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近日，東莞理工學院徐進副研究員團隊與華南理工大學應磊教授團隊合作，在npj Flexible Electronics（Nature子刊）發表了題為“Highly Conductive Polymer Electrodes for Polymer Light-Emitting Diodes”的論文，該論文介紹了一種以柔性高導電聚合物電極替代傳統剛性ITO電極制備高效穩定有機發光二極管的方法。

柔性聚合物電極取代剛性金屬氧化物電極

目前，大多數OLED器件采用氧化銦錫（ITO）作為透明電極。盡管ITO能夠實現柔性化，但由于金屬氧化物易碎，難以實現拉伸變形。然而，在下一代可貼合人體皮膚的發光顯示器件中，柔軟和可拉伸特性是必要的。顯然，脆弱的ITO無法滿足可拉伸特性的要求，這限制了其在未來柔性可拉伸發光顯示器件中的應用?？衫祀姌O材料的顯著特征在于同時具備高電導率和可拉伸性。傳統金屬或金屬氧化物電極僅具有高電導率特性，難以滿足未來發展需求。目前制備柔性可拉伸電極的常見方法是將高導電性材料如銀納米線、碳納米管和石墨烯等嵌入柔性襯底中，以賦予其可拉伸特性。然而，這種有機-無機或有機-金屬復合材料容易出現相容性問題和導電材料結合不穩定等挑戰，嚴重影響了電極的長期使用效果。

高導電聚合物電極具備優異的導電性能，并可通過化學結構設計或物理共混獲得可拉伸特性，因此成為解決上述難題的最佳方案。

分子間氫鍵調控降低溶液黏度與凝固點

聚苯并二呋喃二酮（PBFDO）是一種自摻雜的高導電聚合物。但商業化的PBFDO導電溶液以DMSO為溶劑，溶液粘度大，凝固點較高，旋涂制備的薄膜質量較差，無法直接用于導電電極的制備。

材料的化學結構以及相應的分子間氫鍵作用

為了解決PBFDO溶液旋涂過程中遇到的問題，我們向PBFDO導電溶液中加入了正丁醇，通過調節分子間的氫鍵相互作用來降低其粘度和凝固點。一方面，由于氫鍵本身具有方向性，將正丁醇加入到DMSO中，通過與之形成的分子間氫鍵，打亂了DMSO分子間的有序結晶排列，有效地降低了溶液的凝固點。正丁醇的引入將導電溶液的凝固點從-1 ℃大幅降至-27 ℃，這顯著提高了PBFDO導電溶液的抗冷凍能力。另一方面，正丁醇的引入減少了PBFDO分子間形成氫鍵的機會，從而降低了溶液的粘度并增強了穩定性。

PBFDO溶液的凝固點、黏度以及其薄膜的耐溶劑性和透光率

通過旋涂法成功制備了具有低表面粗糙度（2.06 nm）、優異透射率（>80%）和高導電性（1200 S cm-1）的PBFDO薄膜。此外，由于其適當的功函數（5.3 eV）、規則的分子堆積和低折射率特性，PBFDO電極有助于有效載流子注入、傳輸以及光子提取。

PBFDO薄膜形貌、功函數、電導率以及折射率

基于聚合物電極的器件優化

基于PBFDO電極，制備了器件結構為Glass/PBFDO/PEDOT: PSS/SY/CsF/Al的有機發光器件。我們觀察到基于不同厚度PBFDO陽極的器件展現出明顯的二極管注入特性，并呈現出電流密度隨著PBFDO薄膜厚度的增加而增加的現象，ITO參考器件也呈現出相似的現象。所有基于PBFDO陽極器件的啟亮電壓（Vth）均維持在2.6 V，表明載流子注入非常通暢，這可以歸結于PBFDO電極與PEDOT: PSS具有匹配的能級。此外，器件的最大電流效率（LEmax）與電極表面電阻率的關系并不顯著，但最大亮度卻隨著表面電阻率的提升而下降。基于PBFDO電極（25 nm）的優化器件，其LEmax達到了12.8 cd A-1，而相似表面電阻率的ITO參考器件，LEmax為12.7 cd A-1。這說明基于PBFDO陽極的優化器件可以與條件相似的ITO參考器件相媲美。然而，以PBFDO為陽極的器件因較高的表面電阻率而導致較低的最大亮度。此外，在使用聚對苯二甲酸乙二醇樹脂（PEN）基板時，柔性器件也實現了令人滿意的性能（7.7 cd A?1）。

基于不同厚度PBFDO電極的發光器件主要發光性能

研究團隊

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通訊作者及第一作者 徐進：東莞理工學院副研究員，粵港澳中子散射科學技術聯合實驗室團隊成員，華南理工大學/Umea University 聯合培養博士，研究興趣主要集中在有機發光材料及器件物理、可穿戴柔性傳感器等功能電子器件領域。

通訊作者 應磊：華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室教授。

（共同）第一作者 杜珂：東莞理工學院機械工程學院研究生。

論文信息

發布期刊 npj Flexible Electronics

發布時間 2024年6月24日

文章標題 Highly Conductive Polymer Electrodes for Polymer Light-Emitting Diodes

（https://doi.org/10.1038/s41528-024-00324-0）

研究團隊 | 作者

酥魚 | 編輯

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