具体形状不限，任何具有确定形状的物体，如一墙壁、桌面、衣服和屏幕等，均可作为本发明第一实施例中的衬底结构14。具体地，所述支撑结构14可以为一平面结构或一曲面结构，并具有一表面。此时，该发光元件12直接设置并贴合于该衬底结构14的表面。有由于该发光元件12整体通过衬底结构14支撑，因此该发光元件12可以承受强度较强的信号输入，从而具有较高的发光强度。
该复合薄膜结构如图2所示，32为石墨烯薄膜，34为石墨烯量子点层，36为氧化石墨烯薄膜，此复合结构为发光显示器件的核心功能层。
本发明给石墨烯/氧化石墨烯双层薄膜通过大于1毫安电流即可观察到发光现象。通过改变电流的大小，或环境湿度及真空度，可以调控石墨烯电致发光器件的发光颜色。
本发明还提出一种制备所述发光元件的方法实施例，所述制备源材料中包括至少一氧化石墨烯溶液和柔性基底，所述加工设置包括至少一激光光源，该方法包括以下步骤：
1)将氧化石墨烯溶液涂覆到柔性基底上，从而使得整体具有柔性；
2)采用激光对氧化石墨烯表面进行加热还原：
通过控制激光加热时间，使得石墨烯氧化薄膜受热表面一薄层还原为石墨烯，从而形成石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜复合结构，即可构成发光显示器件的核心功能元件。
所述步骤2)中还包括通过控制激光加热时间，使得还原的石墨烯薄层下形成石墨烯量子点层，激光加热时间为25分钟，制备出的复合薄膜厚度约为10微米
所述步骤2)中还包括通过计算机程序控制激光加热的路径，还可设定被还原的氧化石墨烯薄膜的图案。
本实施例中当栅极控制信号22电压为0V的时候，发光元件12发射光波长约为550-750nm的红光，当栅极控制信号22电压为30V的时候，发光元件12发射光波长约为500-600nm的绿光，当栅极控制信号22电压为60V的时候，发光元件12发射光波长约为450-550nm的蓝光。
Claims (6)
1.一种制备发光颜色可调的石墨烯基薄膜电致发光器件的方法，该器件包括一发光元件，一衬底结构，一第一电极、一第二电极、第三电极，以及信号输入装置；所述发光器件的两端分别与所述第一电极和第二电极建立电学连接，并通过第一电极和第二电极固定；所述第一电极，第二电极和第三电极设置在衬底结构上，对三个电极起支撑和保护作用；所述信号输入装置包括分别与第二电极和第三电极相连的栅极控制信号，用以调制发光元件的颜色；还包括分别与第一电极和第二电极相连的源漏输入信号，用以控制发光的亮度；
所述发光元件包括至少一石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜构成的复合结构；
制备源材料中包括至少一氧化石墨烯溶液，加工装置包括至少一激光光源，该方法包括以下步骤：
1)将氧化石墨烯溶液涂覆到柔性基底上，从而使得整体具有柔性；
2)采用激光对氧化石墨烯表面进行加热还原：
通过控制激光加热时间，使得石墨烯氧化薄膜受热表面一薄层还原为石墨烯，从而形成石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜复合结构，即构成发光显示器件的核心功能发光元件。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤2)中还包括通过控制激光加热时间，使得还原的石墨烯薄层下形成石墨烯量子点层。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤2)中还包括通过计算机程序控制激光加热的路径，设定被还原的氧化石墨烯薄膜的图案。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述发光元件包括至少一石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜构成的复合结构，还包括在石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜之间的石墨烯量子点层。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述第三电极通过一绝缘层同发光元件电学隔离，通过栅极控制信号的强弱使发光元件受静电电场调控载流子掺杂浓度，从而实现发光元件通过电学调控发光波长。
6.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述电学调控发光波长为从300nm至1000nm区间的连续可调。
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