Transfer Sekunder Elektroda Grafena untuk OLED Fleksibel yang Sangat Stabil
Abstrak
Selama pertumbuhan grafena pada foil tembaga, retakan batas kristal yang mendasarinya direplikasi dengan setia, yang mengakibatkan kerutan yang jelas dalam film yang ditransfer. Kami menyajikan teknik transfer sekunder yang mengubah “puncak” tajam ini menjadi “lembah” yang halus, mencapai redampingan permukaan grafena yang hampir tidak merusak. Mikroskopi optik, spektroskopi Raman, dan pengukuran listrik mengonfirmasi bahwa morfologi dan performa foto-listrik terpelihara setelah transfer sekunder. Sebagai demonstrasi, kami memabrikan perangkat cahaya organik fleksibel (FOLED) menggunakan tumpukan PEDOT:PSS/SLG/NOA63. Perangkat mencapai luminansi maksimum ~35 000 cd/m² dan efisiensi arus puncak 16,19 cd/A. Metode ini skalabel dan cocok untuk produksi roll-to-roll elektroda grafena berukuran luas dan berkualitas tinggi.
Latar Belakang
Grafena, satu lapisan karbon sp² yang diikat dalam jaringan heksagonal, menawarkan konduktivitas eksepsional, transparansi optik tinggi, dan fleksibilitas mekanis, menjadikannya pengganti yang menjanjikan untuk oksida timah indium dalam optoelektronik fleksibel [1–3]. Pekerjaan terbaru telah menunjukkan bahwa grafena berukuran luas dapat ditumbuhi oleh depozi chemically vapor (CVD) pada foil tembaga, mencapai resistensi lap seendah 30 Ω/sq dan transmisi mendekati 90% [4]. Selain itu, grafena dop boron telah memberikan efisiensi kuantum eksternal rekaman sekitar 24,6% dalam FOLED [5].
Meskipun CVD pada tembaga adalah rute paling matang untuk grafena berkualitas tinggi dan skala besar, sifat polikristal foil memperkenalkan retakan batas kristal dan kekasaran permukaan. Cacat-cacat ini ditransfer ke grafena selama proses transfer gelembung atau basah yang biasa, mengakibatkan kerutan tajam yang meningkatkan kekasaran permukaan dan menurunkan performa perangkat [13–17]. Studi sebelumnya difokuskan pada pengurangan kepadatan cacat selama pertumbuhan dan transfer, tetapi masalah spesifik kerutan yang timbul dari replikasi batas kristal masih mendapat perhatian yang terbatas.
Untuk mengatasi hal ini, kami menggunakan transfer gelembung cepat yang menghilangkan kontaminan sisa dan memungkinkan kami untuk meneliti morfologi grafena transfer pertama. Kami mengamati tinggi kerutan mencapai ratusan nanometer, yang dapat menyebabkan kortir pendek dalam FOLED. Oleh karena itu, kami memperkenalkan langkah transfer sekunder yang menggunakan dua lem dengan properti adhesi yang berbeda—PET dilapis dengan lepaskan panas (HRA/PET) sebagai dukungan awal dan polimer NOA63 dengan adhesi tinggi sebagai dukungan akhir—untuk secara efektif meredami topologi permukaan dari puncak menjadi lembah tanpa merusak film.
Gambaran umum sintesis grafena dan proses transfer sekunder. a Pertumbuhan grafena pada foil Cu menggunakan CH₄. b Transfer gelembung pertama ke PET/HRA. c–d Transfer sekunder ke NOA63, mencapai permukaan yang datar.
Metode Eksperimental
Foil tembaga (25 µm) dipanaskan pra pada 1040 °C selama 30 menit, diikuti oleh langkah pertumbuhan 30 menit dengan 15 sccm H₂ dan 60 sccm CH₄ pada 1040 °C. Pendinginan cepat ke suhu ruang menyelesaikan proses CVD. Untuk transfer pertama, elektrolit NaOH 2 mol/L digunakan, dan tumpukan grafena/Cu dibubbalkan secara elektrokimia ke atas PET/HRA. Transfer sekunder melibatkan spin-coating 300 µL NOA63 pada tumpukan grafena/HRA/PET (300 rpm selama 15 detik, kemudian 600 rpm selama 15 detik), diikuti oleh pemijahan UV (350–380 nm, 4 menit). Selama pemijahan, adhesi HRA menurun tajam, yang memungkinkan NOA63 menempel kuat pada grafena dan menyelesaikan transfer.
Hasil dan Diskusi
Mikroskopi optik dan AFM mengonfirmasi bahwa retakan batas kristal tembaga (50–200 µm) direplikasi dengan setia sebagai kerutan tajam pada grafena transfer pertama, dengan tinggi hingga ~300 nm. Spektra Raman grafena yang ditransfer pada SiO₂/Si menunjukkan rasio intensitas G′/G sebesar 1,75 ± 0,015 dan rasio ID/IG sekitar 0,065, yang menunjukkan grafena lapis tunggal berkualitas tinggi [29,30].
Peta AFM tiga dimensi grafena pada foil Cu dan HRA/PET, dan spektrum Raman grafena yang ditransfer.
Setelah transfer sekunder ke NOA63, kerutan tajam sebelumnya efektif ditampilkan, seperti yang ditunjukkan oleh AFM (Gambar 3b). Pengukuran resistensi lap (Van der Pauw, probe empat titik) pada area 20 mm × 20 mm menunjukkan perubahan yang dapat diabaikan: baik film HRA/PET maupun NOA63 menunjukkan resistensi lap rata-rata ~360 Ω/sq, dengan distribusi sempit (fit Gaussian). Spektra transmisi menunjukkan bahwa NOA63 (90,8 % pada 550 nm) mengungguli PET/HRA (88,1 %) sambil mempertahankan transparansi tinggi grafena (96,6 %).
Peta AFM dan optik grafena pada HRA/PET (a) dan NOA63 (b); profil tinggi penampang (c).
Histogram resistensi lap (a) dan spektrum transmisi rentang terlihat (b) untuk grafena yang didukung HRA/PET dan NOA63.
Untuk mengevaluasi dampak pada performa perangkat, kami memabrikan FOLED dengan tumpukan berikut: 10 nm Hat-CN (injeksi lubang), 40 nm TAPC (transportasi lubang), 30 nm CBP doted dengan 10 % PO-01 (emisi), 30 nm TPBI (transportasi elektron), 1 nm Liq dan 100 nm Al (katoda). Lapisan PEDOT:PSS 50 nm (3 wt.% DMSO) disisipkan antara grafena dan Hat-CN untuk meratakan permukaan dan menurunkan hambatan fungsi kerja. Pengukuran sonde Kelvin memberikan fungsi kerja grafena sebesar 4,8 eV, yang cocok dengan HOMO PEDOT:PSS dan LUMO Hat-CN.
Arsitektur perangkat (a), penyelarasan level energi (b), dan kurva J-V-L, CE-V untuk D1 (SLG/HRA/PET), D2 (SLG/NOA63), dan D3 (PEDOT:PSS/SLG/NOA63) (c–d). Foto perangkat D3 berukuran 4 mm × 4,5 mm × 6 mm (e).
Perangkat D1, yang didasarkan pada grafena transfer pertama, menampilkan penurunan yang jelas dalam luminansi dan kepadatan arus di atas 13 V karena kortir pendek lokal dari kerutan tajam. Sebaliknya, D2 (transfer sekunder) mempertahankan peningkatan konstan dalam kecerahan, mencapai ~15 000 cd/m² pada 14,5 V, mengonfirmasi efektivitas penghapusan kerutan. Memperkenalkan PEDOT:PSS (D3) lebih meningkatkan performa: luminansi mencapai 35 000 cd/m² dan efisiensi arus mencapai puncak 16,19 cd/A, melebihi D2 sebesar 10,74 cd/A. Hasil ini menunjukkan bahwa proses transfer sekunder mempertahankan properti listrik sambil secara dramatis meningkatkan stabilitas dan efisiensi perangkat.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan bahwa retakan batas kristal foil tembaga menghasilkan kerutan tajam pada grafena yang ditumbuhi CVD yang mengakibatkan performa FOLED. Metode transfer sekunder menggunakan lepaskan panas diikuti oleh polimer dengan adhesi tinggi efektif meratakan kerutan ini dengan dampak yang dapat diabaikan pada resistensi lap atau transparansi. Perangkat yang menggunakan konfigurasi PEDOT:PSS/SLG/NOA63 mencapai luminansi 35 000 cd/m² dan efisiensi arus 16,19 cd/A, mendirikan teknik ini sebagai jalur skalabel untuk pembuatan roll-to-roll elektroda grafena berkualitas tinggi untuk optoelektronik fleksibel.
