碳纳米管透明导电薄膜功函数调控及柔性有机发光器件的应用

Carbon nanotube(CNT) based transparent conducting films(TCFs) have many avantages such as high conductivity, suitable workfunction,nice flexibility, environmentally friendly.It can be used in flexible organic light-emmiting diodes (FOLED) to solve the problems such as poor flexibility, environment pollution, high cost of using traditional ITO films.Basis on the obtained high transmittance and low sheet resistance CNT-TCFs, this project aimes to regulate and control the work function of CNT-TCFs by doping effect to match the lighting materials, and to decrease the surface roughness of CNT-TCFs. In order to fabricate high porformance FOLED using CNT-TCFs as electrodes, we try to find and solve the key technical problems and mechanism of using CNT-TCFs replace of ITO. The study inludes: to obtain high dispersed CNT solution and optimize the technique of fabricating scale, high conductive, low surface roughness CNT-TCFs; to treat the flexible substrate to enhance its adhesion, increase the adhesion between CNTs and substrate to avoid the anode to detach from substrate; Using doping effect to increase the conductivity of TCFs by decreasing the contact potential barrier between metallic and simeconductive CNTs, to adjust and control the work function of CNT-TCFs to match the organic lighting materials, to decrease the surface roughness and the barrier potential between CNT anode and organic lighting layer to increase the injection efficient of carriers and enhance the efficiency and lifetime of OLED; to explore the surface and interface effects between CNT-TCFs and organic lighting materials as well as the carrier transport mechanism between them.

碳纳米管柔性透明导电薄膜具有高导电性、功函数可调、柔韧性好等特点，将其应用于柔性有机电致发光器件(FOLED)中解决传统ITO薄膜柔韧性差、环境污染、成本渐高等问题。本课题旨在高透光率低面电阻的透明导电薄膜的基础上，如何通过掺杂效应调控碳纳米管薄膜的功函数，匹配发光材料，降低表面粗糙度，解决碳纳米管薄膜替代ITO作为阳极制备FOLED出现的关键技术与机理问题。主要研究内容有：高均匀分散的碳纳米管溶液制备与优化薄膜大面积制备工艺，降低碳管薄膜表面粗糙度；柔性基底的处理增强碳纳米管和基底的粘合性能，提高附着力；用掺杂来降低金属型与半导体型碳纳米管之间的接触势垒，提高薄膜导电性能，调控碳纳米管薄膜的功函数，减小阳极和有机层之间的注入势垒，匹配有机发光材料，增强载流子的注入效率；探讨碳管薄膜与有机发光材料之间的表面、界面效应和载流子在它们之间的传输机理，提高器件的效率和寿命。

透明导电薄膜(TCFs)作为一种重要的光电材料已被广泛应用在平板显示器、触摸屏、太阳能电池、发光二极管等器件中。传统发光器件的导电薄膜多采用铟锡氧化物(ITO)薄膜，ITO薄膜由于其在沉积时要求真空度高，生产成本较高，尤其是在柔性基底上的 ITO薄膜面电阻高、透明度差，并且与柔韧衬底之间的粘附性能不好，刚性易碎，限制了其在柔性显示领域的广泛应用。. 碳纳米管 (CNTs)具备很多优异而独特的光学、电学和机械特性，少量的碳纳米管可以形成一层随机的网络结构的高透光性低面电阻碳纳米管透明导电薄膜。由于其在导电、透光，强度和柔性方面都呈现良好的特性，可以代替传统的ITO薄膜应用在柔性光电器件中。. 目前CNT-TCFs的制备方法有很多种，本研究在对比各种CNT薄膜制备方法的基础上，主要采用了一种可以大面积快速制备CNT-TCFs的棒涂工艺。在薄膜的制备过程中，薄膜的厚度是由涂膜棒上绕线的直径和所配置CNTs溶液的浓度共同决定。讨论了在制备过程中CNTs溶液的流变学性能对薄膜形成所起的作用。研究了两种不同表面活性剂的添加量对碳纳米管溶液的粘度和表面张力的影响，分析了碳纳米管薄膜形成过程中的流平、干燥和反润湿等现象的成因和作用时间，最终得到了流变学性能最佳的，可以直接涂布的碳纳米管油墨。. 为了提高CNTs在PET基底上的附着力，采用了多种方法，其中之一是PET薄膜的表面处理，根据PET在酸性条件下易水解的性质，对PET基底进行硝酸预处理，使其亲水性显著提高，采用两步法制备出了附着力较强导电性能良好的CNT-TCFs样品。其二，是在碳纳米管油墨中加入两种不同的粘结剂，分析了添加粘结剂对碳纳米管油墨流变学性能的影响，优化最优配比。采用ScotchTM胶带法测试薄膜的附着力，对比了传统油墨制备的CNT-TCFs与粘结剂加入后制备的CNT-TCFs的附着力，并分析了附着力增强的机理。. 进一步优化了碳纳米管薄膜的后处理方法，通过不同浓度的硝酸处理不同时间，得到了最佳的处理条件，提高了碳纳米管薄膜的导电性，得到了在透光率80%的情况下，面电阻达到了80 Ω/sq以下的薄膜，这个性能已经完全可以应用在触摸屏等显示器件中，并在OLED中应用也已经在本课题组被证实。