一種碳薄層電極的製作方法
2023-05-08 21:16:16
專利名稱：一種碳薄層電極的製作方法
技術領域：
本發明屬於光電材料和器件科技領域，尤其涉及一種碳薄層電極。
背景技術：
導電薄層在很多領域有著廣泛的應用，諸如電存儲器、發光二極體、人工肌肉、太陽能電池等功能器件的電極。當前，最常見電極是傳統無機材料的金屬氧化物薄層，諸如氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(ΙΖ0)、氧化鋅(ZnO)等。然而隨著稀有金屬的日趨匱乏，價格日趨昂貴，而且其脆性特點進一步限制了他們在光電功能器件領域的大規模應用。所以，開發具有價格低廉、原材料豐富、穩定性高以及柔性好的導電薄層，其經濟利益與戰略意義重大。目前，同時具有柔性與導電功能的材料主要有導電聚合物和碳納米管。相對於無機金屬氧化物導電薄層，傳統導電聚合物材料諸如PANI (聚苯胺)、PPY (聚吡咯)等導電性相對較差，新型導電聚合物如PEDOT =PSS (聚乙撐二氧噻吩聚對苯硫醚)等雖然導電性較高，但其價格較高。碳納米管具有出色的電學性能與優異的機械性能，是製備柔性導電薄層的理想材料之一。但是碳納米管在製備與純化過程中不僅產率低，而且金屬性與半導體性碳納米管之間分離困難且低效，使其薄層的製備過程複雜，成本高。近年來，石墨烯因具有高遷移率(20000-50000cm2/VS)、獨特的整數霍爾效應，優異的機械性能成為人們的研究熱點，石墨烯是一種單層碳原子緊密堆積成的二維蜂窩狀結構的碳質新材料，其導電率較高，透光率可達97%，且生產成本較低，不需高溫和高壓。因此石墨烯製成的薄層將成為新一代的理想導電薄層。石墨烯的合成方法主要有機械剝離法、 熱膨脹法、取向附生法、加熱SiC法、化學氣相沉積法、氧化還原法以及液相化學法等。其中氧化還原法和化學氣相沉積法最受公司和研發機構關注。氧化還原法通常用 Hummers 法(參見文獻Hummers, W. S. ； Offeman RE. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 1339.)將石墨轉為近絕緣的氧化石墨烯，然後將其進行NaBH4還原、高溫熱處理以及電化學還原。J. H. Chen等人(參見文獻Nat. Nano techno 1. 2008, 3，206.)用化學氣相沉積法在鎳上生長的石墨烯，再通過轉移得到碳薄層，其面電阻為200 Ω / □，在550nm處的透過率為85%。 S. Biswas等人(參見文獻Nano Lett. 2009，9，167 .)通過液體-液體組裝製備的石墨碎片面電阻達到100Ω/ □，在500nm處的透過率為70%，目前，單層或多層石墨烯在用作透明電極的時候，在滿足一定光學透過率的情況下，其導電性質如面電阻仍然很高，實際應用中需要提供一種碳薄層電極，其在滿足一定的光透過率的情況下，具有較好的導電性質。
發明內容
針對以上現有技術中存在的石墨烯在用作透明電極的時候，在滿足一定光學透過率的情況下，其導電性質如面電阻仍然很高，實際應用中需要提供一種碳薄層電極，其在滿足一定的光透過率的情況下，具有較好的導電性質。本發明提供一種碳薄層電極，包括透明襯底1、碳薄層2、金屬納米顆粒層3 ；所述碳薄層2，覆蓋於所述透明襯底1上；所述金屬納米顆粒層3沉積在碳薄層2上。所述碳薄層2的材料為石墨化的碳纖維、石墨片、石墨(碎)片、石墨氟化物纖維、碳納米管中的一種或其混合物。所述碳薄層電極還包括保護層4、所述保護層4覆蓋在金屬納米層3上。保護層4 為有機小分子、聚合物、滷族化合物、氧族化合物、氮族化合物、碳族化合物其中的一種或上述材料的混合物。氧族化合物可以為三氧化鉬或三氧化鎢。所述三氧化鉬或者三氧化鎢的厚度為l_200nm。所述金屬納米顆粒層3中金屬為銀。所述金屬納米顆粒層3中銀的厚度為1 nm -20 nm。所述透明襯底1與碳薄層2之間包含出光耦合層，所述出光耦合層覆蓋在透明襯底1上。所述出光耦合層為有機小分子、聚合物、滷族化合物、氧族化合物、氮族化合物、碳族化合物中的一種或上述材料的混合物。所述氧族化合物為三氧化鎢或三氧化鉬。所述三氧化鎢或三氧化鉬的厚度為1-lOOnm。本發明的有益效果為本發明提供的一種碳薄層電極，通過在碳薄層上沉積金屬納米顆粒層等技術方案，因為金屬納米顆粒層本身具有一定的導電性，在滿足一定的光透過率的情況下，其碳薄層具有較好的導電性質。
圖1是本發明中碳薄層電極的結構圖。
具體實施例方式下面將結合說明書附圖對本發明的實施方式作具體說明。如圖1所示，本發明的一種碳薄層電極，包括透明襯底1、碳薄層2、金屬納米顆粒層3 ；所述碳薄層2覆蓋於所述透明襯底1上；所述金屬納米顆粒層3沉積在碳薄層2上。 其中碳薄層2的材料可以為石墨烯或石墨化的碳纖維或石墨(碎)片或石墨氟化物纖維或碳納米管或其混合物。其中如果碳薄層2的材料為石墨烯的時候通過化學氣相沉積或轉移在透明襯底1上，如果碳薄層2的材料為碳納米管的時候旋塗在透明襯底上。以石墨烯烴作為碳薄層為例，所述碳薄層電極還包括保護層4、所述保護層4覆蓋在金屬納米層3上，如通過真空蒸發法沉積在金屬納米層3上。所述的保護層4可以是有機小分子、聚合物、商族化合物、氧族化合物、氮族化合物、碳族化合物、其中的一種或上述材料構成的混合物，所述氧族化合物可以為氧化鉬，氧化鎢，氧化鋅，氧化銀中的一種或混合物。其中保護層4中的材料優選為三氧化鉬或三氧化鎢，所述保護層中三氧化鉬或三氧化鎢的厚度為l-200nm。所述透明襯底可為玻璃或其他透明材料。所述金屬納米層3中的金屬可以為多種金屬，如銀等。其中金屬納米層中的金屬優選為銀，所述銀的厚度優選為1 nm -20 nm。在所述銀的厚度分別在lnm，2nm, 4nm, 6nm, 20nm,保護層4中三氧化鎢的厚度為 40nm時，金屬銀的沉積速率為0. 01-2nm/s，保護層4中三氧化鎢的沉積速率為0. 01-0. 5nm/ s，測試碳薄層在可見光區光透過率和面電阻，其光透過率分別78%、78%、75%、69%、61%，面電阻分別為 54Ω / 口、53Ω / 口、26Ω / 口、12Ω / 口、4· 3Ω / 口。當 Ag 的厚度為 4nm，變化保護層三氧化鎢的厚度，其厚度為lnm，40nm，60nm，200nm，薄層在可見光區的透過為為70%， 75%, 78. 5%, 71%，面電阻位於 25 Ω / □禾口 28 Ω / □之間。
以上述其中三個碳薄層(銀厚度分別為2nm，4nm，6nm，保護層三氧化鎢為40nm，其光透過率分別78%、75%、69%，面電阻分別為53 Ω / 口、26 Ω / 口、12 Ω/□)為透明電極，製備有機電子發光器件。器件的結構為陽極/NPB (40 nm)/Alq3 (60 nm)/LiF (Inm)/Al (100 nm)。各功能層以真空熱蒸發的方式沉積，其中有機材料的沉積速率為0.01-0. 3nm/s，LiF 的沉積速率為0. 01-0. 05nm/s,金屬Al的沉積速率為l-2nm/s。所得器件的最大發光效率分別為 3. 02cd/A，3. 16cd/A，3. 72cd/A。以有機小分子NPB(N，N 『 -二(1_萘基)_N，N 『 - 二苯基-1，1 『-聯苯-4-4' -二胺)，聚合物PEDOTPPS(聚乙撐二氧噻吩聚對苯硫醚)，三氧化鉬為保護層。 當Ag的厚度為4nm，保護層的厚度為60nm，其中NPB、三氧化鉬通過真空熱蒸發沉積，PEDOT PPS通過旋塗法在N2環境下塗布。不同保護層的薄層的可見光光透過率分別76%、73%、79%， 面電阻分別為33 Ω / 口、43 Ω / 口、26 Ω / 口。優選地，所述透明襯底1與碳薄層2之間包含出光耦合層，所述出光耦合層覆蓋在透明襯底1上，所述出光耦合層可以是有機小分子、聚合物、滷族化合物、氧族化合物、氮族化合物、碳族化合物其中的一種或上述材料構成的混合物，其中氧族化合物也可以為多種金屬氧族化合物，如三氧化鎢等。優選為使用三氧化鎢作為出光耦合層。所述三氧化鎢作為出光耦合層覆蓋在透明襯底1上，如三氧化鎢通過真空熱蒸發沉積在透明襯底1上。所述出光耦合層中三氧化鎢的厚度為Ι-lOOnm。在所述出光耦合層中三氧化鎢的厚度為50nm， 銀的厚度為2 nm、4nm、6nm，保護層4中三氧化鎢的厚度為40nm時，測試碳薄層的光透過率和面電阻，其光透過率分別84%、80%、75%，面電阻分別為62 Ω / 口、33 Ω / 口、18 Ω / 口。在增加出光耦合層後，在同樣的金屬納米層和保護層情況下，可以增加碳薄層的光透過率。以有機小分子NPB(N，N 『 -二(1_萘基)_N，N 『 - 二苯基-1，1 『-聯苯-4-4『 -二胺)，聚合物PEDOTPPS (聚乙撐二氧噻吩聚對苯硫醚)，三氧化鎢為出光耦合層，厚度為60nm。當Ag的厚度為4nm，保護層三氧化鎢的厚度為40nm，其中NPB，三氧化鎢通過真空熱蒸發沉積，PED0T:PPS通過旋塗法沉積。不同出光耦合層的薄層的可見光光透過率分別81%、80%、83%，面電阻分別為39 Ω /口、43 Ω /□、洸Ω /口。本發明並不局限於前述的具體實施方式
。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特徵或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
權利要求
1.一種碳薄層電極，其特徵在於包括透明襯底(1)、碳薄層(2)、金屬納米顆粒層(3)； 所述碳薄層(2)覆蓋於所述透明襯底(1)上；所述金屬納米顆粒層(3)沉積在碳薄層(2)上。
2.如權利要求1所述的碳薄層電極，其特徵在於所述碳薄層(2)的材料為石墨烯、石墨化的碳纖維、石墨片、石墨氟化物纖維、碳納米管中的一種或其中任意幾種的混合物。
3.如權利要求1所述的碳薄層電極，其特徵在於所述碳薄層電極包括保護層(4)、所述保護層(4)覆蓋在金屬納米顆粒層(3)上。
4.如權利要求3所述的碳薄層電極，其特徵在於所述保護層(4)為有機小分子、聚合物、滷族化合物、氧族化合物、氮族化合物、碳族化合物中的一種或其中任意幾種的混合物。
5.如權利要求4所述的碳薄層電極，其特徵在於所述氧族化合物為三氧化鎢。
6.如權利要求5所述的碳薄層電極，其特徵在於所述三氧化鎢的厚度為1nm -200nm。
7.如權利要求1所述的碳薄層電極，其特徵在於所述金屬納米顆粒層(3)中金屬為銀。
8.如權利要求7所述的碳薄層電極，其特徵在於所述金屬納米顆粒層(3)中銀的厚度為 1 nm -20 nm。
9.如權利要求1所述的碳薄層電極，其特徵在於所述透明襯底(1)與碳薄層(2)之間包含出光耦合層，所述出光耦合層覆蓋在透明襯底(1)上。
10.如權利要求9所述的碳薄層電極，其特徵在於所述出光耦合層為有機小分子、聚合物、滷族化合物、氧族化合物、氮族化合物、碳族化合物中的一種或其中任意幾種的混合物。
11.如權利要求1-10中任意一個所述的碳薄層電極，其特徵在於所述碳薄層電極應用於有機電致發光器件或者有機太陽能電池。
全文摘要
本發明屬於光電材料和器件科技領域，本發明公開了一種碳薄層電極，包括透明襯底(1)、碳薄層(2)、金屬納米顆粒層(3)；所述碳薄層(2)覆蓋於所述透明襯底(1)上；所述金屬納米顆粒層(3)沉積在碳薄層(2)上；在滿足一定的光透過率的情況下，其碳薄層具有優異的導電性。
文檔編號B32B15/02GK102169963SQ20101060009
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月22日 優先權日2010年12月22日
發明者周荃, 塗洪明, 田斌新 申請人:塗洪明