CN102543269A - 高质量石墨烯透明导电膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题是提供高质量石墨烯透明导电膜及其制备方法。解决的手段是,制备方法包括,使在催化剂上形成有机物薄膜层、之后一起置于密封容器内;利用微波辅助加热密封容器使有机物分解得到生长于催化剂表面的石墨烯薄膜;将所述生长于催化剂表面的石墨烯薄膜转移到目标衬底上得到石墨烯透明导电膜。本发明操作简单,成本低廉,可得到缺陷少、导电性好、质量高的石墨烯。本发明制备得到的石墨烯可在光电器件如铜铟镓硒、碲化镉、染料敏化等太阳能电池,平板显示、超级电容器、场发射材料、锂离子电池等领域中有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及材料制备技术领域,具体涉及高质量石墨烯透明导电膜及其制备方法。
背景技术
石墨烯(graphene)是由碳原子构成的以六元环为基本单元的单原子层材料。它不仅蕴含了丰富而新奇的物理现象,具有重要的理论研究价值,而且其独特的结构和优异的性能有可能使它在多个领域获得重大的实际应用,为未来的经济、社会发展提供新的有力增长点(K.S.Novoselov,et al.Science 2004,306,666.)。从光学角度来说石墨烯高度透明,可见-近红外光的吸收为~2.3%(R.Nair,et al.Science 2008,320,1308.);石墨烯避免了传统透明导电氧化物在近红外的光吸收,有助于利用900-1200nm的近红外太阳能,实现充分利用太阳能。从电输运而言,载流子迁移率高达20,000cm2×V-1×s-1,远优于常见的氧化物透明导电薄膜(A.Geim,Nat.Mater.2007,6,183.);石墨烯的载流子浓度远远低于导电碳管和石墨,石墨烯的高迁移率和低载流子浓度有利于电荷快速迁移,提高太阳能电池收集电荷能力,提高光电转换效率,从而在锂离子电池、太阳能电池等可再生能源领域具有广阔的应用前景。同时,石墨烯薄膜具有很好的柔韧性,非常适用于制备柔性透明导电膜,使其潜在用途扩大到可折叠太阳能电池和柔性电子器件。此外,石墨烯膜具有极低的电子噪声、化学稳定性高、易于剪裁和选择性引入官能团以及温度对电导率的影响小等特点,为其在高品质传感器方向的应用提供了可能(D.Dikin,et al.Nature 2007,448,457.)。与上述应用中目前广泛采用的相关材料相比,石墨烯具有成本低的优点,可由价廉易得的石墨为原料来制备,并且成膜可通过简单的湿化学方法来实现,因而具备其他材料无法比拟的价格优势。因此,对石墨烯薄膜制备中的相关科学技术问题进行广泛而深入的研究,探索其在上述领域的应用,具有重大的科学意义和广阔的应用价值,也是目前石墨烯研究领域的研究热点之一。
在目前石墨烯的制备方法中,微机械剥离法可以制备微米大小的石墨烯,但是其可控性较低,难以实现大规模合成;SiC外延生长的石墨烯,虽然可通过光刻过程直接做成电子器件,但由于SiC晶体表面在高温加热过程中表面容易发生重构,导致表面结构较为复杂,难以获得大面积、厚度均一的石墨烯(C.Berger,et al.Science 2006,312,1191);化学剥离法通常是用浓硫酸、硝酸钠和高锰酸钾氧化片状石墨得到氧化石墨,再用超声剥离得到氧化石墨烯[W.S.Hummers,etc.J.Am.Chem.Soc.1958,1339]。后用高温热裂解的方法来还原氧化石墨烯。化学剥离法虽可以大量制备石墨烯,但其剧烈的氧化还原过程会破坏石墨烯平面的碳骨架,产生缺陷,导致所得的石墨烯质量下降,严重制约着石墨烯的推广应用(D.Li,et al.Nat.Nanotech.2008,3,101.);化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition;CVD)被认为是制备大面积石墨烯的好方法(K.Kim,et al.Nature 2009,457,706.),但其生长过程一般要在高温下使用易燃易爆的气体如甲烷、乙烯等反应所得,其生产操作要求高,所需设备复杂。因此,如何简单可控宏量的制备高质量的石墨烯薄膜是目前研究的一大难点和热点。
发明内容
面对现有技术存在的上述问题,本发明人意识到采用微波辅助加热法分解有机物产生高活性碳原子,再由活性碳原子在催化剂薄膜衬底上重构成石墨烯,可以制备高质量的石墨烯透明导电薄膜。
在此,本发明提供一种高质量石墨烯透明导电膜的制备方法,包括,使在催化剂上形成有机物薄膜层、之后一起置于密封容器内;利用微波辅助加热密封容器使有机物分解得到生长于催化剂表面的石墨烯薄膜;将所述生长于催化剂表面的石墨烯薄膜转移到目标衬底上得到石墨烯透明导电膜。该导电膜缺陷少,导电性好,质量高。
可选地,可以采用碳化硅陶瓷作为本发明的制备方法的吸微波材料,将密封容器填埋于碳化硅陶瓷内后利用微波辅助加热。微波加热的碳化硅陶瓷能够向密封容器内传递大量的热量。
本发明利用微波辅助加热碳化硅产生大量的热,从而分解有机分子释放出大量的活性碳原子,再由活性碳原子在催化剂薄膜基底上沉积、生长成石墨烯,与化学气相沉积法制备石墨烯薄膜相比,所得到的石墨烯薄膜缺陷少、导电性好,且操作简单、步骤少、制备成本很低,无需使用易燃易爆的有机气体,安全性好。
在所述微波辅助加热中,所用的微波源频率为2.479GHz,微波功率为400-1000w。本发明所使用的微波源可以是例如家用微波炉,无需复杂的设备。
利用所述微波辅助加热的时间为5-45分钟。
所述密封容器可以选择耐高温的各种容器,例如石英管。
密封容器内的反应体系可以选择在负压状态下进行,因此在利用微波辅助加热之前可以对容器抽真空。优选地,先对容器抽真空至100-1000Pa、之后再密封。
本发明的制备方法选用的有机物可以是聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、蔗糖、葡萄糖、萘及芴中的一种或几种组合。所述有机物质量浓度可以选择1.0%-20%。所述有机物浓度根据催化剂种类不同。
所述催化剂衬底可以为铜箔、镍箔、钴膜及铁膜中的一种或几种。
在石墨烯透明导电膜的制备过程中,有机物薄膜厚度可以为50-400nm。
在本发明的石墨烯透明导电膜的制备方法中,可选地,在催化剂上形成有机物薄膜层之前可以预先对催化剂进行预处理。例如使催化剂薄膜置于H2/Ar气氛炉中,在600-1000℃下保温5-30min。这样,不仅能还原表面被氧化的催化剂,而且能使催化剂的晶粒长大,减小晶界,这对石墨烯的催化生长是非常有利的。
在本发明的石墨烯透明导电膜的制备方法中,为将生长于催化剂表面的石墨烯薄膜转移到目标衬底上得到石墨烯透明导电膜,可以通过在所述生长于催化剂表面的石墨烯薄膜上旋涂保护薄膜,用刻蚀液去除催化剂,再转移到目标衬底上干燥,最后除去保护薄膜,从而得到石墨烯透明导电膜。
可以理解,在石墨烯透明导电膜的制备过程中,可以通过调控反应环境使生长于催化剂或衬底表面的石墨烯为单层到多层。即生长于催化剂表面的石墨烯薄膜的层数可控、单层到多层连续可调。
此外,本发明还提供一种由本发明的制备方法制得的高质量石墨烯透明导电膜。该导电膜缺陷少,导电性好,质量高。
本发明利用微波辅助加热的方法分解有机物产生高活性碳原子,再由活性碳原子在催化剂薄膜基底上重构成石墨烯。本发明可在催化剂薄膜基底上制备高质量的石墨烯透明导电薄膜。与化学气相沉积法得到的石墨烯相比,本发明操作简单,成本低廉,可得到缺陷少、导电性好、质量高的石墨烯。本发明制备得到的石墨烯可在光电器件如铜铟镓硒、碲化镉、染料敏化等太阳能电池,平板显示、超级电容器、场发射材料、锂离子电池等领域中有广阔的应用前景。
附图说明
图1示出本发明制备高质量石墨烯的示意图;
图2示出本发明制备所得的石墨烯薄膜的紫外-可见-近红外吸收光谱图;
图3示出本发明所得石墨烯与传统CVD法制备所得石墨烯的拉曼光谱图;
具体实施方式
以下,参照附图,并结合下述实施方式进一步说明本发明。应理解,附图及具体实施方式或实施例都仅是示例性的,而非用于限制本发明。作为示例,本发明的石墨烯透明导电薄膜的制备过程可以包括以下步骤,并以下步骤中的某个也可以省略或使用能够达到同等效果的其他替代步骤,且每个步骤中的每个特征也不是必须或固定地而不可替换,而只是示例地说明:
1)将催化剂薄膜置于气氛炉中,在600-1000℃下,在H2/Ar混合气(H2含量5-20%)中保温5-30min;
2)取1.0%-20%的有机溶液40-200μL旋涂于厚度为25μm催化剂上。置于80-150℃烘箱内保温0.5-4小时后,在催化剂上得到物厚度约为50-400nm的有机薄膜;
3)将上述有机包覆的催化剂薄膜装入耐高温容器,例如石英管内。抽真空至100-1000Pa时用氢氧火焰将石英管密封,得到的石英管长度约为100-300mm;
4)将装有原料的石英管填埋于碳化硅陶瓷内,外面用多孔耐火砖保温。在5-45min后取出样品,得到生长于催化剂表面的石墨烯薄膜;
5)有4)所得的石墨烯可转移到目标衬底上得到石墨烯透明导电薄膜。
将有机物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚乙二醇(PEG)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、蔗糖、葡萄糖、萘和芴等中的一种或几种组合溶解在有机溶剂或者水中,形成质量浓度为0.1-20%的溶液。有机物浓度根据金属催化剂种类有所不同。将上述有机溶液旋涂于过渡金属铜箔、镍箔、钴箔或铁膜的表面,形成有机物包裹金属催化剂的复合体系。之后,置于80℃干燥箱中除去溶剂,制成有机物和催化剂衬底组成的复合物原料。
将上述原料真空密封于石英管内,石英管内的压力在10-1000Pa。将封装有催化剂/有机物的复合物的石英管填埋于碳化硅粉末或者陶瓷内,置于微波场内(如家用微波炉),利用微波辅助加热得到生长于催化剂衬底的石墨烯。微波频率为2.479GHz,微波功率为400-1000w,时间为5-45分钟。制备时间根据催化剂和有机物的种类有所不同。
为了分离石墨烯薄膜,先在生长于催化剂衬底的石墨烯的表面旋涂一层作为保护薄膜的质量分数为4%的PMMA的苯甲醚溶液,以保护石墨烯薄膜;随后,置于0.1-0.5mol/L的三氯化铁的水溶液中溶解刻蚀催化剂衬底,30-150min后得到石墨烯薄膜,刻蚀时间根据催化剂的厚度有所不同;溶解刻蚀衬底后得到漂浮于溶液之上的石墨烯/PMMA薄膜;用玻璃片将石墨烯/PMMA薄膜转移到去离子水中,除去杂质离子,重复两次确保杂质离子完全除去;将石墨烯/PMMA薄膜转移到目标衬底上,置于80℃的干燥箱内除去水分;之后置于丙酮中以除去PMMA薄膜,得到转移到目标衬底的石墨烯薄膜。上述目标衬底可以为玻璃、石英、电子元件等。
下面进一步以实施例的形式举例说明制备石墨烯透明导电膜的方法并且与对比例比较说明所制备的石墨烯透明导电膜的性能。
实施例1
石墨烯透明导电薄膜的制备方法如下:
将商用的铜箔置于1000℃的管式炉中,在H2/Ar混合气(含H25%)中保温10min。该过程不仅能还原表面被氧化的铜,而且能是铜的晶粒长大,减小晶界,这对石墨烯的催化生长是非常有利的。取4%的PMMA的苯甲醚溶液100μL旋涂(1500rpm的转速,40s)于25μm厚的20×20mm2的Cu箔上。置于120℃烘箱内充分挥发溶剂,30分钟后在Cu箔上得到厚度约为250nm的PMMA薄膜。将上述PMMA包覆的Cu装入尺寸Φ25×2mm的石英管内。抽真空至200Pa时用氢氧火焰将石英管密封,得到的石英管长度约为150mm。将装有原料样品1的石英管2填埋与碳化硅陶瓷3内,如图1所示,确保有样品1的部分能完全置于碳化硅陶瓷3内,外面用多孔耐火砖4保温。之后,整个体系放入频率为2.479GHz、功率为850w家用微波炉内(型号为G80F23N1XL-A1)。10min后取出样品,打开石英管后,得到生长于Cu箔表面的石墨烯。
石墨烯透明导电薄膜的转移方法如下:
先在上述生长于Cu箔表面的石墨烯的表面旋涂一层质量分数为4%的PMMA的苯甲醚溶液,以保护石墨烯薄膜;随后,将上述得到的生长有石墨烯薄膜的Cu箔(20×20mm2)置于0.5mol/L的三氯化铁的水溶液中,溶解刻蚀催化剂衬底,60min后得到漂浮于溶液表面的石墨烯薄膜;用玻璃片将石墨烯/PMMA薄膜转移到去离子水中,除去杂质离子,重复两次确保杂质离子完全除去;将石墨烯/PMMA薄膜转移到玻璃片上,置于80℃的干燥箱内除去水分;之后置于丙酮中浸泡120分钟以充分除去PMMA薄膜,最终得到石墨烯薄膜透明导电薄膜。
石墨烯透明导电薄膜光电特性的表征方法如下:
透光性和导电性是表征石墨烯薄膜的质量和光电特性的重要指标。我们用紫外-可见-近红外吸收光谱来表征石墨烯薄膜的透光性。如图2所示,本发明所得石墨烯薄膜(2020mm2)在波长为550nm的透光性是97.4%,这说明本发明所得石墨烯为单层。
用四探针法来表征石墨烯薄膜的导电率和载流子迁移率。测试结果表明,本发明得到的石墨烯透明导电薄膜的方块电阻为1120Ω·sq-1,载流子迁移率为890cm2v-1s-1,接近于用化学气相沉积法所得石墨烯的最优值(~1200Ω·sq-1)。
用拉曼光谱表征石墨烯的质量。如图3所示,本发明所得石墨烯的2D峰和G峰的强度比~4,2D峰的半峰宽为30cm-1,2D峰位置约为2685cm-1,这些结果都说明所得石墨烯为单层,这与透光性的测试结果是一致的;另外,在拉曼光谱上没有明显的D峰,D峰和G峰的强度比为0.06,说明本发明所得石墨烯的质量很高。
实施例2:
将商用的Ni箔置于1000℃的管式炉中,在H2/Ar混合气(含H25%)中保温10min。该过程不仅能还原表面被氧化的Ni,而且能是Ni的晶粒长大,减小晶界,有利于石墨烯的生长。取4%的PMMA的苯甲醚溶液100μL旋涂(1500rpm的转速,40s)于25μm厚的20×20mm2的Ni箔上。置于120℃烘箱内充分挥发溶剂,30分钟后在Ni箔上得到厚度约为250nm的PMMA薄膜。
将上述PMMA包覆的Ni箔装入尺寸Φ25×2mm的石英管内。抽真空至200Pa时用氢氧火焰将石英管密封,得到的石英管长度约为150mm。将装有原料样品1的石英管2填埋与碳化硅陶瓷3内,如图1所示,确保有样品1的部分能完全置于碳化硅陶瓷3内,外面用多孔耐火砖4保温。之后,整个体系放入频率为2.479GHz、功率为850w家用微波炉内(型号为G80F23N1XL-A1)。15min后取出样品,打开石英管后,得到生长于Ni箔表面的石墨烯。
石墨烯薄膜的转移、表征如实施例1,得到石墨烯透明导电薄膜。
实施例3
将商用的铁箔置于1000℃的管式炉中,在H2/Ar混合气(含H25%)中保温20min。该过程不仅能还原表面被氧化的铁,而且能是铁的晶粒长大,减小晶界,这对石墨烯的催化生长是非常有利的。取4%的PMMA的苯甲醚溶液100μL旋涂(1500rpm的转速,40s)于25μm厚的20×20mm2的铁箔上。置于120℃烘箱内充分挥发溶剂,30分钟后在铁箔上得到厚度约为250nm的PMMA薄膜。将上述PMMA包覆的铁箔装入尺寸Φ25×2mm的石英管内。抽真空至200Pa时用氢氧火焰将石英管密封,得到的石英管长度约为150mm。将装有原料样品1的石英管2填埋与碳化硅陶瓷3内,如图1所示,确保有样品1的部分能完全置于碳化硅陶瓷3内,外面用多孔耐火砖4保温。之后,整个体系放入频率为2.479GHz、功率为850w家用微波炉内(型号为G80F23N1XL-A1)。10min后取出样品,打开石英管后,得到生长于铁箔表面的石墨烯。
石墨烯薄膜的转移、表征如实施例1,得到石墨烯透明导电薄膜。
实施例4
将商用的钴箔置于1000℃的管式炉中,在H2/Ar混合气(含H25%)中保温20min。该过程不仅能还原表面被氧化的钴,而且能是钴的晶粒长大,减小晶界,这对石墨烯的催化生长是非常有利的。取4%的PMMA的苯甲醚溶液100μL旋涂(1500rpm的转速,40s)于25μm厚的20×20mm2的钴箔上。置于120℃烘箱内充分挥发溶剂,30分钟后在钴箔上得到厚度约为250nm的PMMA薄膜。将上述PMMA包覆的铁箔装入尺寸Φ25×2mm的石英管内。抽真空至200Pa时用氢氧火焰将石英管密封,得到的石英管长度约为150mm。将装有原料样品1的石英管2填埋与碳化硅陶瓷3内,如图1所示,确保有样品1的部分能完全置于碳化硅陶瓷3内,外面用多孔耐火砖4保温。之后,整个体系放入频率为2.479GHz、功率为850w家用微波炉内(型号为G80F23N1XL-A1)。10min后取出样品,打开石英管后,得到生长于钴箔表面的石墨烯。
石墨烯薄膜的转移、表征如实施例1,得到石墨烯透明导电薄膜。
实施例5
将商用的铜箔置于1000℃的管式炉中,在H2/Ar混合气(含H25%)中保温10min。该过程不仅能还原表面被氧化的铜,而且能是铜的晶粒长大,减小晶界,这对石墨烯的催化生长是非常有利的。取4%的PVA的乙醇溶液100μL旋涂(1500rpm的转速,40s)于25μm厚的20×20mm2的Cu箔上。置于80℃烘箱内充分挥发溶剂,30分钟后在Cu箔上得到厚度约为250nm的PVA薄膜。将上述PVA包覆的Cu装入尺寸Φ25×2mm的石英管内。抽真空至200Pa时用氢氧火焰将石英管密封,得到的石英管长度约为150mm。将装有原料样品1的石英管2填埋与碳化硅陶瓷3内,如图1所示,确保有样品1的部分能完全置于碳化硅陶瓷3内,外面用多孔耐火砖4保温。之后,整个体系放入频率为2.479GHz、功率为850w家用微波炉内(型号为G80F23N1XL-A1)。15min后取出样品,打开石英管后,得到生长于Cu箔表面的石墨烯。
石墨烯薄膜的转移、表征如实施例1,得到石墨烯透明导电薄膜。
实施例6
将商用的铜箔置于1000℃的管式炉中,在H2/Ar混合气(含H25%)中保温10min。该过程不仅能还原表面被氧化的铜,而且能是铜的晶粒长大,减小晶界,这对石墨烯的催化生长是非常有利的。取15%的蔗糖的乙醇溶液100μL旋涂(1500rpm的转速,40s)于25μm厚的20×20mm2的Cu箔上。置于80℃烘箱内充分挥发溶剂,30分钟后在Cu箔上得到厚度约为250nm的蔗糖。将上述蔗糖包覆的Cu装入尺寸Φ25×2mm的石英管内。抽真空至200Pa时用氢氧火焰将石英管密封,得到的石英管长度约为150mm。将装有原料样品1的石英管2填埋与碳化硅陶瓷3内,如图1所示,确保有样品1的部分能完全置于碳化硅陶瓷3内,外面用多孔耐火砖4保温。之后,整个体系放入频率为2.479GHz、功率为850w家用微波炉内(型号为G80F23N1XL-A1)。20min后取出样品,打开石英管后,得到生长于Cu箔表面的石墨烯。
石墨烯薄膜的转移、表征如实施例1,得到石墨烯透明导电薄膜。
对比例1
为了突出本发明的优越性,我们以传统CVD方法制备石墨烯透明导电薄膜作为对照,具体步骤如下:
将商用的铜箔置于1000℃的管式炉中,在H2/Ar混合气(含H2量为5%)中保温10min。调节Ar和H2流量,其比例达到300∶50标准毫升每分钟(sccm);打开甲烷CH4,其流量为10sccm。反应10min后,停止加热。当温度降低到室温后,取出样品,得到长有石墨烯薄膜的铜箔。
转移及表征方法如同实施例1。
同样的,用拉曼光谱来表征CVD法石墨烯质量。如图3所示,传统CVD方法所得拉曼光谱与本发明得到的石墨烯的基本一致,这说明本方面得到的石墨烯质量可以与传统CVD法相比。但传统CVD法所需设备复杂,高温好能,对制备条件苛刻,所用的H2和CH4易燃易爆等缺点。而本发明所涉及设备只需家用微波炉即可实现石墨烯透明导电薄膜的制备,这充分说明本发明的优越性。
产业应用性:本发明的石墨烯透明导电膜可作为透明电极用于太阳能电池、平板显示器件中。本发明的高质量石墨透明导电膜的制备方法具有操作简单、步骤少、制备成本低优点,可应用于光电器件如铜铟镓硒、碲化镉、染料敏化等太阳能电池,平板显示、超级电容器、场发射材料、锂离子电池等领域中,有广阔的应用前景。
Claims (13)
1.一种高质量石墨烯透明导电膜的制备方法,其特征在于,包括在催化剂上形成有机物薄膜层、之后置于密闭容器内;利用微波辅助加热密闭容器使有机物分解得到生长于催化剂表面的石墨烯薄膜;将所述生长于催化剂表面的石墨烯薄膜转移到目标衬底上得到石墨烯透明导电膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,使用碳化硅陶瓷作为吸微波材料,使密闭容器填埋于碳化硅陶瓷。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,还包括先对容器抽真空至100-1000Pa、之后再密封。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在催化剂上形成有机物薄膜层之前预先使催化剂置于H2/Ar气氛炉中,在600-1000℃下保温5-30min。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述有机物薄膜厚度为50-400nm。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的制备方法,其特征在于,根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述有机物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、蔗糖、葡萄糖、萘及芴中的一种或几种组合。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述有机物质量浓度为1.0%-20%。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的制备方法,其特征在于,所述催化剂为铜箔、镍箔、钴膜及铁膜中的一种或几种组合。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的制备方法,其特征在于,在所述微波辅助加热中,所用的微波源频率为2.479GHz,微波功率为400-1000w。
10.根据权利要求9所述的制备方法,其特征在于,利用所述微波辅助加热的时间为5-45分钟。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的制备方法,其特征在于,所述转移方法包括在所述生长于催化剂表面的石墨烯薄膜上旋涂保护薄膜,用刻蚀液去除催化剂,再转移到目标衬底上干燥,再除去保护薄膜,而得到石墨烯透明导电膜。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的制备方法,其特征在于,生长于催化剂表面的石墨烯薄膜的层数可控。
13.一种由权利要求1至5中任一项所述的制备方法制得的高质量石墨烯透明导电膜。
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