多晶硅薄膜和石墨烯阳极有机电致发光

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本文较为系统地从实验上研究了石墨烯和304不锈钢对非晶硅晶化的催化作用,以及以p型多晶硅薄膜和铜/石墨烯复合电极为阳极的有机电致发光及其物理。在p型多晶硅薄膜阳极有机电致发光研究中,通过阳极制备过程中p型硅靶电阻率和初始镍层厚度的双重优化,使p型多晶硅薄膜阳极器件的发光效率明显高于电阻率优化的p型晶体硅阳极或氧等离子体处理优化的ITO阳极器件的发光效率,并利用常温霍尔测试和二次离子质谱测试对阳极进行了表征和分析。在铜/石墨烯复合阳极有机磷光电致发光研究中,得到与ITO阳极对照器件相当并且明显优于玻璃/石墨烯阳极对照器件和铜箔阳极对照器件的实验结果,并对其原因进行了较为系统的论述。有代表性的创新研究成果主要体现在以下几个方面:  1.石墨烯对非晶硅晶化的催化作用研究。石英/石墨烯/p型非晶硅薄膜(100nm)样品在750℃退火30分钟后出现明显的单晶硅拉曼峰(518 cm-1),而且基本不再存在非晶硅的拉曼峰(480 cm-1);但石英/p型非晶硅薄膜(100 nm)样品在900℃退火30分钟后才出现明显的单晶硅峰,而且此时仍然存在非晶硅的拉曼峰。实验结果表明,双层石墨烯能够催化非晶硅晶化,在退火30分钟的条件下将晶化温度降低约150℃。  2.304不锈钢对非晶硅晶化的诱导作用及304不锈钢/p型多晶硅薄膜阳极有机电致发光研究。结构为304不锈钢/p型非晶硅(100nm)的样品,经过650℃退火60分钟就已完成晶化,将晶化温度降低了250℃。在304不锈钢/多晶硅薄膜(~20 nm)中,不锈钢起到诱导晶化和降低方块电阻的作用。但是,以304不锈钢/多晶硅薄膜(~20 nm)为阳极的有机电致发光器件容易发生淬灭。  3.电子束蒸发制备p型多晶硅薄膜阳极有机电致发光研究。利用电子束蒸发沉积p型非晶硅(~10 nm)/Ni层/p型非晶硅(~10nm)薄膜,再利用镍诱导晶化制备p型多晶硅薄膜(570℃退火10分钟),再以此薄膜为阳极制备结构为p型多晶硅薄膜/V2O5/NPB/Alq3/Sm/Au的有机电致发光器件。通过对初始镍层厚度和硅靶电阻率的双重优化,提高器件的发光效率。当硅靶电阻率为0.1Ω·cm、初始镍层厚度为~5 nm时,器件电流效率和功率效率都达到最高,分别为1.68 cd/A和0.98 lm/W,分别是电阻率优化的p型单晶硅(40Ω·cm)阳极对照器件发光效率的2.9和3.6倍。  4.磁控溅射制备p型多晶硅薄膜阳极有机电致发光研究。利用磁控溅射沉积p型非晶硅(~10nm)/Ni层/p型非晶硅(~10nm)的薄膜,再利用镍诱导晶化制备p型多晶硅薄膜(570℃退火10分钟),并以此薄膜为阳极制备了结构为p型多晶硅薄膜/SiO2/NPB/Alq3/Bphen∶Cs2CO3/Sm/Au的有机电致发光器件。采用电子传输性能更加优越的Bphen∶Cs2CO3代替Alq3作为电子注入和传输层,提高器件的发光效率。通过对初始镍层厚度和硅靶电阻率的双重优化,当硅靶电阻率为0.01Ω·cm、初始镍层厚度为~2nm时,器件的电流效率和功率效率都达到最高,分别为6.70 cd/A和4.64 lm/W,分别是电阻率优化的p型单晶硅(5Ω·cm)阳极对照器件发光效率的2.7和3.1倍,分别是以氧等离子体处理优化的ITO阳极对照器件的2.9和3.7倍。  p型多晶硅薄膜常温霍尔测试和二次离子质谱测试结果表明,随着硅靶电阻率降低,p型多晶硅薄膜中硼的浓度逐渐增加。阳极向空穴传输层中注入空穴的能力也逐渐加强。当硅靶电阻率太大时,p型多晶硅薄膜中硼的浓度太小,注入的空穴少于阴极注入的电子,电子电流过剩导致电子流与空穴流不匹配,降低器件发光效率。反之,空穴电流过剩同样会导致电子流与空穴流不匹配,降低器件发光效率。因此,硅靶电阻率存在最佳值。  5.铜/石墨烯复合阳极有机磷光电致发光研究。利用化学气相沉积方法在铜箔上催化生长高质量、大面积的双层石墨烯,并以铜/石墨烯复合电极为阳极制备磷光有机电致发光器件。器件结构为Cu/Graphene/V2O5/NPB/CBP∶(ppy)2Ir(acac)/Bphen/Bphen∶Cs2CO3/Sm/Au/BCP。以铜/石墨烯复合电极为阳极的器件最大电流效率和功率效率分别为42.5 cd/A和29.4 lm/W,虽然与电阻率优化的为p型单晶硅(5Ω·cm)阳极对照器件的发光效率仍有差距,但与氧等离子处理优化的ITO薄膜阳极对照器件的发光效率相当,并且明显高于玻璃/石墨烯阳极对照器件和铜箔阳极对照器件的发光效率。
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