Лазерные многослойные графеновые сетки для прозрачных проводящих электродов

Введение

Графен высоко ценится как кандидат на ТХЭ за его выдающиеся электрические и оптические свойства [1,2,3,4,5,6]. Крупномасштабный монокристаллический графен, нанесенный на металлическую подложку методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), демонстрирует отличную прозрачность (~ 97%) и проводимость (<100 Ом sq ⁻¹ ) [7, 8]. Однако относительно низкая скорость роста и процесс переноса увеличивают огромные производственные затраты и препятствуют промышленному применению. Чтобы снизить огромные производственные затраты, были проделаны большие работы по нанесению поликристаллического графена непосредственно на промышленное стекло, и была предпринята попытка его применения в электрических тепловых устройствах, культуре клеток, интеллектуальных окнах и сенсорных панелях [9,10,11,12,13 ]. Хотя скорость роста значительно увеличилась, проводимость поликристаллического графена значительно снижается, чем монокристаллического графена. С одной стороны, графеновая пленка с коэффициентом пропускания ~ 95% показывает сопротивление листа до 6,1 кОм sq ⁻¹ , с другой стороны, коэффициент пропускания будет уменьшен ниже 50% из-за увеличения толщины при сопротивлении листа ниже 0,5 кОм sq ⁻¹ [14,15,16,17]. Следовательно, по-прежнему существует большая проблема - сбалансировать конкуренцию между сопротивлением листа и коэффициентом пропускания для графеновой пленки. Здесь мы предложили лазерную адаптацию маршрута для изготовления графеновых сеток для реализации высокой прозрачности и хорошей проводимости многослойной графеновой пленки (MGF). ИК-лазер применяется для частичной абляции многослойного графена и придания тонкой пленке желаемого рисунка. Прозрачность пленки заметно увеличивается с 0,38 до 75% при сохранении сопротивления листа на уровне 350 Ом sq ⁻¹ . регулируя размер апертуры или ширину рундиста. Стоит отметить, что процесс лазерного пошива является довольно быстрым, поэтому пошив тонкой пленки 5 см × 5 см может быть завершен в течение 1 минуты, что гарантирует широкое применение в крупных масштабах в промышленности. Мы демонстрируем эффективный обогреватель запотевания на основе MGFG, а также контролируемое локальное тепловое поле на подложке посредством проектирования решеток. Очень прозрачный и проводящий MGFG найдет широкое применение в качестве прозрачных электродов в сенсорных панелях, интеллектуальных окнах и носимых устройствах.

Результаты и обсуждение

Первоначально методом химического осаждения из газовой фазы на прозрачную кварцевую подложку наносят MGF разной толщины. В данном случае полистирол (ПС) применяется в качестве источника углерода, который испаряется при 300 ° C и осаждается на подложку при 1000 ° C в атмосфере Ar / H ₂ . Атмосфера. Чтобы способствовать росту многослойного графена, ионы Fe, которые скоординированы с полиэтиленимином, прядут и наносят на подложку, служащую катализатором (рис. 1a) . В процессе отжига ионы Fe объединяются друг с другом и превращаются в наночастицы Fe в пленке. Дополнительный файл 1. На рисунке S1 представлены различные Fe ³⁺ концентрация, влияющая на морфологию и кристаллизацию MGF (дополнительный файл 1:рисунок S1, вспомогательная информация). Для обеспечения качества MGF, 0,5 мг / мл Fe ³⁺ оптимален для выращивания пленок графена высокой плотности. Обнаружено, что спектр комбинационного рассеяния осажденной пленки без Fe-катализатора (рис. 1б) не содержит характерных полос 2D и D + G графена, а содержит широкие полосы G и D. Тем не менее, с помощью Fe-катализатора на подложке, соответствующий спектр комбинационного рассеяния показывает очевидную 2D-полосу при 2684 нм и полосу D + G при 2933 нм, за исключением полосы D при 1342 нм, полосы G при 1592 нм, что указывает на нанесенный тонкий слой. пленка является характеристикой графена [18, 19]. Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) на рис. 1c, четко демонстрирует высокую плотность и гладкость MGF. МГФ различной толщины изготавливают путем регулирования количества ПС (рис. 1г, д). Видно, что как сопротивление пленки пленки, так и коэффициент пропускания резко падают с увеличением толщины пленки. Тонкая пленка толщиной три нанометра имеет высокую прозрачность с пропусканием 80% на длине волны 550 нм, но плохую проводимость сопротивления листа 13,5 кОм sq ⁻¹ , а сопротивление пленки 0,1 кОм sq ⁻¹ соответствует удивительно низкому коэффициенту пропускания 0,38%. Обычно добротность FoM вводится для оценки относительности между удельным сопротивлением и прозрачностью MGF как прозрачных электродов. FoM рассчитывается по формуле. (1) где коэффициент пропускания и сопротивление листа равны T и R _s соответственно.

Отложение и характеристика MGF. а Схематическое изображение CVD-осаждения MGF с Fe ³⁺ как катализатор. б Рамановский спектр графеновой пленки с катализатором и без него (при длине волны возбуждения 633 нм). c СЭМ-изображение MGF. г Фотографии МГФ, нанесенного на кварцевую подложку разной толщины. е Сравнение сопротивления листов и пропускания MGF разной толщины. е Сравнение толщины и FoM MGF, полученных в данной работе

Здесь FoM MGF с различной толщиной от 10 нм до 350 нм можно рассчитать от 0,1 до 0,5 на рис. 1f, что сопоставимо с описанным расслоенным графитом [11, 16].

Как улучшить FoM свежевыращенного MGF? Самое главное - уравновесить описанное выше противоречие между прозрачностью и сопротивлением листа. Здесь инфракрасный лазер был применен для абляции MGF для создания структур микросеток (рис. 2а). Процесс пошива основан на механизме, при котором пленка поглощает мощную энергию сильно сфокусированного лазерного луча и преобразует высокоплотную тепловую энергию, что приводит к мгновенной абляции в месте излучения луча [20, 21]. С помощью системы лазерной прямой записи многослойная тонкая пленка графена может быть преобразована в произвольные узоры (дополнительный файл 1:рис. S2) путем точной настройки мощности лазера, скорости сканирования и диаметра луча. Ширина следа адаптации оптимизирована от 25 мкм до 100 мкм, а минимальная ширина рисунка составляет до 5 мкм. Для получения оптимального FoM сеточная структура окна экрана изготовлена ​​на рис. 2б, в. Видно, что хорошо организованные микроструктуры представлены на микроскопических изображениях изготовленного MGFG в режиме пропускания и отражения соответственно. Специально подобранные микропоры однородны и прозрачны, в то время как остальные решетки являются соединительными. СЭМ-изображения в дополнительном файле 1:Рисунок S3 иллюстрирует детали структуры графеновых пленок, включая микропоры и сетки. Размер микропор составляет около 100 мкм. На рис. 2г, д показан прямой и острый край MGFG на изображениях АСМ и СЭМ. Это доказывает, что процесс пошива очень эффективен для изготовления высококачественных выкроек. На рис. 2f показаны спектры комбинационного рассеяния адаптированных сеток, остальные сетки сохраняют исходную структуру MGFG без ухудшения после процесса настройки, в то время как остаточные чешуйки показывают относительно более высокую полосу D и более слабую полосу 2D из-за процесса лазерной абляции [18]. Дальнейшее изучение поглощения инфракрасного излучения проводится до и после абляции MGFG. На рис. 2g нет очевидного поглощения для аблированного MGFG, что свидетельствует о том, что слои графена могут быть хорошо удалены с помощью лазерной абляции.

Лазерный пошив MGF и изготовление MGFG. а Схематическое изображение процесса абляции графеновой сетки при прямой записи ИК-лазером. б , c Микроскопические изображения изготовленного MGFG в режиме пропускания и отражения соответственно. г , e АСМ- и СЭМ-изображения специальной кромки. е Рамановский спектр графеновой сетки и чешуек в области абляции (при длине волны возбуждения 633 нм). г ИК-поглощение MGF до и после абляции

Чтобы оценить влияние на пропускание и сопротивление листа от настроенных параметров решетки, мы выполнили серию MGFG с различной степенью абляции из рис. 3a – h. Размер микропор точно регулируется от 100 мкм × 100 мкм до 250 мкм × 250 мкм, а ширина линии настраивается от 180 мкм до 30 мкм. По мере увеличения степени абляции от 0 до 75% коэффициент пропускания увеличивается с 0,38 до 75%, а сопротивление листа увеличивается с 70 Ом sq ⁻¹ . до 340 Ом sq ⁻¹ на рис. 3i – j. Кроме того, различные удельное сопротивление, размер микропор и ширина сетки MGF (дополнительный файл 1:рисунок S4) хорошо изучены для изучения оптимальных результатов между прозрачностью и сопротивлением листа. На рис. 3k – l можно оценить, что коэффициент пропускания увеличился в 200 раз, в то время как сопротивление листа увеличилось только в 5 раз, а FoM увеличился с 0,4 до 3,6. Сравнивая сетки с MGF при пропускании 80%, FoM составляет около 0,1 на рис. 1e. Между тем, пластовое сопротивление графеновых решеток составляет 340 Ом на кв ⁻¹ . , что составляет всего 2,5% от MGF (13,5 кОм sq ⁻¹ ). Другими словами, FoM MGFG увеличивается до 3,6 с 0,1 MGF при равном коэффициенте пропускания 80%. Таким образом, можно сделать твердый вывод, что прозрачность и проводимость MGFG были значительно улучшены, чем MGF, за счет адаптации к микросетке. Для демонстрации визуального эффекта образец MGF размером 5 см × 5 см представлен при естественном освещении. Образец на рис. 3м полностью непрозрачен. Стоит отметить, что прозрачность образца резко улучшается после лазерной обработки. Четкий пейзаж виден через образец MGFG на рис. 3n.

Характеристика MGFG с различной степенью абляции. а - ч Микроскопические изображения MGFG с различной степенью абляции. Шкала 200 мкм. я Пропускание MGFG с разной степенью абляции. j Сравнение листового сопротивления и пропускания MGFG с различной степенью абляции. к Т и R _S данные для MGFG с разной степенью абляции. l FoM MGFG с различной степенью абляции. м , n Фотографии образца графеновой пленки 5 см × 5 см до и после лазерного пошива

Для демонстрации применения MGFG на рис. 4a, b показано, что уже изготовленные решетки на кварцевой подложке используются в качестве прозрачного электротермического обогревателя. Электротермические характеристики решеток с коэффициентом пропускания 75% исследованы при различных напряжениях. Интересно видеть, что много капель воды на поверхности решеток (Рис. 4a) исчезают в течение 2 минут при включении питания на Рис. 4b. Чтобы идентифицировать процесс, контурная температурная карта MGFG на рис. 4c используется для непосредственного исследования электротермического поведения. Рисунок 4d показывает, что температура поверхности MGFG увеличивается с увеличением времени и напряжения. Установлено, что напряжение сильно влияет на температуру МГФГ. При одном и том же напряжении температура на первом этапе резко возрастает, а затем имеет тенденцию к стабилизации. Дальнейшие исследования показывают, что вокруг двухточечных электродов на рис. 4c наблюдается большая тепловая агрегация. Накопленное тепловое поле в основном возникает из-за неоднородного распределения плотности электрического тока. Два контактирующих электрода имеют более высокую плотность тока, чем в другом месте обогревателя, что вызывает более высокую температуру. Основываясь на этом механизме, плотность тока антизапотевателя может быть равномерно распределена для реализации локализованного и контролируемого теплового поля на подложке за счет адаптации MGFG к желаемым узорам. Мы разработали пояс из MGFG, адаптировав графеновые сетки на подложке, как показано на рис. 4e. Полученная контурная температурная карта ленты MGFG демонстрирует локализованное термическое поле на подложке (рис. 4g). Следовательно, один массив ремня MGFG идеально спроектирован так, чтобы однородно проводить электричество, как показано на рис. 4h. Эксперимент демонстрирует, что однородное тепловое поле на подложке может быть получено на рис. 4h за счет использования плоских электродов и решетчатых ленточных массивов на подложке. Очень полезно в ближайшем будущем изготовить электротермическое устройство с высоким качеством.

Обогреватель на базе MGFG. а , b Противотуманные свойства MGFG. c Контурная карта температуры относительно поверхности 5 см × 5 см MGFG при напряжении 20 В. d Температурные профили МГФГ размером 1 см × 1 см при разном напряжении и времени. е Схематическое изображение ленточного обогревателя MGFG. е Контурная карта температуры ленточного обогревателя MGFG при напряжении 25 В. g Схематическое изображение обогревателя с ленточными решетками MGFG с рисунком. ч Контурная температурная карта обогревателя ленточных решеток MGFG до 25 В

Заключение

ИК-лазер используется для преобразования непрозрачного MGF в высокопрозрачные и проводящие электроды за счет адаптации структур микросеток. Произвольные многослойные графеновые узоры можно было получить с помощью системы проектирования САПР и лазерной прямой записи. Стоит отметить, что процесс пошива идет достаточно быстро, при крупномасштабном изготовлении желаемой конструкции. Прозрачность хорошо обслуживаемого проводящего MGF может быть значительно увеличена с 0 до 80% за счет частичной абляции и создания микросеток. Применения MGFG демонстрируются для электротермических устройств и контролируемого локализованного теплового поля на подложке посредством проектирования сеток. Этот способ изготовления графеновых решеток эффективен для открытия возможности прямого использования многослойной графеновой или даже графитовой пленки в качестве прозрачных электродов без сложного процесса расслоения.

Методы

Прекурсор водного Fe ³⁺ ионный катализатор готовят путем добавления 2,5 г Fecl ₃ в раствор, содержащий 1 г полиэтиленимина (PEI), 1 г этилендиаминтетрауксусной кислоты (EDTA) и 30 мл воды. После ультрафильтрации конечная концентрация Fe составила 28,20 мг / мл, измеренная атомно-эмиссионным спектрометром с индуктивно связанной плазмой (ICP-AES, PerkinElmer Optima 8000). Раствор с концентрацией 28,20 мг / мл Fe ³⁺ разбавляют до 0,5 мг / мл и затем наносят центрифугированием на кварцевые подложки при 5000 об / мин в течение 30 с. Пленки были отожжены при 1000 ° C в течение 10 минут с использованием полистирола (PS), помещенного с одной стороны трубки в качестве источника углерода.

Графеновая сетка настраивается ИК-лазером с длиной волны 1064 нм (YDFLP-20-M1 + -S), предоставленным JPT Electronics, со скоростью сканирования 100 мм / с, мощностью 2 Вт, частотой 42 Гц и длительностью импульса 100 нс.

Характеристики

Рамановские спектры были получены от Horiba Jobin Yvon HR Evolution. Анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) проводили на приборе FEI Scios, работающем при 10 кВ. Оптическое изображение было получено на металлографическом микроскопе CMM-55E. Сопротивление листа проверяли четырехконтактным тестером ST2263. Пропускание проверялось на Shimadzu UV-2450. Контурная карта температуры была измерена инфракрасной камерой (VarioCAM) от InfraTec.

Доступность данных и материалов

Все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту статью.

Сокращения

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы

EDTA:

Этилендиаминтетрауксусная кислота

FoM:

Заслуги

MGF:

Многослойная графеновая пленка

MGFG:

Многослойные сетки из графеновой пленки

PEI:

Полиэтиленимин

PS:

Полистирол

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

TCE:

Прозрачные токопроводящие электроды