《AFM》：MXene首次应用于聚合物发光二极管(PLED)

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具有自发光显示特性的显示器具有广泛的应用前景，例如苹果手机使用的OLED（有机发光二极管）显示屏，LG电视使用的QLED（量子点发光二极管）显示屏，目前已经开始商用。与传统的LCD显示方式不同，此类显示技术无需背光灯，采用非常薄的有机，量子点或者聚合物材料涂层和玻璃基板。当有电流通过时，这些材料可自发光，因而此种材料可以做到更轻更薄，更大的可视角度，并可显著地节省耗电量。

MXene是一种具有高导电性和光学透明性的二维过渡金属碳化物和氮化物材料，其外形类似片片相叠的薯片。目前该类材料已经在多个领域，如能源，催化，医药等相继应用，并引发了全世界的关注。然而此种材料是否可应用于发光二极管领域仍未有相关探索。

近日，韩国延世大学的Cheolmin Park教授及韩国科学技术学院的Chongmin Koo教授在《AFM》上首次报道了利用MXene材料作为PLED（聚合物发光二极管）。在1kHz的交流电频率下，此PLED的开启电压，电流效率和亮度分别可达2.1 V, 7 cd A−1 ,和 12547 cd m−2。此种可溶液处理的MXene材料可以简易地在聚合物衬底上制备，相比于传统材料如碳纳米管，还原氧化石墨烯等具有更好的性能。

图1. MXene薄膜电极在玻璃基板上的表征及性能。

文章简介

如图1所示，源于APTES和MXene薄片的微小基团间具有很强的静电相互作用。末端为胺基的APTES非常利于在玻璃或聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）上形成一层薄且致密的MXene层。扫描电镜SEM和原子力扫描图AFM显示此MXene薄膜的表面粗糙度及膜厚分别可达2.725和17.5nm，同时膜厚较易控制在30~10nm。PLED是通过光刻技术，在透明的MXene底部电极上制备了一种新型的褶皱，其主要包括依次叠加的空穴传输层，超级黄光发射层，以及顶部电极。当直流电压加在MXene电极上，装置会在瞬间变得不稳定。然而，有趣的是，当实验在交流电情况下，可以取得良好的效果。从图2的结果可以看出，在1khz频率下，随着其施压交流电压的增加，PLED的亮度也随之增加，同时在偏置电压为 35 Vrms下，其最大亮度可达12 500 cd m−2。

图2.器件架构及其电场发光特性

图3. 交流电及直流电下MXene PLED的运行机制。

作者猜测，MXene可作为高性能PLED材料主要有以下两个原因。（图3）一方面，通过交流场的频繁极化反转，可以显著减少由大量2D薄片组成的MXene电极在缺陷状态下积累的注入电荷量。注入的载流子被困在Ti3C2薄片的表面末端和金属空位中，充当空间电荷，可阻碍了载流子的后续注入。通过施加交流偏压，可以在反向偏置电压时有效地将捕获的载流子从缺陷中提取出来，而在随后对空穴传输层施加正向电压时，使得产生的载流子易于注入。另一方面，在交流运行时，由大量片状触点和缺陷区的累积电荷的电阻所产生的热量可被明显抑制。由于操作时间和电压的延长，继而导致设备在常规直流电操作下容易频繁出现故障，不能有效散热。

进一步的频率依赖性及电容测试证实了相关论点，当频率过高时，瞬态反转时间过短，缺陷中的捕获电荷无法被捕获，随后的电荷注入也会受到了相关限制，从而会降低相关亮度。其电容在频率约为 10 kHz，1V的交流电压下，也会发生突然的电容下降。两类数据互相证实了相关结果。实时温度检测显示，在35 V的直流模式下，在1min内其便可以上升到约145℃，而在交流运行时，设备运行温度始终可以保持在50℃，这表明在交流的电压下，其可以有效的进行散热。在高驱动电压下，其散热依然有效，而在交流电运行的情况下，其光强度性能是逐渐下降的，而在直流运行的情况下，其器件性能也会显著降低。

图4. MXene PLED的机械柔性测试。
在机械弯曲及折叠的条件下，PLED的导电性能也是非常重要的参数。如图4所示，相比于ITO电极，MXene材料具有良好的抗弯曲能力，在弯曲半径为7.5 mm时，仍然可以保持较低的初始电阻，且与ITO相比，其在循环1000次后，电阻也未有明显增大。在PET上制备的柔性MXene具有优异的交流频率依赖发光性。即使在极大弯曲度的情况下，此设备也只有发光亮度的些许降低（保持90%）。
总结
作为一种可溶液处理的，大面积，灵活且透明的基于MXene材料的PLED，其表现出前所未有的高性能。在最优的交流条件下，基于MXene材料的PLED的开关电压，电流效率及亮度分别可达2.1V，7cd A-1和12547cd m-2。在交流电的状态下，由2D MXene薄片均匀组装的基质是确保高发光性能的关键。MXene材料在PLED上的优异性能，优于目前已经报道的碳纳米管，还原氧化石墨烯和Ag纳米线等，使其非常有望成为下一代柔性且透明的显示屏材料。
文章来源：材料科学前沿
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