近日，太原理工大學新材料界面科學與工程教育部重點實驗室苗艷勤、趙敏副教授團隊可控合成了片徑為1~2 um的Ti3C2Tx-MXene納米片，研究紫外-臭氧處理對Ti3C2Tx-MXene納米片薄膜功函數、導電性等光電性能和成膜性的影響，並將其取代PEDOT:PSS作為空穴注入層應用在機發光二極管（Organiclight-emittingdiodes，OLEDs）。採用Ti3C2Tx-MXene製備的藍、綠及紅色OLEDs均實現極高的器件性能，展現出巨大的應用潛力。本工作為溶液法製備OLED用高性能空穴注入材料的開發開闢了新的途徑，相關成果以標題「UV-ozonetreatedTi3C2Tx-MXenenanosheetsasholeinjectionlayerfororganiclight-emittingdiodes」發表在ChemicalEngineeringJournal(IF=16.744)。太原理工大學碩士研究生盧琦晴為本文第一作者，苗艷勤副教授為本文第一通訊作者，趙敏副教授為合作通訊作者。亮點一：通過使用鹽酸和氟化鋰刻蝕Ti3AlC2，結合超聲波輔助技術，成功合成了片徑為1~2 um MXene-Ti3C2Tx納米片 (圖1)。在此基礎上，通過溶液旋塗法將MXene-Ti3C2Tx納米片分散液塗布在ITO玻璃基底上，形成均勻薄膜，研究了紫外-臭氧處理對Ti3C2Tx-MXene納米片功函數的影響。研究發現，經10 min紫外-臭氧處理後，Ti3C2Tx-MXene納米片薄膜的功函數從4.04到5.14eV。紫外-臭氧處理的內在機理歸因於Ti3C2Tx-MXene納米片終端集團的氧化，XPS表徵很好地證明了這一結論(圖2)。適合的功函數為其作為空穴注入層應用在OLEDs中奠定了基礎。
圖1.(a)Ti3C2Tx-MXene納米片的合成路線示意圖；Ti3C2Tx-MXene納米片的TEM (b)、XRD (c) 和XPS (d)圖。
圖2.Ti3C2Tx-MXene納米片薄膜的UPS光譜，未經紫外-臭氧處理 (a)和經紫外-臭氧處理10 min (b)；Ti3C2Tx-MXene納米片薄膜Ti2p XPS光譜，無紫外-臭氧處理(c)和經10 min紫外-臭氧處理(d)。亮點二：紫外-臭氧處理的Ti3C2Tx-MXene納米片應用作空穴注入層，製備了綠色磷光OLED，啟亮電壓3.0V，最大外量子效率達到20.34%，優於PEDOT:PSS基參比器件，如圖3所示。統計16個器件的電流效率統計分布直方圖，可以發現其電流效率分在68~73cd/A，具有較好的重複性，如圖4a所示；且與PEDOT:PSS器件相比，24h以後，紫外-臭氧處理的Ti3C2Tx-MXene納米片器件展現出顯著更高的亮度（圖4b），證明了Ti3C2Tx-MXene納米片層器件高的穩定性。此外，採用Ti3C2Tx-MXene製備了藍色和紅色磷光器件的最大外量子效率分別達到22.07%和21.90%，均優於PEDOT:PSS基藍色（20.13%）和紅色（20.69%）磷光器件（圖5），進一步證明其作為空穴注入層的普遍適用性。
圖3. PEDOT:PSS和MXene-Ti3C2Tx基OLEDs器件結構 (a) 和能級水平(b)圖；(c)PEDOE:PSS和Ti3C2Tx-MXene納米片基OLEDs在5V電壓下的電致發光光譜圖；PEDOE:PSS和Ti3C2Tx-MXene納米片基OLEDs的電流密度-電壓-亮度曲線(d)、電流效率-亮度-外量子效率曲線 (e)和功率效率-亮度曲線 (f)圖。
圖4. (a)Ti3C2Tx-MXene納米片器件G3-1至G3-16的電流效率統計分布直方圖；(b)Ti3C2Tx-MXene納米片和PEDOT:PSS基的綠光器件亮度隨時間衰減曲線圖。
圖5.PEDOT:PSS和Ti3C2Tx-MXene納米片基藍色磷光OLEDs的電流密度-電壓-亮度 (a)、電流效率-亮度-外量子效率(b)和功率效率-亮度 (c) 曲線圖；PEDOT:PSS和Ti3C2Tx-MXene納米片基紅色磷光OLEDs的電流密度-電壓-亮度 (d)、電流效率-電壓-外量子效率 (e)和功率效率-亮度(f) 曲線圖。亮點三：通過透光率、單空穴器件及Ti3C2Tx-MXene納米片薄膜的原子力和掃描表徵分析，探索該材料具有優異空穴注入能力的機理。研究標明，除了適當的能級水平外，紫外臭氧處理的Ti3C2Tx-MXene納米片具有更好的透光率（高於PEDOT:PSS）有利於光的輸出；紫外臭氧處理後的Ti3C2Tx-MXene納米片表面粗糙度降低，薄膜更加均勻平整，這些都是實現Ti3C2Tx-MXene納米片器件實現高性能的原因。
圖6.(a)PEDOT:PSS和Ti3C2Tx-MXene納米片薄膜的透射率比較圖；(b)PEDOT:PSS和Ti3C2Tx-MXene納米片的單空穴器件的電流密度-電壓特性曲線圖；(c-d)對應單空穴器件的對數電流密度-電壓曲線圖。
圖7. PEDOT:PSS和Ti3C2Tx-MXene納米片的SEM圖像和2D (上)和3D (下)AFM圖像， (a、f)為PEDOT:PSS薄膜； (b、g)為未紫外臭氧處理的Ti3C2Tx-MXene納米片薄膜；(c、h)為紫外臭氧處理5分鐘的Ti3C2Tx-MXene納米片薄膜；(d、i)為紫外臭氧處理10分鐘的Ti3C2Tx-MXene納米片薄膜；(e、j)為紫外臭氧處理20分鐘的Ti3C2Tx-MXene納米片薄膜。
採用濕化學蝕刻劑和尖端超聲輔助液相剝離法，成功合成了橫向尺寸為1∼2μm的二維Ti3C2Tx-MXene納米片。經紫外-臭氧處理後，Ti3C2Tx-MXene納米片的功函數調整到5.14 eV。使用Ti3C2Tx-MXene納米片作為空穴注入層，製備了綠色、藍色和紅色OLEDs，對應器件外量子效率達到20.34%（綠色）、22.07%（藍色）和21.90%(紅色)，超過對應PEDOT:PSS參考器件。合適的功函數、高透射率、高載流子遷移率和良好的成膜性能是Ti3C2Tx-MXene基器件獲得高性能的關鍵原因。本工作證明了Ti3C2Tx-MXene納米片在OLEDs中的巨大應用潛力。更重要的是，溶液處理的Ti3C2Tx-MXene納米片也可以用於其他柔性電子器件，具有重要意義。原文鏈接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722039213
苗艷勤，太原理工大學新材料界面科學與工程教育部重點實驗室副教授/碩導，山西省「三晉英才」支持計劃青年優秀人才，山西省高等學校優秀青年學術帶頭人。2017年9月至2018年9月獲「王寬誠教育基金會2017至18中國內地訪問學人計劃項目」資助於香港浸會大學物理系訪學。近年來，一直從事有機/量子點/鈣鈦礦發光二極管及其物理的研究，發表SCI論文110餘篇，其中，以第一或通訊作者在Chemical Engineering Journal、Advanced Optical Materials、iScience、ACS Applied Materials &Interfaces、Nanophotonics、Nanoscale及Journal of Materials Chemistry C等期刊發表SCI論文60餘篇（包括2篇為ESI高被引論文和2篇文期刊封面論文），論文總被引用1600餘次；以第一完成人獲山西省自然科學二等獎1項；以第一發明人申請國家發明專利15項，其中7項已獲得授權。
趙敏，太原理工大學新材料界面科學與工程教育部重點實驗室副教授/碩導，山西省「三晉英才」支持計劃青年優秀人才。近年來主要從事低維納米材料的製備及光電性能研究，以第一或通訊作者在ChemicalEngineeringJournal、ACSAppliedMaterials&Interfaces、JournalofMaterialsChemistryA及JournalofMaterialsChemistryC等期刊發表SCI論文20餘篇，論文總被引用1000餘次；以第一發明人申請國家發明專利10項，其中5項已獲得授權。相關進展
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