取代地球 9 大瀕危元素銦,首成功展示石墨烯用於觸控螢幕的製造方法

作者 | 發布日期 2022 年 01 月 09 日 16:58 | 分類 尖端科技 , 材料 , 零組件 Telegram share ! follow us in feedly


銦是地殼中最稀有的 9 種元素之一,也被歐盟列為戰略材料,卻廣泛應用於手機、電腦觸控螢幕中。現在 Paragraf 公司與倫敦大學瑪麗王后學院團隊成功製造出單層石墨烯陽極,可用來取代有機發光二極體(OLED)中的氧化銦錫,打開電子產品更低成本大門。

除了觸控螢幕,多數家庭用物品都含有銦,比如平板電視、太陽能電池板、LED 燈等,主要以氧化銦錫(ITO)形式出現,這種材料既重要但稀缺,被美國化學學會列為 9 種瀕危元素之一,因此科學家曾多次嘗試以它物替代 ITO,包括奈米碳管、金屬奈米線、金屬網格、導電聚合物、石墨烯等,但都未發現可在電子或光學設備中具相當性能的材料。

然而,因驚人特性而被譽為神奇材料的石墨烯再度帶來好消息。倫敦大學瑪麗王后學院團隊近日表示,他們帶來全世界第一篇證明石墨烯可以在電子/光學設備中取代 ITO 的論文。

石墨烯是一種由單層碳原子組成六角型蜂巢晶格的平面薄膜,與銦不同,碳在地球上含量非常豐富,但具有極薄、牢固堅硬、高導熱性、高電子遷移率、低電阻率等一流材料的特性,自問世以來便吸引大量研究熱潮,然而舉凡 IBM、英特爾、三星等世界大廠,至今也未能實現將大面積石墨烯用於電子設備中。過去,石墨烯應用於 OLED 的主要挑戰包括:

  1. 高薄層電阻:會增加器件功耗
  2. 低功函數(low work function):增加覆蓋有機層的電洞之能量障壁。
  3. 難以大面積生產:這是商業化的一大關卡。

多數對石墨烯陽極 OLED 的研究是利用化學氣相沉積(CVD)法在金屬催化劑(銅或鎳箔)上合成,但成果往往降低了石墨烯導電性,想提高導電性通常會在石墨烯和電洞傳輸層之間引入緩衝層,這又增加了設計複雜性,難以找到平衡點。

現在,Paragraf 與倫敦大學瑪麗王后學院團隊報告已開發一種新方法,只要利用當前的有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD),就可無需使用金屬催化劑生產出基於大面積石墨烯的有機發光二極體,其中一道關鍵步驟為沉積之前,先摻雜硝酸(HNO3)使石墨烯陽極形成 450 ± 47 Ω sq –1的薄層電阻、增強其導電性,從而使石墨烯-OLED 具有與 ITO-OLED 相當的性能。

該研究打破了過往一直無法將大面積石墨烯用於商業電子設備的僵局,為替代 ITO 打開新大門,並可能帶來石墨烯光電應用的新道路。

新論文發表在《Advanced Optical Materials》期刊,更多實驗數據內容可點選前方連結查看。

(首圖來源:pixabay