顏色可調(diào)的石墨烯基薄膜電致發(fā)光器件及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及顏色可調(diào)的石墨烯基薄膜電致發(fā)光器件及其制備方法，屬于電致發(fā)光器件【技術(shù)領(lǐng)域】，該器件包括一發(fā)光元件，一襯底結(jié)構(gòu)，一第一電極、一第二電極、第三電極，以及信號輸入裝置；所述發(fā)光的兩端分別與所述第一電極和第二電極建立電學(xué)連接，并通過第一電極和第二電極固定；所述發(fā)光元件，所述第一電極，第二電極和第三電極設(shè)置在襯底結(jié)構(gòu)上，對這些元件起支撐和保護(hù)作用；所述信號輸入裝置包括分別與第二電極和第三電極相連的柵極控制信號，用以調(diào)制發(fā)光元件的顏色；還包括分別與第一電極和第二電極相連的源漏輸入信號，用以控制發(fā)光的亮度。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)光波長從300nm至1000nm區(qū)間連續(xù)可調(diào)。可廣泛應(yīng)用在各種電子顯示領(lǐng)域。
【專利說明】顏色可調(diào)的石墨烯基薄膜電致發(fā)光器件及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電致發(fā)光器件【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種采用石墨烯基薄膜作為發(fā)光 層，并通過靜電電場來調(diào)制發(fā)光的顏色。

【背景技術(shù)】
[0002] 電致發(fā)光器件是一種能夠發(fā)光的半導(dǎo)體電子器件。其核心元件是發(fā)光元件 (Light-Emitting Device，簡稱LED)，現(xiàn)有技術(shù)發(fā)光元件一般分為無機(jī)發(fā)光LED和有機(jī)發(fā) 光 LED。
[0003] 無機(jī)發(fā)光LED主要采用III-V族化合物半導(dǎo)體材料作為發(fā)光層，如磷砷化鎵薄膜 發(fā)紅光，磷化鎵薄膜發(fā)綠光，碳化硅薄膜發(fā)黃光，銦鎵氮薄膜發(fā)藍(lán)光。無機(jī)LED工作原理主 要由通過注入電子空穴對，在PN結(jié)處復(fù)合發(fā)光。
[0004] 有機(jī)LED主要采用由大分子或小分子夠成的有機(jī)發(fā)光材料作為發(fā)光層。有機(jī)LED 工作原理主要是通過注入陰極和陽極分別注入電子和空穴，通過電場注入到發(fā)光層中使得 電子空穴復(fù)合，形成激子，激子再以光或熱的形式發(fā)出能量進(jìn)而回到基態(tài)。
[0005] LED的發(fā)光波長可調(diào)是一項(xiàng)核心技術(shù)，通過混合可調(diào)的顏色能夠?qū)崿F(xiàn)混合白光，這 對于LED技術(shù)來說非常重要。然而對于有機(jī)LED和無機(jī)LED而言，一旦器件制備完成，這些 傳統(tǒng)的單個LED的發(fā)光顏色和波長就固定無法改變了。目前人們通過組合紅色，綠色，藍(lán)色 三種發(fā)光二極管或者通過濾光片來實(shí)現(xiàn)顏色的調(diào)控，然而無法從原理上實(shí)現(xiàn)真正意義上的 光波長可調(diào)的LED，這極大制約了 LED實(shí)用性。
[0006] 有研究通過電壓偏置來實(shí)現(xiàn)LED的顏色可調(diào)，但可調(diào)的光波范圍都小于100nm，目 前缺乏可以大范圍調(diào)制光波長的元件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明基于以上分析，提出一種發(fā)光顏色可調(diào)的石墨烯基薄膜電致發(fā)光器件及制 備方法，該器件基于新原理，的能夠面向?qū)嶋H的光學(xué)照明應(yīng)用，實(shí)用性強(qiáng)。
[0008] 本發(fā)明提出的一種發(fā)光顏色可調(diào)的石墨烯基薄膜電致發(fā)光器件，其特征在于，該 器件包括一發(fā)光兀件，一襯底結(jié)構(gòu)，一第一電極、一第二電極、第三電極，以及信號輸入裝 置；所述發(fā)光的兩端分別與所述第一電極和第二電極建立電學(xué)連接，并通過第一電極和第 二電極固定；所述發(fā)光元件，所述第一電極，第二電極和第三電極設(shè)置在襯底結(jié)構(gòu)上，對這 些元件起支撐和保護(hù)作用；所述信號輸入裝置包括分別與第二電極和第三電極相連的柵極 控制信號，用以調(diào)制發(fā)光元件的顏色；還包括分別與第一電極和第二電極相連的源漏輸入 信號，用以控制發(fā)光的亮度。
[0009] 所述發(fā)光元件包括至少一石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0010] 所述發(fā)光元件包括至少一石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，還包括 在石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜之間的石墨烯量子點(diǎn)層。
[0011] 所述第三電極通過一絕緣層同發(fā)光元件電學(xué)隔離，通過柵極控制信號的強(qiáng)弱使發(fā) 光元件受靜電電場調(diào)控載流子摻雜濃度，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)光元件通過電學(xué)調(diào)控發(fā)光波長。
[0012] 所述電學(xué)調(diào)控發(fā)光波長為從300nm至lOOOnm區(qū)間的連續(xù)可調(diào)。
[0013] 本發(fā)明還提出一種制備如權(quán)利要求1所述發(fā)光元件的方法，其特征在于，所述制 備源材料中包括至少一氧化石墨烯溶液，所述加工設(shè)置包括至少一激光光源，該方法包括 以下步驟：
[0014] 1)將氧化石墨烯溶液涂覆到柔性基底上，從而使得整體具有柔性；
[0015] 2)采用激光對氧化石墨烯表面進(jìn)行加熱還原：
[0016] 通過控制激光加熱時間，使得石墨烯氧化薄膜受熱表面一薄層還原為石墨烯，從 而形成石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)，即構(gòu)成發(fā)光顯示器件的核心功能發(fā)光元 件。
[0017] 所述步驟2)中還包括通過控制激光加熱時間，使得還原的石墨烯薄層下形成石 墨烯量子點(diǎn)層。
[0018] 所述步驟2)中還包括通過計(jì)算機(jī)程序控制激光加熱的路徑，設(shè)定被還原的氧化 石墨烯薄膜的圖案。
[0019] 本發(fā)明的原理：當(dāng)一激勵信號輸入至石墨烯基復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)中，使石墨烯/氧化 石墨烯界面層產(chǎn)生強(qiáng)電場，空穴在強(qiáng)電場中沖擊離化電子，電子空穴對在石墨烯量子點(diǎn)中 復(fù)合發(fā)光。發(fā)光的顏色通過另一個輸入電信號進(jìn)行靜電電場耦合，調(diào)制石墨烯費(fèi)米能級導(dǎo) 致電子空穴復(fù)合的能量發(fā)生改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)制界面層輻射光波長并且光波長范圍可覆蓋 整個可見光波段。由于石墨烯的態(tài)密度可以通過電場明顯調(diào)制，故該發(fā)光顯示單元具有發(fā) 光顏色在大范圍波長可調(diào)的特點(diǎn)。這種石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)的發(fā)光顯示 單元可以實(shí)現(xiàn)在很寬的波長范圍內(nèi)發(fā)光，同時實(shí)現(xiàn)很高的發(fā)光強(qiáng)度。
[0020] 本發(fā)明通過發(fā)光元件受靜電電場大小的控制實(shí)現(xiàn)了發(fā)光波長從300nm至lOOOnm 區(qū)間連續(xù)可調(diào)。還可通過環(huán)境濕度及真空度，同樣可以調(diào)控石墨烯電致發(fā)光器件的發(fā)光顏 色，在干燥空氣中發(fā)綠光，在真空中環(huán)境中發(fā)藍(lán)光，在潮濕空氣中發(fā)紅光。
[0021] 本發(fā)光元件的核心發(fā)光層由全石墨烯材料構(gòu)成，屬于全新的材料體系。
[0022] 本發(fā)明具有的良好效果：
[0023] 本發(fā)明突破了傳統(tǒng)發(fā)光元件無法實(shí)時顏色可調(diào)的技術(shù)瓶頸，由于石墨烯具備很高 的機(jī)械強(qiáng)度，這種發(fā)光單元器件具有好的柔性。同時這種碳基材料制備簡便，成本低，耗時 短，避免了傳統(tǒng)復(fù)雜、成本高昂的制備過程。
[0024] 可以快速制備大面積、定區(qū)域的石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)，在電致 發(fā)光元件領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值，所述顯示元件能夠廣泛應(yīng)用在手機(jī)、MP3、MP4、電視、電腦 等電子顯示領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明的發(fā)光顏色可調(diào)的石墨烯基薄膜電致發(fā)光器件實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖2是本實(shí)施例的石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)光顯示元件。
[0028] 請參閱圖1，本發(fā)明第一實(shí)施例設(shè)計(jì)了一種發(fā)光顏色可調(diào)的石墨烯基薄膜電致發(fā) 光器件10,該器件10包括一發(fā)光兀件12, 一襯底結(jié)構(gòu)14, 一第一電極16、一第二電極18、第 三電極20,以及信號輸入裝置；所述發(fā)光元件12的兩端分別與所述第一電極16和第二電 極18建立電學(xué)連接，并通過所述的第一電極16和第二電極18固定；所述發(fā)光元件12,所 述第一電極16,第二電極18和第三電極20設(shè)置在襯底結(jié)構(gòu)14上，對這些元件起支撐和保 護(hù)作用。所述信號輸入裝置包括分別與第二電極和第三電極相連的柵極控制信號22,用以 調(diào)制發(fā)光元件的顏色；還包括分別與第一電極和第二電極相連的源漏輸入信號24,用以控 制發(fā)光的亮度。
[0029] 所述發(fā)光元件12包括至少一石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合薄 膜的厚度約為10微米，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用確定。該復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用于發(fā)光元件時，通過 源漏輸入信號24輸入的電流越大，其發(fā)光強(qiáng)度越高。由于該石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)由石墨烯薄膜 組成，因而石墨烯薄膜具有很高的韌性和機(jī)械強(qiáng)度。
[0030] 請參閱圖1，所述第一電極16和第二電極18通過外接導(dǎo)線將信號輸入裝置（直 流偏置電壓）的信號傳輸?shù)剿霭l(fā)光兀件12中。該第一電極16和第二電極18由導(dǎo)電材 料形成，其具體材料類型和形狀結(jié)構(gòu)不限。具體地，該第一電極16和第二電極18的材料可 以選擇為金屬、導(dǎo)電膠、金屬氧化物等。該第一電極16和第二電極18的形狀可以選擇為層 狀、棒狀、塊狀、或其他形狀中的一種。本實(shí)施例中，該第一電極16和第二電極18為層狀導(dǎo) 電膠電極。
[0031] 請參閱圖1，所述第三電極通過信號輸入裝置（外加電場）輸入的柵極控制信號 22,進(jìn)而使發(fā)光元件發(fā)出光的顏色。由于第三電極通過一絕緣層同發(fā)光元件12電學(xué)隔離， 通過柵極控制信號22的強(qiáng)弱使發(fā)光元件12受靜電電場調(diào)控載流子摻雜濃度，從而實(shí)現(xiàn)發(fā) 光元件12的電學(xué)可調(diào)，發(fā)光波長從300nm至lOOOnm區(qū)間連續(xù)可調(diào)。
[0032] 所述襯底結(jié)構(gòu)14主要起到支撐和保護(hù)的作用，其具體形狀不限，任何具有確定形 狀的物體，如一墻壁、桌面、衣服和屏幕等，均可作為本發(fā)明第一實(shí)施例中的襯底結(jié)構(gòu)14。具 體地，所述支撐結(jié)構(gòu)14可以為一平面結(jié)構(gòu)或一曲面結(jié)構(gòu)，并具有一表面。此時，該發(fā)光元件 12直接設(shè)置并貼合于該襯底結(jié)構(gòu)14的表面。有由于該發(fā)光元件12整體通過襯底結(jié)構(gòu)14 支撐，因此該發(fā)光元件12可以承受強(qiáng)度較強(qiáng)的信號輸入，從而具有較高的發(fā)光強(qiáng)度。
[0033] 該復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)如圖2所示，32為石墨烯薄膜，34為石墨烯量子點(diǎn)層，36為氧化石 墨烯薄膜，此復(fù)合結(jié)構(gòu)為發(fā)光顯示器件的核心功能層。
[0034] 本發(fā)明給石墨烯/氧化石墨烯雙層薄膜通過大于1毫安電流即可觀察到發(fā)光現(xiàn) 象。通過改變電流的大小，或環(huán)境濕度及真空度，可以調(diào)控石墨烯電致發(fā)光器件的發(fā)光顏 色。
[0035] 本發(fā)明還提出一種制備所述發(fā)光元件的方法實(shí)施例，所述制備源材料中包括至 少一氧化石墨烯溶液和柔性基底，所述加工設(shè)置包括至少一激光光源，該方法包括以下步 驟：
[0036] 1)將氧化石墨烯溶液涂覆到柔性基底上，從而使得整體具有柔性；
[0037] 2)采用激光對氧化石墨烯表面進(jìn)行加熱還原：
[0038] 通過控制激光加熱時間，使得石墨烯氧化薄膜受熱表面一薄層還原為石墨烯，從 而形成石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)，即可構(gòu)成發(fā)光顯示器件的核心功能元件。
[0039] 所述步驟2)中還包括通過控制激光加熱時間，使得還原的石墨烯薄層下形成石 墨烯量子點(diǎn)層，激光加熱時間為25分鐘，制備出的復(fù)合薄膜厚度約為10微米
[0040] 所述步驟2)中還包括通過計(jì)算機(jī)程序控制激光加熱的路徑，還可設(shè)定被還原的 氧化石墨烯薄膜的圖案。
[0041] 本實(shí)施例中當(dāng)柵極控制信號22電壓為0V的時候，發(fā)光元件12發(fā)射光波長約為 550-750nm的紅光，當(dāng)柵極控制信號22電壓為30V的時候，發(fā)光元件12發(fā)射光波長約為 500-600nm的綠光，當(dāng)柵極控制信號22電壓為60V的時候，發(fā)光元件12發(fā)射光波長約為 450-550nm 的藍(lán)光。
【權(quán)利要求】
1. 一種發(fā)光顏色可調(diào)的石墨烯基薄膜電致發(fā)光器件，其特征在于，該器件包括一發(fā)光 兀件，一襯底結(jié)構(gòu)，一第一電極、一第二電極、第三電極，以及信號輸入裝置；所述發(fā)光的兩 端分別與所述第一電極和第二電極建立電學(xué)連接，并通過第一電極和第二電極固定；所述 發(fā)光元件，所述第一電極，第二電極和第三電極設(shè)置在襯底結(jié)構(gòu)上，對這些元件起支撐和保 護(hù)作用；所述信號輸入裝置包括分別與第二電極和第三電極相連的柵極控制信號，用以調(diào) 制發(fā)光元件的顏色；還包括分別與第一電極和第二電極相連的源漏輸入信號，用以控制發(fā) 光的亮度。
2. 如權(quán)利要求1所述器件，其特征在于，所述發(fā)光元件包括至少一石墨烯薄膜及氧化 石墨烯薄膜構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
3. 如權(quán)利要求1所述器件，其特征在于，所述發(fā)光元件包括至少一石墨烯薄膜及氧化 石墨烯薄膜構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，還包括在石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜之間的石墨烯量子點(diǎn) 層。
4. 如權(quán)利要求1所述器件，其特征在于，所述第三電極通過一絕緣層同發(fā)光元件電學(xué) 隔離，通過柵極控制信號的強(qiáng)弱使發(fā)光元件受靜電電場調(diào)控載流子摻雜濃度，從而實(shí)現(xiàn)發(fā) 光元件通過電學(xué)調(diào)控發(fā)光波長。
5. 如權(quán)利要求4所述器件，其特征在于，所述電學(xué)調(diào)控發(fā)光波長為從300nm至lOOOnm 區(qū)間的連續(xù)可調(diào)。
6. -種制備如權(quán)利要求1所述發(fā)光元件的方法，其特征在于，所述制備源材料中包括 至少一氧化石墨烯溶液，所述加工設(shè)置包括至少一激光光源，該方法包括以下步驟： 1) 將氧化石墨烯溶液涂覆到柔性基底上，從而使得整體具有柔性； 2) 采用激光對氧化石墨烯表面進(jìn)行加熱還原： 通過控制激光加熱時間，使得石墨烯氧化薄膜受熱表面一薄層還原為石墨烯，從而形 成石墨烯薄膜及氧化石墨烯薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)，即構(gòu)成發(fā)光顯示器件的核心功能發(fā)光元件。
7. 如權(quán)利要求6所述方法，所述步驟2)中還包括通過控制激光加熱時間，使得還原的 石墨烯薄層下形成石墨烯量子點(diǎn)層。
8. 如權(quán)利要求6所述方法，所述步驟2)中還包括通過計(jì)算機(jī)程序控制激光加熱的路 徑，設(shè)定被還原的氧化石墨烯薄膜的圖案。
【文檔編號】H01L51/56GK104124348SQ201410317679
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】任天令, 田禾, 王肖沐, 楊軼 申請人:清華大學(xué)