激光诱导热离子真空电弧技术优化制备Mg/Zn:Al双层金属阴极及其在电致发光二极管中的高效电荷注入研究

本研究针对OLED器件中金属阴极易氧化、电荷注入效率低等问题，通过激光诱导热离子真空电弧(LTVA)技术制备了Mg/Zn:Al双层金属电极。研究发现，Zn:Al层可保护低功函数(3.7 eV)的Mg层免受氧化，同时保持其电荷注入性能，电容-电压测试证实了Mg层的完整性。该研究为开发高性能、稳定的OLED阴极提供了新思路。

　　

论文解读

研究背景

有机电致发光二极管(OLED)技术近年来发展迅猛，但其性能仍受限于金属阴极的电荷注入效率和稳定性。传统Mg:Ag合金阴极虽具有较低的功函数(~4.0 eV)，但存在易氧化、结晶粗糙等问题。更棘手的是，高蒸发温度(>800°C)会导致掩模变形，而纯Zn电极又因热力学行为导致界面接触不良。如何平衡低功函数、高导电性和抗氧化性，成为突破OLED性能瓶颈的关键。

研究方法

研究人员采用激光诱导热离子真空电弧(LTVA)技术，分两步沉积80 nm纯Mg层和100 nm Zn:Al(4:1)层。通过双探针等离子体诊断监测放电参数，结合X射线衍射(XRD)和场发射扫描电镜(FESEM)分析薄膜结构，利用四探针法测试电阻率，并基于MOS结构测量电容-电压特性以计算功函数。

研究结果

3.1 等离子体诊断
激光开启时放电电压从490 V升至520 V，证实激光-等离子体相互作用通过热退火机制提升沉积效率。电子密度n_e
=2.5×10¹⁷
m^-3
，电子温度T_e
=0.58 eV。

3.2 薄膜形貌与成分
XRD显示Zn沿(002)晶面择优生长，Mg/Zn:Al样品半峰宽增加(0.2694→0.2001)，晶粒尺寸减小至38 nm。EDX证实Zn:Al原子比保持4:1，SEM显示六边形锌结构尺寸40-60 nm。

3.3 润湿性与粗糙度
接触角测试表明Mg/Zn:Al具有强疏水性(θ_w
=131.48°)，Wu方程计算的表面自由能达78.5 mN/m。Wenzel模型揭示其粗糙度(r=1.24)优于纯Zn:Al。

3.4 电学性能
双层结构电阻率ρ=44 nΩ·m，接近体相Mg标准值(42 nΩ·m)。电容-电压测试测得功函数3.71 eV，证明Zn:Al层未影响Mg的电荷注入能力。

结论与意义

该研究创新性地将LTVA技术应用于双层阴极制备，首次证实532 nm激光通过热退火机制而非直接电离影响等离子体动力学。Mg/Zn:Al结构兼具低功函数(3.7 eV)和高稳定性，其电荷注入性能优于传统Ag(4.7 eV)或Al(4.3 eV)电极。Zn:Al层不仅将电阻率控制在184 nΩ·m，还通过抑制ZnO形成保护了Mg层。这项发表于《Applied Surface Science Advances》的工作，为开发新一代OLED透明阴极提供了重要技术路径。