互连波纹状碳基网络制造技术

本发明专利技术公开一种互连波纹状碳基网络，其包括多个膨胀的和互连的碳层。在一个实施方案中，所述膨胀的和互连的碳层中的每一个均由一个原子厚的至少一个波纹状碳薄层构成。在另一个实施方案中，所述膨胀的和互连的碳层中的每一个均由各自为一个原子厚的多个波纹状碳薄层构成。所述互连波纹状碳基网络以导电率和电化学性质高度可调的高表面积为特征。化学性质高度可调的高表面积为特征。化学性质高度可调的高表面积为特征。

【技术实现步骤摘要】
互连波纹状碳基网络
[0001]本申请是以下申请的分案申请：申请日：2012年12月21日；申请号：201280070343.4(PCT/US2012/071407)；专利技术名称：“互连波纹状碳基网络”。
[0002]本专利技术是在由美国国防部国防高级研究项目局颁发的授予号 HR0011
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0002的政府资助下完成。政府享有本专利技术中的某些权利。此项研究部分地受到埃及高等教育部通过毕业生研究奖学金
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任务计划的支持。
[0003]相关申请
[0004]本申请要求于2011年12月21日提交的美国临时专利申请号 61/578,431的权益，该临时专利申请的公开通过引用被全部并入本文。
[0005]本公开的领域
[0006]本专利技术提供互连波纹状碳基网络和用于制作、图案化以及调节所述互连波纹状碳基网络的电性质、物理性质和电化学性质的廉价过程。
[0007]背景
[0008]为了实现生产高质量的大批碳基装置诸如有机传感器，多种合成现在并入有石墨氧化物(GO)作为生成大规模碳基材料的前体。用于从石墨粉的氧化生产大量GO的廉价方法现在可用。另外，GO的水分散性结合廉价生产方法使得GO成为用于生产碳基装置的理想原材料。具体来说，GO具有水分散性质。不幸的是，给予GO其水分散性质的相同氧物种也在其电子结构中产生缺陷，并且因此GO为电绝缘材料。因此，具有优越电子性质的装置级碳基膜的形成需要这些氧物种的去除、共轭碳网络的重建以及用于可控制地图案化碳基装置特征的方法。
[0009]使石墨氧化物还原的方法包括通过肼、肼衍生物或其它还原剂进行的化学还原、在化学还原气体和/或惰性气氛下的高温退火、溶剂热还原、化学和热还原方法的组合、闪蒸还原(flash reduction)以及最近GO的激光还原。虽然这些方法中的几种方法已经证明了相对高质量的石墨氧化还原，但很多方法受到昂贵设备、高退火温度和最终产物中的氮杂质的限制。因此，在这些困难中，包括膨胀互连碳网络的高表面积和高导电率的性质组合仍然是难以捉摸的。另外，通过针对 GO还原以及图案化的全包含步骤进行的大规模膜图案化已证明是困难的并且通常取决于光掩模来提供最基本的图案。因此，需要用于制作和图案化互连波纹状碳基网络的廉价过程，所述互连波纹状碳基网络具有导电率和电化学性质高度可调的高表面积。
[0010]概述
[0011]本专利技术提供一种生产互连波纹状碳基网络的方法。所生产的互连波纹状碳基网络具有包括互连碳层的膨胀网络的高表面积和高导电率的性质组合。
[0012]在一个实施方案中，所述方法生产图案化的互连波纹状碳基网络。在所述特定实施方案中，初始步骤接收具有碳基氧化膜的衬底。一旦所述衬底被接收，那么下一个步骤涉及生成具有足以使碳基氧化膜的部分还原为互连波纹状碳基网络的功率密度的光束。另一个步骤涉及在碳基氧化膜上通过计算机控制系统以预确定图案引导光束，同时通过计算机控制系统根据与所述预确定图案相关的预确定功率密度数据来调整光束的功率密度。
[0013]在一个实施方案中，衬底是盘形的数字多功能光盘(DVD)大小的塑料薄层，所述塑料薄层以可拆卸的方式粘着到包含DVD定中孔的 DVD大小的板。载有盘形衬底的DVD大小的板可装载到直接光盘标记(direct
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to
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disc labeling)启用的光盘驱动器。计算机控制系统执行的软件程序读出定义预确定图案的数据。计算机控制系统将光盘驱动器生成的激光光束引导到盘形衬底上，从而使碳基氧化膜的部分还原为导电性的互连波纹状碳基网络，所述互连波纹状碳基网络与预确定图案的数据所述的形状、尺寸和传导水平匹配。
[0014]本领域技术人员在结合附图阅读的以下详细说明之后将了解本公开的范围并且认识到其额外方面。
[0015]附图简述
[0016]并入并且形成本说明书一部分的附图阐明本公开的一些方面，并且连同说明书用来解释本公开的原则。
[0017]图1描绘现有技术的直接光盘标记类型CD/DVD光盘的标记面。
[0018]图2是现有技术的直接光盘标记类型光盘驱动器的示意图。
[0019]图3是用于在衬底上提供石墨氧化物(GO)膜的示例性过程的流程图。
[0020]图4是用于对互连波纹状碳基网络进行激光刻划随后由互连波纹状碳基网络制造电部件的流程图。
[0021]图5是本实施方案的互连波纹状碳基网络的样本的线条图。
[0022]图6A是覆盖着电路的男性头部的艺术品图像。
[0023]图6B是在图6A的艺术品图像使用本专利技术的激光刻划技术在GO 膜上直接图案化后的所述GO膜的照片。
[0024]图7是通过使用各种灰度等级对图6A的艺术品进行激光刻划以生产图6B的图案化的GO膜来使图6B的GO膜还原而比较导电率的图表。
[0025]图8A是示出在对图像右侧激光处理后红外激光对GO膜的影响的扫描电子显微镜(SEM)图像，这与图像左侧上对齐的互连波纹状碳基网络形成对照。
[0026]图8B是表明互连波纹状碳基网络的厚度比未处理GO膜的厚度大约10倍的SEM图像。
[0027]图8C是示出单个激光转换互连波纹状碳基网络的截面图的SEM 图像。
[0028]图8D是示出图8C中互连波纹状碳基网络内的所选区的较大的放大率的SEM图像。
[0029]图9比较互连波纹状碳基网络的粉末X射线衍射(XRD)图案与石墨和石墨氧化物衍射图案。
[0030]图10是峰电流的log
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对应用伏安扫描速率的log
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的曲线图。
[0031]图11A至图11E是与拉曼光谱学分析有关的图表。
[0032]图12A是示出由互连波纹状碳基网络制成的、尺寸为6mm x 6 mm、间隔约500μm的一组叉指形电极的结构图，所述叉指形电极被直接图案化到GO的薄膜上。
[0033]图12B是示出传递到另一类型的衬底上的叉指形电极组合的结构图。
[0034]图13示出对在干燥空气中暴露于20ppm的氧化亚氮(NO2)的、由互连波纹状碳基网络制成的叉指形电极的图案化挠性组合的传感器响应。
[0035]图14A至图14D示出说明就对应于0秒、15秒、60秒和120秒的电沉积时间而言，铂(Pt)纳米颗粒生长到由互连波纹状碳基网络制成的支架上的SEM图像。
[0036]图15比较在50mV/s的扫描速率下，溶解于1.0M的KCl溶液中的5mM的K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]的等摩尔混合物中，GO、石墨与由互连波纹状碳基网络制成的CV分布图。
[0037]详述
[0038]以下阐明的实施方案代表使得本领域技术人员能够实践本公开的必需信息并且说明实施本公开的最佳模式。在鉴于附图来阅读以下描述之后，本领域技术人员了解本公开的概念并且认识到在本文中未具体提出的这些概念的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种互连波纹状碳基网络，其包括多个膨胀的和互连的石墨烯层，包含多个波纹状、堆叠的、膨胀的和互连的还原氧化石墨烯薄层，其中所述互连波纹状碳基网络是石墨烯基网络，并且其中在所述互连波纹状碳基网络由碳基氧化物还原后，所述互连波纹状碳基网络的二阶无序(2D)拉曼峰值从约 2730 cm
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1 变化为约 2688 cm
‑1。2.如权利要求1 所述的互连波纹状碳基网络，其中通过X
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射线光电子光谱学(XPS)测量，所述膨胀的和互连的石墨烯层中的每一个具有约3.5％ 的含氧量。3.如权利要求1 所述的互连波纹状碳基网络，其中所述膨胀的和互连的石墨烯层中的每一个都包括各自为一个原子厚的多个波纹状碳薄层。4.如权利要求1 所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的石墨烯层产生约1650 S/m 的导电率。5.如权利要求1 所述的互连波纹状碳基网络，其中通过X
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射线光电子光谱学(XPS)测量，所述多个膨胀的和互连的石墨烯层具有约 27.8:1 的碳氧(C/O)比。6.如权利要求1 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：V，
申请(专利权)人：加州大学评议会，
类型：发明
国别省市：