金纳米颗粒增强PF-NR2阴极界面电子传输提升倒置聚合物LED性能

摘要

为拓展有机发光二极管（OLED）的商业应用，溶液加工倒置聚合物发光二极管（iPLED）正成为极具潜力的平台。然而，阴极界面层——特别是PF-NR2——的电子传输效率仍是瓶颈。本研究将20 nm金纳米颗粒（Au NPs）以优化比例掺入PF-NR2层。导电原子力显微镜（c-AFM）显示电子电导率大幅提升，归因于Au NPs优异的金属导电性。掺杂Au NPs的PF-NR2器件亮度提升94%（从17 k cd m⁻²增至33 k cd m⁻²），发光效率提升101%（从9.4 cd A⁻¹增至18.9 cd A⁻¹）。该成果为高效iPLED提供了实用、可扩展的性能增强策略。

引言

二十余年来，OLED因其柔性、轻量化及低成本制造备受关注。溶液加工提供了低成本、可规模化生产的途径，但iPLED商业化仍受限于亚优化的载流子传输层。阴极界面，特别是PF-NR2聚合物，对平衡电子与空穴注入至关重要。前期研究表明PF-NR2侧链修饰可增强电子注入，但聚合物本征电子迁移率仍有限。金属纳米颗粒——尤其是金——具有卓越的电导率和等离子体特性，可用于改善有机层中的电荷传输。本研究探讨将20 nm Au NPs掺入PF-NR2界面层，评估其对电子传输和器件性能的影响。

材料与方法

材料

PF-NR2通过Pd催化的Stille偶联合成：2,7-二溴-9,9-双(3-(N,N-二甲氨基)丙基)芴与2,7-双(4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧硼烷-2-基)-9,9-二辛基芴在甲苯/Na₂CO₃中于氩气下回流。产物经甲醇沉淀、过滤、丙酮洗涤去除低聚物，得0.28 g（分离收率77%）。P-PPV、ITO玻璃、PEDOT:PSS购自商业供应商。金纳米颗粒（20 nm）采用Frens柠檬酸还原法制备。

氧化锌（ZnO）前驱体制备

醋酸锌二水合物（1 g）与乙醇胺（0.28 g）溶于2-甲氧基乙醇（10 mL），搅拌12 h制得ZnO前驱体溶液。

Au NPs合成

HAuCl₄（0.25 mM）剧烈搅拌沸腾，加入1 mL 5%三钠柠檬酸，反应15 min至酒红色出现，即得20 nm Au NPs。

iPLED器件制备

ZnO前驱体在ITO上以4000 rpm旋涂，200 °C退火1 h得~30 nm膜。PF-NR2中间层（2 mg mL⁻¹甲醇+10 µL mL⁻¹乙酸）2000 rpm旋涂得~5 nm。P-PPV（6 mg mL⁻¹）1400 rpm旋涂得~80 nm。抽真空至3×10⁻⁴ Pa后，热蒸发10 nm MoO₃和120 nm Al，像素面积16 mm²。除ZnO沉积外，所有步骤在氮气手套箱（<10 ppm O₂/H₂O）中进行。

器件与薄膜表征

导电原子力显微镜

c-AFM使用3 N m⁻¹ Pt/Ir包覆硅悬臂，设定点1 V，电流放大10⁷ V A⁻¹。I-V-B曲线在手套箱中用Keithley 236 SMU和校准Si光电二极管测量。另记录UV-Vis光谱（Shimadzu UV-3600）、膜厚（Dektak 150）及AFM（Seiko SPA 400）。