透明柔性石墨烯复合材料电极

A Transparent, Flexible, Low-Temperature, and Solution-Processible Graphene Composite Electrode

柔性光电子器件,如有机发光二极管与太阳能电池,已经引起了越来越多研究者的关注。而其中用到的电极材料也需要具备柔性,轻便,低成本等特点,同时可以大批量地生产。

目前主导光电子器件的氧化铟锡(ITO)电极由于机械稳定性差,而且铟资源的日益缺少导致其成本的不断提高。所以急需寻求一些可替代的环保的电极材料。过去几十年研究者们尝试了大量的新型电极材料,比如纳米碳管、金属网格与金属纳米线网等。最近,由于其高导电性、透明性、可弯曲性、空气与高温稳定性,石墨烯作为一种新型的柔性电子学与电极材料得到广泛认同。

迄今为止制备石墨烯透明电极有两种方法:一种是把石墨烯氧化物溶液旋涂在基底上,然后在高温下还原;另一种是利用化学气相沉积法(CVD)的方法在金属镍或者铜表面催化生长石墨烯,然后再转移到不同的基底上。前一种方法很容易制成薄膜,但是需要1000℃高温,所以对很多基底都不合适,像玻璃与聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)分别在500℃与250℃左右就开始融化。后一种方法尽管不需要太高温度,却要使用复杂的CVD设备,同时还需要转移石墨烯膜的额外程序。因此开发一种低成本、高产出,同时不需高温处理、真空设备与膜转移步骤的方法来制备石墨烯透明柔性电极很有必要。

香港理工大学纺织制衣系郑子剑教授的研究组与陶晓明教授合作,发展了一种简便的制备高质量石墨烯复合电极(graphene composite electrode, GCE)的方法。他们首先制备磺酸化修饰的石墨烯氧化物,再进行原位水合肼还原,得到大量(克级)径向尺寸大于50微米、并具有良好水溶性的石墨烯片。将此石墨烯的溶液进一步用导电聚噻吩(poly(3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrenesulfonate,PEDOT: PSS)掺杂所得到的石墨烯复合溶液,能够很好地旋涂在玻璃或者PET的基底上。然后只需要在150℃下退火,便可以得到高导电率(80 Ω sq − 1)和高透光率(80%)的石墨烯复合材料透明电极。在1000次弯曲测试中,电极显示了极好的稳定性,导电性没有明显降低。使用该电极制备的有机发光二极管在发光效果上也比基于ITO电极的器件高出2倍。

H. Chang et al. Adv. Funct. Mater., DOI: 10.1002/adfm.201000900