CN102682918A - 透明电极的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是有关于一种透明电极的制造方法，包括：(A)提供一不溶碳基材，其具有一第一表面；(B)形成一碳溶剂层于该基材上的该第一表面上；(C)提供一碳源；以及(D)形成多个石墨烯层于该碳溶剂层上；其中，该石墨烯层的厚度是由该碳溶剂层所控制，该碳源是由一含碳气体所供应，是用以控制该多个石墨烯层的生长速率。

Description

透明电极的制造方法
技术领域
本发明是关于一种透明电极的制造方法，尤指一种以石墨烯制造的透明电极的方法，能制造出一具有高导电率、高透明度的石墨烯透明电极。
背景技术
荷籍学者海姆(Andre Geim)与英籍诺沃谢洛夫(KonstantinNovoselov)，因发现世界上最薄的材料石墨烯(graphene)，而成为2010年诺贝尔物理奖得主。
石墨烯的应用范围极为广泛，诸如IC的电路(取代铜线)，透明电极(取代ITO)，锂离子电池(取代阳极)，超级电容(取代储电的石墨)，超级轮胎(取代强化的石墨添济)，生物芯片(取代硅晶)，石墨烯振动膜等等。
而利用石墨烯做成透明电极，是目前石墨烯最热门应用之一。韩国三星公司预计2012年要推出30英寸的石墨烯材料面板。液晶电视、相机屏幕等各种显示器都是透明电极，用石墨烯做成的显示器，特性是软、薄，光容易透出来，所以背光不用太亮。
石墨烯具有比银更好的导电率，而且可弯曲不致破裂，因此为制成透明电极的良好材料。但石墨烯的生长厚度必须控制，使其透光率与导电率可以最佳化以石墨烯为材料而制成的透明电极，目前业界多以氧化铟锡(Indium Tin Oxide)做为透明电极的材料，然而，氧化铟锡为一陶瓷材料，因此易产生裂缝，也无法用于制作可挠性的透明电极。更有甚者，锡为昂贵及稀有的物资，故有制作成本过高的问题。
石墨烯的一个主要制造方法乃是以高温(如1000℃)分解一含碳气体，并以气相沉积法沉积将分解后的含碳气体析出在一金属的表面(例如铜)，含碳气体可为甲烷，氢气，及氩气的混合体。然而由于铜几乎不溶碳，含碳气体分解的碳沉积在铜表面，只能长出一或二层的石墨烯，加上其内的缺陷很多，所以导电率偏低。若将含碳气体以气相沉积法沉积在一可溶金属的表面(如镍、钴、铁、钯、或铂)，因碳的溶解度较大，析出的石墨烯层数可超过百层，甚至万层，以致石墨烯的透明度大为减少，使得光线不易透过，透光率不佳。
再者，石墨烯从高温(1000℃)冷却后，石墨烯几乎不收缩，但其附着的金属收缩率很大(可至1％)，因此附着在金属上的石墨烯会被压缩皱褶，因此，照射在石墨烯的光线会在绉褶处会被吸收而生热。除此之外，石墨烯在金属上的成核方向不同，以致在晶体长大后晶格方向交错使晶界接合处形成极多缺陷，包括插排，五角环，七边形...等，不属于六角环的碳原子都会阻挡光线及降低电流，因此难以制成透明电极。
因此，本领域极需一种以石墨烯透制作明电极的制造方法，并能解决上述诸多缺失的制造方法，以及改善现有石墨烯透制作明电极所存在的缺点，提升石墨烯透制作明电极的经济价值。
发明内容
本发明的主要目的是在提供透明电极的制造方法，尤指一种以石墨烯制造透明电极的制造方法，能制造出一具有高导电率、高透明度、且晶格质量高的石墨烯制造透明电极。
本发明的另一目的是在提供一种如上述的透明电极的制造方法所制造的透明电极结构，是具有高导电率、高透明度、且晶格质量高。
为达成上述目的，本发明的一种透明电极的制造方法，包括：(A)提供一不溶碳基材，其具有一第一表面；(B)形成一碳溶剂层于该基材上的该第一表面上；(C)提供一碳源；以及(D)形成多个石墨烯层于该碳溶剂层上；其中，该石墨烯层的厚度是由该碳溶剂层所控制，该碳源是由一含碳气体所供应。而在步骤(D)之后，还包括步骤(E)提供一基板，具有一第二表面，该基板的该第二表面上形成有一黏着层，以及步骤(F)移除该碳溶剂层。再者，该含碳气体较佳为以间断式供应，以控制该多个石墨烯层的生长速率。
本发明的一种透明电极的制造方法中，步骤(C)中的碳源较佳为一含碳气体，亦可使用其它碳质的来源，例如石墨。亦可使用其它液态碳源或是固态碳源，例如将丙酮稀释于聚甲基丙烯酸酯(PMMA)中，再以旋镀方式涂布于碳溶剂层的表面生成石墨烯层。
本发明的一种透明电极的制造方法中，于步骤(C)或(D)中，还包括通入一反应气体，此一反应气体是用以侵蚀形成碳溶剂层上的多个石墨烯层，以侵蚀石墨烯内缺陷处不稳定的碳原子，增加石墨烯层纯度。而其中，反应气体可为氢气、四氟甲烷或含氟的气体，且是以热丝、微波将反应气体加热形成电浆。
再者，本发明的一种透明电极的制造方法中，于步骤(D)中，还包括掺杂至少一元素于该多个石墨烯层中。而其中，该至少一元素是至少一选自由锂、铍、硼、氟、氮、氧、铝、硅、磷、硫、及氯所组成的群组。如此，可将本发明所制造的石墨烯透明电极更形成为一半导体元件。而该至少一元素的浓度是占该多个石墨烯层总原子数的1/100以下。
此外，为提高晶格质量，使石墨烯层的结晶方向更一致，本发明的一种透明电极的制造方法中，于步骤(C)后，还包括提供一外加磁场，使该这些石墨烯薄层具方向性排列，如此可增加电流于特定方向传递速度。
再者，于步骤(F)中，移除该碳溶剂层是以直接拉离方式，直接将该碳溶剂层拉离，或可以酸液侵蚀的方式，以酸性溶液侵蚀碳溶剂层，该酸液为硫酸、盐酸、王水、或氯酸。上述二种方式皆可适用于本发明中。
根据本发明透明电极的制造方法中，基材是为一不溶碳的材质，其较佳为铜、硅、蓝宝石、氧化硅、二氧化硅、石英、或玻璃。
根据本发明透明电极的制造方法中，碳溶剂层为一金属，其可为镍、钴、铁、钯、铂、或前述金属的合金。再者，该碳溶剂层的厚度可为1nm至1μm之间，较佳为介于10nm至100nm之间。
根据本发明透明电极的制造方法中，含碳气体较佳为甲烷或乙炔。
根据本发明透明电极的制造方法中，于步骤(D)中形成多个石墨烯层的温度条件为400-1000℃。本发明提供一种同时具有高导电率且高透光率的透明电极，若多个石墨烯层的层数过少，会造成导电率不佳的情形，则不适用于导电材料。但若多个石墨烯层的层数过多，会造成透光率不佳的情形，则不适用于透明电极。故本发明所制造的透明电极中，多个石墨烯层的层数为10至500层，如此，其透光率可达80％或以上，且其导电率可达10-3 s/cm或以上。
根据本发明透明电极的制造方法，其中基板为一可挠式基板，例如：玻璃基板或PET基板。
本发明的一种透明电极的制造方法中，该黏着层是为双面胶、或亚克力胶。
本发明亦提供一种依前述方法所制得的透明电极结构，是依本发明的一种透明电极的制造方法而得，其包括：一基板；一黏着层；以及多个石墨烯层。
根据本发明的透明电极结构，其中基板为一可挠式基板，例如为玻璃基板或PET基板。
本发明的一种透明电极的制造方法中，其所制造出的石墨烯透明电极可应用的范围相当广泛。例如发光二极管(LED)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)、薄膜晶体管(TFT)、或太阳电池(Solar Cell)。上述的电子元件中所使用的透明电极多以氧化铟锡透明电极为主，可用本发明的石墨烯透明电极取代之，是因本发明石墨烯透明电极具有高透光率(透光率80％以上)，高导电率(导电率为10-3 s/cm以上)，使用本发明的石墨烯透明电极取代原有的氧化铟锡透明电极可更提高上述电子元件的效能。
本发明透明电极的制造方法中，其所制造出的石墨烯透明电极可应用的范围相当广泛。其可再掺杂至少一元素以制成一半导体元件。此掺杂一元素而制成的半导体元件的范围相当广泛。例如可应用于集成电路(Integrated Circuit)、无线射频辨识电路(RFID Circuit)、传感器、或微机电系统(MEMS)。
附图说明
图1是本发明的一种透明电极的制造方法的流程图。
图2A至图2E是本发的一种透明电极的制造方法的示意图。
图3是本发明的一种透明电极与现有的透明电极的比较图。
主要元件符号说明
21基材        22碳溶剂层
23石墨烯层    24基板
25黏着层      241第二表面
211第一表面   A-F步骤
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟习此技艺的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
首先，请参阅图1，其是本发明透明电极的制造方法流程图，其包括以下步骤：提供一不溶碳基材，其是具有一第一表面(A)；形成一碳溶剂层于该基材上的该第一表面上(B)；提供一碳源(C)；形成多个石墨烯层于该碳溶剂层上(D)；提供一基板，具有一第二表面，该基板的该第二表面上是形成有一黏着层(E)；以及，移除该碳溶剂层(F)。其中，基材是为一不溶碳的材质。本发明的一种透明电极的制造方法中是使用铜为该基材的材质。再者，碳溶剂层是为一溶碳的材质，其可为镍、钴、铁、钯、或铂，本发明的透明电极的制造方法中是使用镍为该碳溶剂层的材质。
于步骤(C)中，碳源是为一含碳气体，亦可使用其它碳质的来源，例如石墨。亦可使用其它液态碳源或是固态碳源，例如将丙酮稀释于聚甲基丙烯酸酯(PMMA)中，再以旋镀方式涂布于碳溶剂层的表面生成石墨烯层。此外，本发明是使用一含碳气体作为碳源，此含碳气体是以间断式供应该碳源，以控制该多个石墨烯层的生长速率。
以下，将详述本发明透明电极的制造方法。
实施例1
有关本实施例的一种透明电极的制造方法中，请参阅图2A至图2E。图2A至图2E是本发的一种透明电极的制造方法的示意图。
请先参阅图2A，首先提供一基材21，是具有一第一表面211，接着，请参阅图2B，形成一碳溶剂层22于基材21上该第一表面211上，形成碳溶剂层22的方法为化学气相沉积法，接着，如图2C所，提供一碳源(图中未示)，碳源是为一含碳气体，并加热此含碳气体以形成多个石墨烯层23于碳溶剂层22上。
于本实施例的一种透明电极的制造方法中，上述的基材并无限制使用本实施例所用的以铜为材质的基材，基材的材质亦可为铜、硅、蓝宝石、氧化硅、二氧化硅、石英、或玻璃。
再者，如图2D所示，提供一基板24，具有一第二表面241，该基板24的该第二表面241上形成有一黏着层25，并将黏着层25黏着于多个石墨烯层23上，再者，移除碳溶剂层22使碳溶剂层22脱离多个石墨烯层23，如此一来，与碳溶剂层22相接触的基材21亦一并脱离多个石墨烯层23。最后即形成具有如图2E所示的石墨烯透明电极的结构，由下至上分别为基板24、黏着层25、及多个石墨烯层23。此外，根据本实施例，含碳气体是以间断式的方式供应，以控制该多个石墨烯层的生长速率。
其中，上述的含碳气体较佳可为甲烷或乙炔。再者，加热含碳气体以形成多个石墨烯层的温度条件为400-1000℃。
再者，于上述的透明电极的制造方法中，基材是为一不溶碳的材质，在本实施例中使用铜作为基材。而碳溶剂层只要为一可溶碳的材质皆可，例如可为镍、钴、铁、钯、或铂，本实施例使用镍作为碳溶剂层。
此外，于本实施例的一种透明电极的制造方法中，还包括通入一反应气体，此一反应气体是用以侵蚀形成碳溶剂层上的多个石墨烯层，以侵蚀石墨烯内缺陷处不稳定的碳原子，增加石墨烯层纯度。而其中，反应气体可为氢气、四氟甲烷或含氟的气体，且是以热丝、微波将反应气体加热形成电浆。
再者，上述的本实施例的一种透明电极的制造方法中，可于多个石墨烯层中掺杂至少一元素于其中，该至少一元素是至少一选自由锂、铍、硼、氟、氮、氧、铝、硅、磷、硫、及氯所组成的群组。如此，可将本发明所制造的石墨烯形成一半导体元件。而该至少一元素的浓度是占该多个石墨烯层总原子数的1/100以下。
此外，为提高晶格质量，使石墨烯层的结晶方向更一致，本实施例的一种透明电极的制造方法中，在加热含碳气体于碳溶剂层上形成多个石墨烯层后，可提供一外加磁场，利用外加的磁场使该这些石墨烯薄层具方向性排列，如此可使增加电流于特定方向上的传递速度。
再者，移除碳溶剂层的方式是以直接拉离方式，直接将该碳溶剂层拉离，或可以酸液侵蚀的方式，以酸性溶液侵蚀碳溶剂层，该酸液是可为硫酸、盐酸、王水、或氯酸。上述二种方式皆可适用于本发明中。
再者，本实施例的一种透明电极的制造方法中，形成碳溶剂层的方法是可为蒸镀沉积法(Evaporation Deposition)、溅镀涂布法(SputteringCoating)、或离子镀法(Ion Plating)。此外，碳溶剂层并无限制使用本实施例所用的以镍为材质的碳溶剂层，碳溶剂层的材质亦可为钴、或镍钴金属的合金，碳溶剂层的厚度为1nm至1μm之间。。此一碳溶剂层的厚度是控制本实施例所生成的多个石墨烯层的层数为10至500层之间。
此外，本实施例的一种透明电极的制造方法中所制造出的石墨烯透明电极，不仅具有良好的透光率，亦具备良好的导电率。其透光率可达80％或以上，而其导电率可达10-3 s/cm或以上。
再者，本实施例的一种透明电极的制造方法中，基板为一可挠式基板，例如一玻璃基板或一PET基板。此外，黏着层是为双面胶、或亚克力胶。
因此，根据本实施例提供一种石墨烯透明电极结构，是依上述实施例的透明电极的制造方法而得，其包括：一基板；一黏着层；以及多个石墨烯层。其中基板为一可挠式基板，例如一玻璃基板或一PET基板；以及黏着层是为双面胶、或亚克力胶。
再者，根据本实施例所制得的石墨烯透明电极结构，其多个石墨烯层的层数为10至500层，形成的层数并不会过多以致多个石墨烯层过厚而透光率不佳的情形，所以，其具有良好的透光率，其透光率可达80％或以上。再者，本实施例所制得的石墨烯透明电极结构，其亦具备良好的导电率，导电率可达10-3 s/cm或以上。
此外，本实施例所制得的石墨烯透明电极结构可应用的范围相当广泛。例如发光二极管(LED)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)、薄膜晶体管(TFT)、或太阳电池(Solar Cell)。上述的电子元件中所使用的透明电极多以氧化铟锡透明电极为主，可用本实施例所制得的石墨烯透明电极结构取代之，是因本实施例所制得的石墨烯透明电极结构具有高透光率(透光率80％以上)，高导电率(导电率为10-3 s/cm以上)，使用本实施例所制得的石墨烯透明电极结构取代原有的氧化铟锡透明电极可更提高上述电子元件的效能。
再者，本实施例所制得的石墨烯透明电极结构，其可再掺杂一元素以制成一半导体元件，可加扩展其应用的范围。本实施例所制得的石墨烯透明电极结构在掺杂一元素而制成的半导体元件后，再可应用于集成电路(Integrated Circuit)、无线射频辨识电路(RFID Circuit)、传感器、或微机电系统(MEMS)。
测试例
请参阅图3，如图3所示，其横轴是为透光率，其纵轴是为导电率，透光率越高是代表光线越容易穿透，导电率越高是代表电阻值越低。
再者，曲线A是以本发明的所制得的石墨烯透明电极的透光率与导电率的特性曲线。曲线B是以现有的制法所制得的石墨烯透明电极的透光率与导电率的特性曲线。曲线C是铜薄膜所制得的透明电极的透光率与导电率的特性曲线。从图3可看出，本发明的石墨烯透明电极不论透光率或导电性皆优于现有的透明电极。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以权利要求所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (34)

1.一种透明电极的制造方法，其特征在于，包括：
(A)提供一不溶碳基材，其具有一第一表面；
(B)形成一碳溶剂层于该基材上的该第一表面上；
(C)提供一碳源；以及
(D)形成多个石墨烯层于该碳溶剂层上；
其中，该石墨烯层的厚度是由该碳溶剂层所控制，该碳源是由一含碳气体所供应，是用以控制该多个石墨烯层的生长速率。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，于步骤(D)后还包括步骤(E)提供一基板，具有一第二表面，该基板的该第二表面上形成有一黏着层，以及步骤(F)移除该碳溶剂层。
3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该含碳气体是以间断式供应。
4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，于步骤(C)或(D)中，还包括通入一反应气体。
5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，该反应气体为氢气、氧气、四氟甲烷含氟的气体。
6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，于步骤(D)后，还包括掺杂至少一元素于该多个石墨烯层中。
7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，该至少一元素是至少一选自由锂、铍、硼、氟、氮、氧、铝、硅、磷、硫、及氯所组成的群组。
8.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，掺杂该至少一元素的浓度是占该多个石墨烯层总原子数的1/100以下。
9.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，还包括有提供一外加磁场，以调整形成该多个石墨烯层的晶格方向。
10.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，移除该碳溶剂层是以直接拉离或酸液侵蚀的方式，该酸液为硫酸、盐酸、王水、或氯酸。
11.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该基材为铜、硅、蓝宝石、氧化硅、二氧化硅、石英、或玻璃。
12.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该碳溶剂层为一金属。
13.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，于该碳溶剂层的厚度为1nm至1μm之间。
14.如权利要求12所述的制造方法，其特征在于，该金属为镍、钴、铁、钯、铂、或前述金属的合金。
15.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该含碳气体为甲烷或乙炔。
16.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，于该步骤(D)中形成该多个石墨烯层的温度条件为400-1000℃。
17.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该多个石墨烯层的层数为10至500层。
18.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该多个石墨烯层的透光率为80％或以上。
19.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该多个石墨烯层的导电率为10-3s/cm或以上。
20.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该基板为一可挠式基板。
21.如权利要求20所述的制造方法，其特征在于，该可挠式基板是为玻璃基板或PET基板。
22.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该黏着层为双面胶、或亚克力胶。
23.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该碳源为一含碳气体或石墨。
24.一种透明电极结构，是依权利要求1至23任一项所述的制造方法而得，其特征在于包括：
一基板；
一黏着层；以及
多个石墨烯层；
其中，该黏着层是位于该基板与该多个石墨烯层之间。
25.如权利要求24所述的透明电极结构，其特征在于，该多个石墨烯层的层数为10至500层。
26.如权利要求24所述的透明电极结构，其特征在于，该多个石墨烯层的透光率为80％或以上。
27.如权利要求24所述的透明电极结构，其特征在于，该多个石墨烯层的导电率为10-3s/cm或以上。
28.如权利要求24所述的透明电极结构，其特征在于，该基板为一可挠式基板。
29.如权利要求28所述的透明电极结构，其特征在于，该可挠式基板为玻璃基板或PET基板。
30.如权利要求24所述的透明电极结构，其特征在于，该黏着层是为双面胶、或亚克力胶。
31.一种电子元件用的透明电极，其是依权利要求1至22任一项所述的制造方法而得。
32.如权利要求31所述的电子元件用的透明电极，其特征在于，该电子元件为发光二极管(LED)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)、薄膜晶体管(TFT)、或太阳电池(Solar Cell)。
33.一种用于电子装置的半导体元件，其是依权利要求1至23任一项所述的制造方法而得。
34.如权利要求33所述的用于电子装置的半导体元件，其特征在于，该电子装置是为集成电路(Integrated Circuit)、无线射频辨识电路(RFIDCircuit)、传感器、或微机电系统(MEMS)。
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