制备石墨烯透明导电薄膜的方法技术

本发明专利技术涉及制备石墨烯透明导电薄膜的方法，提供了一种制备石墨烯透明导电薄膜的方法，该方法包括以下步骤：(i)在衬底表面生长一层石墨烯微晶；(ii)在所得的附着有石墨烯微晶的衬底表面涂布一层氧化石墨烯薄膜；以及(iii)将所得的表面修饰有氧化石墨烯和石墨烯微晶的衬底中的氧化石墨烯进行还原和修复，同时诱导石墨烯在石墨烯微晶上生长，得到石墨烯透明导电薄膜。

Method for preparing graphene transparent conductive film

The invention relates to a method for preparing graphene transparent conductive film, provides a method for preparing graphene transparent conductive film, the method includes the following steps: (I) on the surface of the substrate layer growth of graphene ceramics; (II) coating the substrate surface with a layer of microcrystalline graphene graphene oxide film at the attachment; and (III) the resultant surface modifications with graphene oxide substrate graphene oxide and graphene ceramics in reduction and repair, and induction of graphene on graphene crystallites grown on graphene transparent conductive film.

【技术实现步骤摘要】
制备石墨烯透明导电薄膜的方法
本专利技术涉及一种制备石墨烯透明导电薄膜的方法，具体涉及一种利用氧化石墨烯-石墨烯微晶复合层作为生长基底制备石墨烯透明导电薄膜的方法。
技术介绍
自2004年被发现以来,石墨烯这一新型碳材料受到广泛的关注。作为新型的二维晶体材料,石墨烯具有高的载流子迁移率、高光性和良好的化学稳定性等，特别是高透过率石墨烯导电薄膜被认为有望替代现有ITO(氧化铟锡)薄膜，在诸多领域有着广阔的应用前景。由于高性能石墨烯透明导电薄膜对石墨烯质量要求非常高，而化学气相沉积(CVD)法因其可以生长大面积、高质量的石墨烯薄膜成为研究热点。然而,CVD生长石墨烯过程需要在镍或铜等金属催化剂衬底，且石墨烯薄膜转移到其他衬底的过程比较繁琐，且容易残留化学物质，在转移过程中又容易产生缺陷。因此为了获得高性能石墨烯薄膜将，发展在非金属催化剂的玻璃衬底上生长石墨烯的制备技术尤为关键。近年来，有研究报道利用CVD方法在SiO2,Al2O3衬底上生长石墨烯。然而常规CVD方法均要求高于1100℃的生长温度，对于大多数低熔点玻璃陶瓷衬底难以实现石墨烯的直接生长。与传统CVD相比，等离子体辅助CVD(PECVD)方法可降低石墨烯生长温度，有望实现石墨烯在玻璃表面的低温生长。例如，中国专利申请CN103553029A报道了一种利用PECVD在不同衬底(包括金属,Si,SiO2,A12O3,HfO2,石英和玻璃)上生长石墨烯片的方法，所制备的石墨烯薄膜由垂直生长在表面的石墨烯片构成。另外，中国专利CN102260858B同样报道了利用PECVD技术在金属、碳化硅、石墨和氮化硼衬底上直接生长石墨烯的方法。然而在PECVD条件下，石墨烯倾向于垂直而非平行于衬底表面生长从而在衬底表面形成石墨烯墙结构，极大降低了石墨烯薄膜的透过率。由于石墨烯墙由两个相邻薄层(1-3层)石墨烯晶粒片长大靠近后缘翘起形成，因此晶界处生长的石墨烯墙厚度是石墨烯晶粒片两倍厚度，较厚的石墨烯墙导致晶界电阻增大，从而降低石墨烯薄膜的导电性。因此，本领域迫切需要开发出更为先进的石墨烯薄膜制备工艺以获得高性能石墨烯透明导电薄膜。
技术实现思路
本专利技术提供了一种新颖的制备石墨烯透明导电薄膜的方法，从而解决了现有技术中存在的问题。本专利技术提供了一种制备石墨烯透明导电薄膜的方法，该方法包括以下步骤：(i)在衬底表面生长一层石墨烯微晶；(ii)在所得的附着有石墨烯微晶的衬底表面涂布一层氧化石墨烯薄膜；以及(iii)将所得的表面修饰有氧化石墨烯和石墨烯微晶的衬底中的氧化石墨烯进行还原和修复，同时诱导石墨烯在石墨烯微晶上生长，得到石墨烯透明导电薄膜。在一个优选的实施方式中，步骤(i)包括：将衬底置于炉中，通入气体并打开真空泵；将炉升温至预定反应温度后打开电源，并调整电源功率，在炉内产生等离子体；随后通入碳源反应后在衬底表面生长一层石墨烯微晶。在另一个优选的实施方式中，所述炉包括管式炉；气体的流量为0-40sccm；炉升温速率为：5-15℃/min；预定反应温度为500-1100℃；所述电源包括RF(射频)电源；电源功率调整为50-200W；碳源的流量为1-20sccm；反应时间为5-15min。在另一个优选的实施方式中，所述石墨烯微晶通过等离子体化学气相沉积、常压化学气相沉积或低压化学气相沉积制备；所述衬底包括玻璃衬底或陶瓷衬底；所述碳源包括甲烷、乙烯或二氟甲烷；所述气体包括氢气、氩气或其混合物。在另一个优选的实施方式中，步骤(ii)包括：将所得的附着有石墨烯微晶的衬底垂直浸入氧化石墨烯水溶液中，并在衬底表面均匀涂布一层氧化石墨烯薄膜。在另一个优选的实施方式中，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为0.1-2mg/ml；所述氧化石墨烯的平均层数为1-3层。在另一个优选的实施方式中，在衬底表面均匀涂布一层氧化石墨烯薄膜的方法包括：提拉法、旋涂或刮涂，其中，提拉法通过提拉设备进行，提拉速率为2-50mm/min；所用的氧化石墨烯的制备方法包括化学法。在另一个优选的实施方式中，步骤(iii)包括：将所得的表面修饰有氧化石墨烯和石墨烯微晶的衬底再次置于炉中，通入气体并打开真空泵；将炉升温至预定反应温度后，打开电源，并调整电源功率，在炉内产生等离子体；随后通入碳源反应后在衬底表面得到一层石墨烯透明导电薄膜。在另一个优选的实施方式中，所述炉包括管式炉；气体的流量为0-40sccm；炉升温速率为：5-15℃/min；预定反应温度为500-1100℃；所述电源包括RF电源；电源功率调整为50-200W；碳源的流量为1-20sccm；反应时间为5-30min。在另一个优选的实施方式中，进行步骤(iii)的方法包括等离子体化学气相沉积法；所述碳源包括甲烷、乙烯或二氟甲烷；所述气体包括氢气、氩气或其混合物。附图说明图1是根据本专利技术的等离子体化学气相沉积设备的构造示意图。图2是根据本专利技术的利用等离子体化学气相沉积在石墨烯微晶-氧化石墨烯复合层表面生长石墨烯薄膜的示意图。具体实施方式针对现有技术中较厚的石墨烯墙导致晶界电阻增大，从而降低石墨烯薄膜的导电性的问题，本专利技术提出了一种通过等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)在玻璃衬底上直接生长制备石墨烯透明导电薄膜的方法。其利用氧化石墨烯-石墨烯微晶复合层作为石墨烯生长基底从而制备石墨烯透明导电薄膜。为得到氧化石墨烯-石墨烯微晶复合层，首先在玻璃衬底表面生长一层高质量低缺陷石墨烯微晶，随即在附着微晶的玻璃表面涂布一层高透光的氧化石墨烯薄膜。随后通过PECVD，石墨烯在石墨烯微晶种上生长，同时经还原修复后的氧化石墨烯薄膜起到连接高导电石墨烯、减少晶界电阻的作用，最后得到高性能的石墨烯透明导电薄膜。本专利技术通过预先生长石墨烯微晶获得高质量石墨烯生长位点，利用氧化石墨烯串联起分散的石墨烯微晶，经还原修复后的氧化石墨烯薄膜最终起到连接高导电石墨烯、减少晶界电阻的作用，最后得到与玻璃基底结合强度高、高性能的石墨烯透明导电薄膜。本专利技术的技术构思如下：通过对玻璃衬底进行修饰，利用PECVD方法制备了高性能的石墨烯透明导电薄膜。在制备过程中，首先在玻璃衬底表面生长一层非连续高质量石墨烯微晶，然后利用提拉法在石墨烯微晶层表面覆盖上一层氧化石墨烯(1-3层)，利用氧化石墨烯连接起分散的石墨烯微晶，最后通过PECVD在石墨烯微晶上继续生长高质量石墨烯的同时，将连接起高质量石墨烯的氧化石墨烯进行还原、修复，从而得到高性能石墨烯透明导电薄膜。本专利技术提供了一种利用氧化石墨烯-石墨烯微晶复合层作为生长基底制备石墨烯透明导电薄膜的方法，包括如下步骤：(i)将衬底置于管式炉中，通入气体并打开真空泵；随后管式炉以5-15℃/min升温速率升温，至预定反应温度500-1100℃后，打开RF电源，调整电源功率至50-200W，在石英管内产生气体等离子体；随后通入碳源，反应5-15min后在衬底表面生长一层石墨烯微晶；(ii)将生长有石墨烯微晶的衬底垂直浸入氧化石墨烯水溶液中(0.1-2mg/ml)，氧化石墨烯平均层数在1-3层；在衬底表面均匀涂布一层氧化石墨烯薄膜；(iii)将表面修饰有氧化石墨烯和石墨烯晶种的衬底再次置于管式炉中，通入气体，并打开真空泵；随后管式炉以5-15℃/min本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备石墨烯透明导电薄膜的方法，该方法包括以下步骤：(i)在衬底表面生长一层石墨烯微晶；(ii)在所得的附着有石墨烯微晶的衬底表面涂布一层氧化石墨烯薄膜；以及(iii)将所得的表面修饰有氧化石墨烯和石墨烯微晶的衬底中的氧化石墨烯进行还原和修复，同时诱导石墨烯在石墨烯微晶上生长，得到石墨烯透明导电薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种制备石墨烯透明导电薄膜的方法，该方法包括以下步骤：(i)在衬底表面生长一层石墨烯微晶；(ii)在所得的附着有石墨烯微晶的衬底表面涂布一层氧化石墨烯薄膜；以及(iii)将所得的表面修饰有氧化石墨烯和石墨烯微晶的衬底中的氧化石墨烯进行还原和修复，同时诱导石墨烯在石墨烯微晶上生长，得到石墨烯透明导电薄膜。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(i)包括：将衬底置于炉中，通入气体并打开真空泵；将炉升温至预定反应温度后打开电源，并调整电源功率，在炉内产生等离子体；随后通入碳源反应后在衬底表面生长一层石墨烯微晶。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述炉包括管式炉；气体的流量为0-40sccm；炉升温速率为：5-15℃/min；预定反应温度为500-1100℃；所述电源包括射频电源；电源功率调整为50-200W；碳源的流量为1-20sccm；反应时间为5-15min。4.如权利要求2-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述石墨烯微晶通过等离子体化学气相沉积、常压化学气相沉积或低压化学气相沉积制备；所述衬底包括玻璃衬底或陶瓷衬底；所述碳源包括甲烷、乙烯或二氟甲烷；所述气体包括氢气、氩气或其混合物。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(ii)包括：将所得的附着有石墨烯微晶的衬底垂直浸入氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄富强，唐宇峰，毕辉，修同平，刘鑫媛，宋真，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31