CN109817828A - 一种石墨烯透明电极及其功函数调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯透明电极及其功函数调控方法，属于材料技术领域。该方法包括如下步骤：预处理透明基材；在透明基材上镀一层超薄铜层；通过CVD法在超薄铜层表面生长石墨烯层；利用离子溅射法在石墨烯层上形成金属薄膜层；最后沉积减反增透层。本发明利用超薄铜箔直接生长石墨烯，省去了石墨烯的转移步骤；在此基础上，选择调控金属薄膜层的功函数小于或大于石墨烯的功函数，配合减反增透层，实现了在保证透过率的前提下，解决石墨烯透明电极的功函数和表面电阻两大关键问题。该石墨烯透明电极的稳定性好，可广泛应用于电致发光器件、太阳能电池、光电探测器等电子信息领域。

Description

一种石墨烯透明电极及其功函数调控方法

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种石墨烯透明电极及其功函数调控方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯集优异的光学、电学、力学、化学性能于一身，同时具有很好的柔性、高载流子迁移率、无毒性、丰富的资源储量等优势。将石墨烯取代ITO材料，制成柔性透明电极应用于有机半导体发光器件(OLED)，可以解决目前OLED电极材料存在的不可弯曲性、高成本、透明度差、较难规模化生产、不环保等问题。然而，将石墨烯应用于OLED还面临着一些挑战。OLED的阳极与阴极材料的功函数需要与有机发光层的离化势相匹配，以减小器件的接触势垒，形成良好的欧姆接触，保证空穴与电子在有机发光层的传输效率。然而，纯净石墨烯功函数为4.3～4.6eV与有机层的离化势接近，远远低于跟阳极接触的有机材料的HOMO(最高占据分子轨道)或者高于跟阴极接触的有机材料的LUMO(最低未占分子轨道)，无法满足OLED器件对电极功函数的要求。因此将石墨烯材料应用于OLED时，必须在保证透过率的前提下，解决石墨烯透明电极的功函数调控问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种石墨烯透明电极及其功函数调控方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种石墨烯透明电极，包括依次连接的透明基材、超薄铜层、石墨烯层、金属薄膜层；

所述透明基材上镀有超薄铜层；

所述超薄铜层表面形成石墨烯层；

所述石墨烯层表面沉积有金属薄膜层。

进一步，所述金属薄膜层表面沉积有减反增透层。

进一步，所述透明基材为玻璃、石英、蓝宝石、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酰亚胺PI、聚萘二甲酸乙二醇酯PEN中的任一种。

进一步，所述超薄铜层的厚度为1-20nm，且超薄铜层的厚度高于透明基材的表面粗糙度。

进一步，所述减反增透层为CuSCN、CuI、NiOx中的一种或者其中两者的混合体，减反增透层厚度为10-60nm。

一种石墨烯透明电极功函数调控的方法，包括如下步骤：

步骤一：预处理透明基材；

步骤二：在透明基材上镀一层超薄铜层；

步骤三：将镀有超薄铜层的透明基材放入气相沉积(Chemical Vaor Deoitio,CVD)炉的腔体内；通入载气，进行升温至石墨烯生长温度，向CVD炉腔体内通入碳源气体，碳源气体在超薄铜层表面成核形成石墨烯层；生长完成后，停止通入碳源气体，继续通入载气，待腔体降至室温，取出组成结构为石墨烯层、超薄铜层和透明基材的样品，用于导电；

步骤四：在所述石墨烯层上沉积金属薄膜层，且具备以下条件：在步骤三得到的样品上加负电位；氩气为载气；采用纯金属为靶材，靶材加负电位；氩气电离为等离子体，带正电的氩离子轰击靶材金属，溅射下的金属离子气团在基体的负电位吸引下沉积在所述石墨烯层的表面，形成金属薄膜层；

步骤五：通过旋涂、丝网印刷、喷墨打印、磁控溅射或者真空蒸镀方式中的一种，在所述金属薄膜层上面沉积减反增透层。

进一步，在步骤四中，所述靶材金属为功函数小于或大于石墨烯功函数的纯金属。

进一步，在步骤三得到的样品上加负电位的电压为-100～-1000V；所述氩气的压强为5-50Pa；所述靶材加负电位的电压为-1000～-2500V。

本发明的有益效果在于：本发明利用超薄铜箔直接生长石墨烯，省去了石墨烯的转移步骤；在此基础上，选择金属靶材的功函数小于或大于石墨烯的功函数，同时配合减反增透层，必须在保证透过率的前提下，解决石墨烯透明电极的功函数和表面电阻两大关键问题，且透明电极的稳定性更好。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明中石墨烯透明电极的结构示意图。

附图标记：1-透明基材，2-超薄铜层，3-石墨烯层，4-金属薄膜层，5-减反增透层。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

在试验过程中，发现将石墨烯应用于OLED，面临着一些挑战。OLED的阳极与阴极材料的功函数需要与有机发光层的离化势相匹配，以减小器件的接触势垒，形成良好的欧姆接触，保证空穴与电子在有机发光层的传输效率。然而，纯净石墨烯功函数为4.3～4.6eV与有机层的离化势接近，远远低于跟阳极接触的有机材料的HOMO(最高占据分子轨道)或者高于跟阴极接触的有机材料的LUMO(最低未占分子轨道)，无法满足OLED器件对电极功函数的要求。因此将石墨烯材料应用于OLED时，必须在保证透过率的前提下，解决石墨烯透明电极的功函数调控问题。针对上述问题，本发明提出一种解决的技术方案。

实施例1

如图1所示，为本发明中石墨烯透明电极的结构示意图，一种石墨烯透明电极，包括依次连接的透明基材1、超薄铜层2、石墨烯层3、金属薄膜层4；所述透明基材1上镀有超薄铜层2；所述超薄铜层2表面形成石墨烯层3；所述石墨烯层3表面沉积有金属薄膜层4。所述金属薄膜层4表面沉积有减反增透层5。

所述透明基材1为玻璃、石英、蓝宝石、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酰亚胺PI、聚萘二甲酸乙二醇酯PEN中的任一种。

所述超薄铜层2的厚度为1-20nm，且所述超薄铜层的厚度高于所述透明基材1的表面粗糙度。

所述减反增透层5为CuSCN、CuI、NiOx中的一种或者其中两者的混合体，所述减反增透层5厚度为10-60nm。

实施例2

一种石墨烯透明电极功函数调控的方法，包括如下步骤：

步骤一，预处理透明基材1。

步骤二，在所述透明基材1上镀一层10nm厚的超薄铜层2，有利于后续生成的石墨烯层3不用转移。

步骤三，将镀有超薄铜层2的透明基材1放入CVD炉的腔体内；通入载气H2，进行升温至石墨烯生长温度980℃，向CVD腔体内通入碳源气体CH4，CH4气体在铜表面成核形成石墨烯层3；生长完成后，停止通入CH4气体，继续通入载气H2，待腔体降至室温，取出组成结构为石墨烯层3、超薄铜层2、透明基材1的样品。

步骤四，在所述石墨烯层3上沉积金属薄膜层4，且具备以下条件：步骤三得到的样品上加负电位，电压为-300V；氩气为载气，压强为10Pa；采用纯金属为靶材，靶材加负电位，电压为-1500V；氩气电离为等离子体，带正电的氩离子轰击靶材金属，溅射下的金属离子气团在基体的负电位吸引下沉积在所述石墨烯层3样品的表面，形成金属薄膜层4，该步骤用于功函数调控。

所述金属靶材根据所需应用于OLED的阳极与阴极电极，选用不同功函数的金属材料：当需要石墨烯材料用作OLED器件的阴极时，选用功函数小于石墨烯的金属靶材，比如铜、银、钛或铟。这是因为相比石墨烯的功函数，铜、银、钛或铟相对较小的功函数意味着，复合后阴极的电子更容易转移到电子注入层，从而提高OLED器件的转换效率。

步骤五，由于石墨烯层3与金属薄膜层4复合后，在一定程度上降低了透明电极的透过率。为此，本发明通过旋涂、丝网印刷、喷墨打印、磁控溅射或者真空蒸镀等方式中一种在金属薄膜层4上面沉积减反增透层5，从而同时解决了石墨烯透明电极的透过率与功函数两大问题。

实施例3

一种石墨烯透明电极功函数调控的方法，包括如下步骤：

步骤一，预处理透明基材1。

步骤二，在所述透明基材1上镀一层10nm厚的超薄铜层2，有利于后续生成的石墨烯层3不用转移。

步骤三，将镀有超薄铜层2的透明基材1放入CVD炉的腔体内；通入载气H2，进行升温至石墨烯生长温度980℃，向CVD腔体内通入碳源气体CH4，CH4气体在所述超薄铜层2表面成核形成石墨烯层3；所述石墨烯层3生长完成后，停止通入CH4气体，继续通入载气H2，待腔体降至室温，取出组成结构为石墨烯层3、超薄铜层2、透明基材1的样品。

步骤四，在所述石墨烯层3上沉积金属薄膜层4，且具备以下条件：步骤三得到的样品上加负电位，电压为-300V；氩气为载气，压强为10Pa；采用纯金属为靶材，靶材加负电位，电压为-1500V；氩气电离为等离子体，带正电的氩离子轰击靶材金属，溅射下的金属离子气团在基体的负电位吸引下沉积在所述石墨烯层3样品的表面，形成金属薄膜层4，该步骤用于功函数调控。

所述金属靶材根据所需应用于OLED的阳极与阴极电极，选用不同功函数的金属材料：当需要石墨烯材料用作OLED器件的阳极时，选用功函数大于石墨烯的金属靶材，比如金、铂或钴，复合后阳极的空穴更容易转移到空穴注入层，从而提高OLED器件的转换效率。

步骤五，由于石墨烯层3与金属薄膜层4复合后，在一定程度上降低了透明电极的透过率。为此，本发明通过旋涂、丝网印刷、喷墨打印、磁控溅射或者真空蒸镀等方式中一种在金属薄膜层4上面沉积减反增透层5，从而同时解决了石墨烯透明电极的透过率与功函数两大问题。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种石墨烯透明电极，其特征在于：包括依次连接的透明基材、超薄铜层、石墨烯层、金属薄膜层；

所述透明基材上镀有超薄铜层；

所述超薄铜层表面形成石墨烯层；

所述石墨烯层表面沉积有金属薄膜层。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯透明电极，其特征在于：所述金属薄膜层表面沉积有减反增透层。

3.根据权利要求1或2所述的一种石墨烯透明电极，其特征在于：所述透明基材为玻璃、石英、蓝宝石、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酰亚胺PI、聚萘二甲酸乙二醇酯PEN中的任一种。

4.根据权利要求1或2所述的一种石墨烯透明电极，其特征在于：所述超薄铜层的厚度为1-20nm，且超薄铜层的厚度高于透明基材的表面粗糙度。

5.根据权利要求4所述的一种石墨烯透明电极，其特征在于：所述减反增透层为CuSCN、CuI、NiOx中的一种或者其中两者的混合体，减反增透层厚度为10-60nm。

6.根据权利要求2～5中任一项所述石墨烯透明电极的功函数调控的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：预处理透明基材；

步骤二：在透明基材上镀一层超薄铜层；

步骤三：将镀有超薄铜层的透明基材放入气相沉积(ChemicalVaorDeoitio,CVD)炉的腔体内；通入载气，进行升温至石墨烯生长温度，向CVD炉腔体内通入碳源气体，碳源气体在超薄铜层表面成核形成石墨烯层；生长完成后，停止通入碳源气体，继续通入载气，待腔体降至室温，取出组成结构为石墨烯层、超薄铜层和透明基材的样品；

步骤四：在所述石墨烯层上沉积金属薄膜层，且具备以下条件：在步骤三得到的样品上加负电位；氩气为载气；采用纯金属为靶材，靶材加负电位；氩气电离为等离子体，带正电的氩离子轰击靶材金属，溅射下的金属离子气团在基体的负电位吸引下沉积在所述石墨烯层的表面，形成金属薄膜层；

步骤五：通过旋涂、丝网印刷、喷墨打印、磁控溅射或者真空蒸镀方式中的一种，在所述金属薄膜层上面沉积减反增透层。

7.根据权利要求6所述的一种石墨烯透明电极功函数调控的方法，其特征在于：在步骤四中，所述靶材金属为功函数小于或大于石墨烯功函数的纯金属。

8.根据权利要求6所述的一种石墨烯透明电极功函数调控的方法，其特征在于：在步骤四中，在步骤三得到的样品上加负电位的电压为-100～-1000V；所述氩气的压强为5-50Pa；所述靶材加负电位的电压为-1000～-2500V。