【摘要】：石墨烯是由單層碳原子以sp2雜化軌道形成的呈六角晶格排布的二維平面薄膜。特殊的結(jié)構(gòu)使石墨烯在光、電、熱、化學(xué)及機(jī)械性能等方面表現(xiàn)出極具吸引力的應(yīng)用潛力,例如場效應(yīng)晶體管、太陽能電池、透明導(dǎo)電薄膜等。目前,在金屬催化基底上大面積、低成本合成高質(zhì)量石墨烯的化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition,簡稱CVD)的不斷改進(jìn),為石墨烯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的透明導(dǎo)電薄膜氧化銦錫(ITO)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但是,石墨烯應(yīng)用為透明導(dǎo)電薄膜時(shí)存在以下幾個(gè)問題：(a)電子設(shè)備的應(yīng)用要求石墨烯存在于不導(dǎo)電基底上,但不導(dǎo)電基底上直接生長的石墨烯薄膜尺寸小、質(zhì)量不高、存在一定的缺陷,所以CVD法在鎳、銅等金屬催化基底上合成的石墨烯必須進(jìn)行轉(zhuǎn)移。(b)目前石墨烯的轉(zhuǎn)移手段主要依靠有機(jī)物作為載體輔助,主要方法為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)轉(zhuǎn)移法和熱釋放膠帶(Thermal release tape)轉(zhuǎn)移法。然而這兩種方法都存在缺陷,PMMA和熱釋放膠帶的殘留都會(huì)對石墨烯基透明導(dǎo)電薄膜的性能造成影響。針對以上問題,我們主要通過用CVD法在銅上直接生長4層左右的石墨烯,同時(shí)改進(jìn)石墨烯的轉(zhuǎn)移工藝,獲得表面干凈整潔、性能優(yōu)良的石墨烯基透明導(dǎo)電薄膜。具體研究工作如下：(1)常壓CVD法制得的單層石墨烯難以達(dá)到單晶狀態(tài),其透光率可高達(dá)97.7%,但方塊電阻通常為300Ω/sq左右,當(dāng)代替ITO作為透明導(dǎo)電薄膜應(yīng)用時(shí),電阻偏大。為了達(dá)到90%左右的透光率,幾十Ω/sq的方塊電阻,我們用常壓CVD法在銅上直接生長4層左右的石墨烯,然后再轉(zhuǎn)移至不導(dǎo)電基底上。直接生長4層左右的石墨烯有兩點(diǎn)好處：其一,常壓CVD法生長多層石墨烯比單層石墨烯的制備工藝簡單；其二,在進(jìn)行轉(zhuǎn)移時(shí),4層左右的石墨烯可以一次性完成轉(zhuǎn)移,不需一層一層反復(fù)多次至4層,減少PMMA或熱釋放膠帶的殘留量。我們分別從生長溫度、生長基底、碳源和生長時(shí)間等方面進(jìn)行一系列對比實(shí)驗(yàn),最終得到生長4層左右石墨烯的最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)。(2)提出了一種新型的石墨烯轉(zhuǎn)移方法—直接接觸轉(zhuǎn)移法,它是一種無聚合物輔助的石墨烯轉(zhuǎn)移法,所以不存在PMMA和熱釋放膠帶等有機(jī)聚合物的殘留問題。通過與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移方法在拉曼光譜、透光率、方塊電阻等方面的對比表征發(fā)現(xiàn),新的轉(zhuǎn)移方法在轉(zhuǎn)移后石墨烯的質(zhì)量、透光性、導(dǎo)電性等性能方面均有明顯提高。新的轉(zhuǎn)移方法有效地解決了石墨烯表面PMMA和熱釋放膠帶的殘留問題,而且在轉(zhuǎn)移過程中無需高溫退火等處理,轉(zhuǎn)移之后石墨烯的表面干凈平整,不被破壞。直接接觸轉(zhuǎn)移法是一種簡單有效的可以高質(zhì)量、大面積、一次性轉(zhuǎn)移石墨烯的方法,適用于任何目標(biāo)基底的石墨烯轉(zhuǎn)移。(3)用CVD法在Cu為生長基底、生長溫度為1000℃、氣體及其流量比為Ar/H2/CH4=80/20/15、生長時(shí)間為10min的條件下,制備得到了晶粒尺寸均勻,大小約為348.72nm的4層左右石墨烯薄膜。用“上部”直接接觸轉(zhuǎn)移法將其轉(zhuǎn)移至聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上,得到了表面干凈平整,光透過率約為90.4%,方塊電阻約為64Ω/sq的柔性石墨烯基透明導(dǎo)電薄膜。
【圖文】：

我們選單層石墨^0作為研究對象，如圖１．２邋（ａ）所示，晶格中的每個(gè)碳原子均逡逑被Ｈ個(gè)晶胞所共用，所Ｗ每個(gè)晶胞中可等效看作具有兩個(gè)不等價(jià)的碳原子Ａ和Ｂ，，逡逑它們形成了六角晶型狀晶格。Ｃ－Ｃ之間的鍵長約為化Ｈ２ｎｍ，稱為Ｃ鍵，每個(gè)周期逡逑性單元的晶格矢量可表示為：逡逑ａ，＝＾（３，＾／３），邋ａ，＝＾（３－ｊ３）邐（１．１）逡逑對應(yīng)的倒格子矢量可表示為：逡逑６、＝早（＼，e保荊保降跡ǎ�，－O啠╁危ǎ保玻╁義希常徨危常徨義嫌?xùn)V悼占湎嘍雜Γ芍箍占淶那篩銎釩幸倉緩星篩霾壞燃鄣牡�，他们钒櫫x喜記剎祭鐫ㄇ慕鍬淅錚依說�，壤_跡保插澹ǎ猓┲械模撕停隋澹У�。其巧动辶x狹靠占淶奈恢檬噶靠汕墑疚哄義希耍叫Ｕ�，Ｋ’＝袜Pǎ牽╁危ǎ保常╁義希郴緬澹沖危玻徨危沖義鮮悼占浯嬖詰模雀鱟盍誚噶靠殺硎疚哄義稀叮交�，Μ－Ｌ\螅叮劍�。｜�

本文編號：2533406