一种石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法

本发明涉及一种石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，属于透明导电膜应用与柔性显示。

背景技术：

1、柔性显示器作为下一代显示技术，具有轻便、可卷曲等特点，因此在智能可穿戴设备等领域具有广泛的应用潜力。其中，柔性有源矩阵发光二极管(amled)具有自发光、反应速度快、亮度高且易通过薄膜晶体管调控等特点，是一种重要的柔性显示器技术。在amled中，透明电极是实现像素点亮的关键元件。但现有透明电极主要采用氧化铟锡(ito)等材料，其本征脆性限制了其在柔性显示器中的应用。

2、石墨烯具有高导电、高透光、力学性能强和化学稳定等优点。与传统透明电极材料相比，石墨烯还具有可弯折和可拉伸的特性。因此，石墨烯作为柔性透明电极材料的研究备受关注。然而，石墨烯透明电极应用还面临诸多挑战。首先，由于石墨烯仅有原子级厚度，在器件制备过程中作为像素电极很容易被随后沉积的半导体功能层水平连通而发生像素间的短路。其次，石墨烯的表面功函数与相接触的半导体层材料的能级结构不是完全匹配，不利于载流子由电极向发光层的垂直注入与传输。此外，由于石墨烯像素电极矩阵和驱动电路之间的接触电阻会影响整个电路的性能和稳定性，石墨烯透明电极矩阵与驱动电路集成仍然是亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，利用绝缘性高分子材料使像素电极间绝缘同时提高电荷的垂直注入与传输及其与薄膜晶体管集成构建有源矩阵发光二极管，该方法还可降低石墨烯透明电极矩阵和驱动电路之间的接触电阻，进而实现薄膜晶体管对led的开关与亮度的良好调控，所得amled器件具有柔性可弯折的特性。

2、本发明的技术方案：

3、一种石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，通过激光刻蚀图形化的方法制备石墨烯像素电极矩阵，并利用绝缘性聚合物材料限域石墨烯像素电极的载流子传输，进而制备柔性有源矩阵发光二极管器件，包括以下步骤：

4、步骤1：将不同基体上生长的石墨烯薄膜转移至热释放胶带或聚二甲基硅氧烷基体上，并对其进行激光刻蚀图形化制备出石墨烯像素电极矩阵；

5、步骤2：将热释放胶带或聚二甲基硅氧烷基体上的石墨烯像素电极矩阵一一对应转印至薄膜晶体管阵列上，进而在石墨烯像素电极矩阵表面沉积一层超薄的绝缘聚合物层；利用其填充石墨烯像素电极矩阵间隙，避免像素间被随后沉积的半导体材料短接形成短路，同时提高石墨烯中载流子向发光层的注入与传输；

6、步骤3：在聚合物改性后的石墨烯像素电极表面制作发光二极管，构建柔性有源矩阵发光二极管器件。

7、所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，石墨烯薄膜为生长在金属cu箔、ni箔、cuni合金、蓝宝石或硅片基体上的石墨烯薄膜。

8、所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，将不同基体上生长的石墨烯薄膜转移至热释放胶带或聚二甲基硅氧烷基体上，层数为1～10层。

9、所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，步骤1中，激光刻蚀所用激光线宽为5～100μm，激光加工功率为0.1～2w，激光扫描速度为200～3000mm/s，激光扫描次数为1～10次，所得像素间距为5～500μm。

10、所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，步骤2中，薄膜晶体管的沟道材料为半导体性碳纳米管、mos2、并五苯、硅或铟镓锡氧化物，电流开关比为104～107，其承载基体为柔性的pet、pen或超薄玻璃。

11、所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，步骤2中，采用转印的方法将石墨烯像素电极矩阵一一对应转移至薄膜晶体管阵列上，石墨烯像素电极与晶体管的源极或漏极相连接。

12、所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，步骤2中，所用绝缘聚合物层为聚酰亚胺(pi)、二甲氧基聚乙烯亚胺(peie)、聚醚酰亚胺(pei)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或硅氧烷，厚度为2nm～15nm。

13、所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，步骤2中所用绝缘聚合物层限制石墨烯像素电极间电子传输，同时调控功函数提高电荷的垂直注入与传输，功函数调控范围为3.5ev～5.5ev。

14、所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，步骤3中发光二极管为量子点发光二极管、有机发光二极管或钙钛矿发光二极管。

15、所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，步骤3中所得有源矩阵发光二极管器件，通过薄膜晶体管对发光二极管进行开关与亮度的调控，并且柔性可弯折。

16、本发明的设计思想是：

17、聚合物pi、peie、pei、pmma、硅氧烷等具有绝缘的特性，其沉积在石墨烯像素电极矩阵表面，可填充石墨烯像素电极矩阵的间隙，阻止了石墨烯像素之间的水平电子传输。由于沉积的聚合物层厚度非常薄，电荷可以垂直隧穿通过。而且，由于界面偶极的作用，聚合物还可以调控石墨烯的表面功函数降低石墨烯与不同半导体层间的注入势垒，从而改善电荷的垂直注入与传输。此外，将石墨烯像素电极与薄膜晶体管集成后再沉积绝缘聚合物层还可提高石墨烯与薄膜晶体管间的相互作用，从而降低接触电阻。因此，通过在石墨烯像素电极表面沉积绝缘聚合物层可以限域载流子的传输，同时可以通过选择不同的聚合物调控石墨烯功函数进而沉积不同的半导体材料，制备出不同的amled器件。

18、本发明的优点及有益效果是：

19、1、本发明提出一种利用绝缘性聚合物超薄层来限域石墨烯像素电极中载流子传输的方法，阻止了石墨烯像素之间的水平电子传输。同时，改善了电极载流子的垂直注入与传输，解决了石墨烯等原子厚度像素电极在柔性显示器等领域中应用容易短路的技术难题。

20、2、本发明制备的柔性石墨烯像素电极矩阵不仅可与以半导体性碳纳米管、mos2、并五苯、硅、铟镓锡氧化物等为沟道材料的薄膜晶体管集成，还可利用不同聚合物改性调控功函数构建有机发光二极管、量子点发光二极管、钙钛矿发光二极管等。因此，可以制备多种不同的柔性amled器件，所得器件具有柔性、功耗低、像素清晰、亮度容易调控等特点，在柔性可穿戴设备等领域具有广阔应用前景。同时，由于石墨烯材料的化学和热稳定性，所得器件还具有更高的应用可靠性，对柔性显示技术的发展提供了有力的支持。

技术特征：

1.一种石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，其特征在于，通过激光刻蚀图形化的方法制备石墨烯像素电极矩阵，并利用绝缘性聚合物材料限域石墨烯像素电极的载流子传输，进而制备柔性有源矩阵发光二极管器件，包括以下步骤：

2.按照权利要求1所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，其特征在于，石墨烯薄膜为生长在金属cu箔、ni箔、cuni合金、蓝宝石或硅片基体上的石墨烯薄膜。

3.按照权利要求1所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，其特征在于，将不同基体上生长的石墨烯薄膜转移至热释放胶带或聚二甲基硅氧烷基体上，层数为1～10层。

4.按照权利要求1所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，其特征在于，步骤1中，激光刻蚀所用激光线宽为5～100μm，激光加工功率为0.1～2w，激光扫描速度为200～3000mm/s，激光扫描次数为1～10次，所得像素间距为5～500μm。

5.按照权利要求1所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，其特征在于，步骤2中，薄膜晶体管的沟道材料为半导体性碳纳米管、mos2、并五苯、硅或铟镓锡氧化物，电流开关比为104～107，其承载基体为柔性的pet、pen或超薄玻璃。

6.按照权利要求1所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，其特征在于，步骤2中，采用转印的方法将石墨烯像素电极矩阵一一对应转移至薄膜晶体管阵列上，石墨烯像素电极与晶体管的源极或漏极相连接。

7.按照权利要求1所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，其特征在于，步骤2中，所用绝缘聚合物层为聚酰亚胺(pi)、二甲氧基聚乙烯亚胺(peie)、聚醚酰亚胺(pei)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或硅氧烷，厚度为2nm～15nm。

8.按照权利要求1所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，其特征在于，步骤2中所用绝缘聚合物层限制石墨烯像素电极间电子传输，同时调控功函数提高电荷的垂直注入与传输，功函数调控范围为3.5ev～5.5ev。

9.按照权利要求1所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，其特征在于，步骤3中发光二极管为量子点发光二极管、有机发光二极管或钙钛矿发光二极管。

10.按照权利要求1所述的石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，其特征在于，步骤3中所得有源矩阵发光二极管器件，通过薄膜晶体管对发光二极管进行开关与亮度的调控，并且柔性可弯折。

技术总结
本发明涉及一种石墨烯像素电极限域载流子传输及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法，属于透明导电膜应用与柔性显示技术领域。利用绝缘性聚合物材料使石墨烯像素电极间绝缘同时提高电荷的垂直注入与输运及其柔性有源矩阵发光二极管的制备方法。首先将不同基体上生长的石墨烯薄膜转移至转印基体上，并对其进行激光刻蚀制备出石墨烯像素电极。然后将石墨烯像素电极矩阵转移至薄膜晶体管阵列上，进而在石墨烯矩阵表面沉积一层超薄的聚合物层。最后，在聚合物改性的石墨烯电极上构建发光二极管，获得有源矩阵发光二极管器件。该方法制备的有源矩阵发光二极管器件具有像素清晰、柔性可弯折，在柔性显示器及智能穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。

技术研发人员：杜金红,张鼎冬,佟博,马来鹏,任文才,成会明
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15