直接接触转移法制备石墨烯基透明导电薄膜的研究
发布时间：2019-09-08 19:22
【摘要】：石墨烯是由单层碳原子以sp2杂化轨道形成的呈六角晶格排布的二维平面薄膜。特殊的结构使石墨烯在光、电、热、化学及机械性能等方面表现出极具吸引力的应用潜力,例如场效应晶体管、太阳能电池、透明导电薄膜等。目前,在金属催化基底上大面积、低成本合成高质量石墨烯的化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,简称CVD)的不断改进,为石墨烯代替传统的透明导电薄膜氧化铟锡(ITO)的应用奠定了基础。但是,石墨烯应用为透明导电薄膜时存在以下几个问题：(a)电子设备的应用要求石墨烯存在于不导电基底上,但不导电基底上直接生长的石墨烯薄膜尺寸小、质量不高、存在一定的缺陷,所以CVD法在镍、铜等金属催化基底上合成的石墨烯必须进行转移。(b)目前石墨烯的转移手段主要依靠有机物作为载体辅助,主要方法为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)转移法和热释放胶带(Thermal release tape)转移法。然而这两种方法都存在缺陷,PMMA和热释放胶带的残留都会对石墨烯基透明导电薄膜的性能造成影响。针对以上问题,我们主要通过用CVD法在铜上直接生长4层左右的石墨烯,同时改进石墨烯的转移工艺,获得表面干净整洁、性能优良的石墨烯基透明导电薄膜。具体研究工作如下：(1)常压CVD法制得的单层石墨烯难以达到单晶状态,其透光率可高达97.7%,但方块电阻通常为300Ω/sq左右,当代替ITO作为透明导电薄膜应用时,电阻偏大。为了达到90%左右的透光率,几十Ω/sq的方块电阻,我们用常压CVD法在铜上直接生长4层左右的石墨烯,然后再转移至不导电基底上。直接生长4层左右的石墨烯有两点好处：其一,常压CVD法生长多层石墨烯比单层石墨烯的制备工艺简单；其二,在进行转移时,4层左右的石墨烯可以一次性完成转移,不需一层一层反复多次至4层,减少PMMA或热释放胶带的残留量。我们分别从生长温度、生长基底、碳源和生长时间等方面进行一系列对比实验,最终得到生长4层左右石墨烯的最佳实验参数。(2)提出了一种新型的石墨烯转移方法—直接接触转移法,它是一种无聚合物辅助的石墨烯转移法,所以不存在PMMA和热释放胶带等有机聚合物的残留问题。通过与传统转移方法在拉曼光谱、透光率、方块电阻等方面的对比表征发现,新的转移方法在转移后石墨烯的质量、透光性、导电性等性能方面均有明显提高。新的转移方法有效地解决了石墨烯表面PMMA和热释放胶带的残留问题,而且在转移过程中无需高温退火等处理,转移之后石墨烯的表面干净平整,不被破坏。直接接触转移法是一种简单有效的可以高质量、大面积、一次性转移石墨烯的方法,适用于任何目标基底的石墨烯转移。(3)用CVD法在Cu为生长基底、生长温度为1000℃、气体及其流量比为Ar/H2/CH4=80/20/15、生长时间为10min的条件下,制备得到了晶粒尺寸均匀,大小约为348.72nm的4层左右石墨烯薄膜。用“上部”直接接触转移法将其转移至聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上,得到了表面干净平整,光透过率约为90.4%,方块电阻约为64Ω/sq的柔性石墨烯基透明导电薄膜。
【图文】：
我们选单层石墨^0作为研究对象，如图１．２邋（ａ）所示，晶格中的每个碳原子均逡逑被Ｈ个晶胞所共用，所Ｗ每个晶胞中可等效看作具有两个不等价的碳原子Ａ和Ｂ，，逡逑它们形成了六角晶型状晶格。Ｃ－Ｃ之间的键长约为化Ｈ２ｎｍ，称为Ｃ键，每个周期逡逑性单元的晶格矢量可表示为：逡逑ａ，＝＾（３，＾／３），邋ａ，＝＾（３－ｊ３）逦（１．１）逡逑对应的倒格子矢量可表示为：逡逑６、＝早（＼，e保荆保降迹ǎ埽璒啠╁危ǎ保玻╁义希常徨危常徨义嫌胧悼占湎喽杂Γ芍箍占涞那筛銎钒幸仓缓星筛霾坏燃鄣牡悖欠皱义喜记刹祭镌ㄇ慕锹淅铮依说悖缤迹保插澹ǎ猓┲械模撕停隋澹У恪Ｆ淝啥义狭靠占涞奈恢檬噶靠汕墒疚哄义希耍叫Ｕ裕恕酵郏ǎ牵╁危ǎ保常╁义希郴缅澹冲危玻徨危冲义鲜悼占浯嬖诘模雀鲎盍诮噶靠杀硎疚哄义稀叮交保剑藓螅叮剑＃
本文编号：2533406
【图文】：
我们选单层石墨^0作为研究对象，如图１．２邋（ａ）所示，晶格中的每个碳原子均逡逑被Ｈ个晶胞所共用，所Ｗ每个晶胞中可等效看作具有两个不等价的碳原子Ａ和Ｂ，，逡逑它们形成了六角晶型状晶格。Ｃ－Ｃ之间的键长约为化Ｈ２ｎｍ，称为Ｃ键，每个周期逡逑性单元的晶格矢量可表示为：逡逑ａ，＝＾（３，＾／３），邋ａ，＝＾（３－ｊ３）逦（１．１）逡逑对应的倒格子矢量可表示为：逡逑６、＝早（＼，e保荆保降迹ǎ埽璒啠╁危ǎ保玻╁义希常徨危常徨义嫌胧悼占湎喽杂Γ芍箍占涞那筛銎钒幸仓缓星筛霾坏燃鄣牡悖欠皱义喜记刹祭镌ㄇ慕锹淅铮依说悖缤迹保插澹ǎ猓┲械模撕停隋澹У恪Ｆ淝啥义狭靠占涞奈恢檬噶靠汕墒疚哄义希耍叫Ｕ裕恕酵郏ǎ牵╁危ǎ保常╁义希郴缅澹冲危玻徨危冲义鲜悼占浯嬖诘模雀鲎盍诮噶靠杀硎疚哄义稀叮交保剑藓螅叮剑＃
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