12 марта 2016г.
Графен один из самых универсальных материалов на планете, список его возможностей пополняется день ото дня. Исследователи разных стран мира рассматривают графен как наиболее подходящего кандидата для замены материалов во многих отраслях высоких технологий.
Ученые из Сеульского Национального Университета предложили технологию замены дорогостоящего ITO подложкой из графена, при этом они доказали, что толщина слоев получаемого графена, а соответственно и светопропускание, зависят от продолжительности процесса синтеза.
Считается, что в будущем графен станет основным материалом для создания дисплеев. Высокая стоимость исходных материалов является основной проблемой, с которой постоянно сталкиваются производители жидкокристаллических дисплеев. За последние 14 лет стоимость оксида индия-олова (ITO), основного материала, который используется в производстве жидкокристаллических дисплеев, органических светодиодов и сенсорных панелей возросла довольно существенно. Причиной тому является повышение спроса на дисплеи различной диагонали, солнечные панели и другие продукты [1].
Разработка и применение гибких дисплеев – прогрессивный скачок будущего на рынках электронных технологий. Графен является более гибким, чем обычные керамические альтернативы вроде индия-оловянного оксида (ITO) и прозрачнее, нежели металлические пленки. Кроме того, высокая стоимость ITO и снижающийся уровень предложения заставили производителей дисплеев посмотреть в сторону альтернативных материалов, в основе которых лежит углерод.
Современные гибкие панели OLED используют ITO в качестве главного материала для анода светодиода. Но такие свойства как гибкость и прочность не являются сильной стороной оксида индия-олова, в результате после ударов или слишком большого давления в лучшем случае снизится энергоэффективность и яркость дисплея, а в худшем – светодиоды выйдут из строя. Теплопроводность и проводимость графена делают его идеальной заменой оксида индия-олова. Также, графен прочнее алмаза и довольно гибкий (ленту графена можно растянуть без какого-либо ущерба на 20%), что исключает возможность ухудшения качества изображения при физическом воздействии на гибкий дисплей. Исследования указывают на то, что производство анодов из модифицированного графена технологически возможно, обосновано и перспективно.
Проводимость материала электрода является одним из основных факторов, определяющих его эффективность. Типичное сопротивление ITO находится в диапазоне 10-100 Ω/м2, в то время как углеродные нанотрубки и проводящие полимеры обычно достигают 100-1000 Ω/м2 при той же прозрачности. Последние успехи в области синтеза графена привели к прорыву: сопротивление одного графенового листа составило около 30 Ω/м2 при пропускании 90% - значение, которое в некоторых случаях превосходит ITO [2].
Однако простая замена в органических светодиодах ITO на графен не приводит к немедленному повышению эффективности. Ученые обнаружили, что и высокая работа выхода не менее важна для достижения высокой эффективности светодиодов с прозрачным графеновым электродом. Графен, который обычно выступает в качестве анода в OLED-устройствах, обладает относительно низкой работой выхода – около 4,4 эВ. По сравнению с потенциалами ионизации наиболее часто используемых дыркопроводящих слоев, таких как NPB и TAPC, которые составляют около 5,4 эВ, низкая работа выхода графена приводит к чересчур высокому барьеру инжекции на границе, что снижает эффективность работы конечного устройства.
Многие работы сегодня направлены на корректировку проводимости и работы выхода. Например, ряд усилий направлен на получение графена с минимальным сопротивлением. Обычно лист графена имеет поверхностное сопротивление около 1000 Ω/м2, что приводит к необходимости использования высокого напряжения, что ограничивает эффективность конечного устройства. Однако сегодня в ведущих лабораториях по синтезу графена в качестве электродов удалось получить прозрачные слои графена с сопротивлением листа около 34 Ω/м2 при пропускании 90% - значение, не уступающее коммерчески доступным электродам из ITO. Для обеспечения высокой работы выхода был разработан такой проводящий полимер, работа выхода которого достаточна для улучшения инжекции дырок из графенового анода в органический слой. Одним из таких полимеров, который ученые называют «градиентный слой с дырочной проводимостью» (GraHIL), состоит из поли(3,4-этилендиокситиофена), допированного поли (стиролсульфонатом) (PEDOT:PSS), который уже давно используется, с добавкой сополимера тетрафторэтилена-перфтор-3,6-диокса-4-метил-7-октилсульфоновой кислоты (перфторированных иономер). Этот проводящий полимер обеспечивает градиент работы выхода через слой и относительно высокую работу выхода на поверхности (5,95 эВ), что позволяет эффективно инжектировать дырки в вышележащий транспортный слой.
Эти улучшения проводимости и работы выхода существенно повысили эффективность конечных устройств, даже составив конкуренцию современным жестким OLED на основе ITO. В частности, исследователи показали, что зеленые флуоресцентное и фосфоресцное OLED-устройства на основе четырехслойного графенового анода, легированного HNO3, достигают световой эффективности 37,2 лм/Вт и 102,7 лм/Вт, соответственно. Эти значения намного выше, чем устройства на основе электродов из ITO, которые достигают эффективности 24,1 лм/Вт в случае люминесцентных и 85,6 лм/Вт в случае фосфоресцентных органически светодиодов. Исследователи также показали, что гибкие люминесцентные OLED-источники белого света с четырехслойным графеновым анодом, легированным HNO3, сегодня обладают токовой эффективностью около 16,3 кд/А, что выше, чем у органических светодиодов на основе ITO (10,9 кд/А).
Это первый случай, когда OLED на основе не-оксидных прозрачных электродов проявили лучшую эффективность, чем на основе ITO, что вселяет надежду, что этот альтернативный прозрачный электрод может конкурировать с коммерческими электродами из ITO и в плане производительности. Допирование графена и специальные шаги по повышению работы выхода с использованием градиентного слоя с дырочной проводимостью – это самые важные шаги для достижения высокой эффективности графеновых OLED. Пока что, к сожалению, не была изучена стабильность этих материалов: например, хотя сам графен является достаточно стабильным, допированная кислота может постепенно мигрировать, как увеличивая сопротивление графена, так и вредя остальным кислотно-чувствительным компонентам. Еще одной проблемой может стать производство и стоимость такого высокопроводящего графена, который синтезируют методом химического осаждения из пара на подложки из металлической фольги высокой чистоты.
Список литературы
1. Jonathan K. Wasseia et. al. Graphene, a promising transparent conductor Materials Today 13, 52 (2010)
2. Gunar Kaune: Röntgenografische Charakterisierung von Indium-Zinn-Oxid-Dünnschichten. (PDF; 4,4 MB) Diplomarbeit an der Technischen Universität Chemnitz, 26. September 2011.
