CN104183700A - 一种柔性透明导电石墨烯薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种柔性透明导电石墨烯薄膜及其制备方法和应用,该柔性透明导电石墨烯薄膜包括玻璃基板和依次交替叠层设置在玻璃基板上的石墨烯层和金属层,其中,所述金属层设置在两相邻的石墨烯层之间,所述金属层的层数为1~4层;该柔性透明导电石墨烯薄膜具有较高的导电率和透光率,且挠曲性好。该柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法为:先在玻璃基板上制备石墨烯层;然后在石墨烯层上制备金属层;再重复制备石墨烯层和金属层,所述金属层的重复次数为1~4次后,最后制备石墨烯层,制得柔性透明导电石墨烯薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种导电薄膜,具体涉及一种柔性透明导电石墨烯薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
石墨烯是有碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构,具有非常高的比表面积和卓越的力学性能,是已知材料中最薄的一种,而且是最牢固坚硬的一种;石墨烯有着良好的电学性能,在室温下的电子迁移率达到了15000cm2/V.S;石墨烯特殊的二维结构赋予其完美的量子隧道效应以及可弯曲等一系列性质,在光电学器件中有着广泛的应用。
目前制备石墨烯薄膜通常采用化学气相沉积(CVD)和高温氧化成膜等方法,但是,采用化学气相沉积制备的石墨烯薄膜,其导电性能一般,作为OLED或者有机太阳能电池用的电极,希望电极的电阻越低越好,这样才能实现更高的光电转换性能;而高温氧化成膜制备方法中,由于氧化石墨进行还原的过程不充分,使实际获得的石墨烯薄膜,其导电性能与理论值会存在很大的差异。因此提高柔性透明导电石墨烯薄膜的导电率成为目前存在的一个待解决的问题。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供了一种柔性透明导电石墨烯薄膜及其制备方法和应用。本发明提供的柔性透明导电石墨烯薄膜具有较高的导电率和透光率,且挠曲性好,可用于制备太阳能电池器件的电极和有机发光二极管器件的电极;此外,本发明提供的柔性透明导电石墨烯薄膜制备方法工艺简单。
第一方面,本发明提供了一种柔性透明导电石墨烯薄膜,包括玻璃基板和依次交替叠层设置在玻璃基板上的石墨烯层和金属层,其中,所述金属层设置在两相邻的石墨烯层之间,所述金属层的层数为1~4层;所述金属层的材质为银、铝、镍、铂或金,所述玻璃基板的厚度为0.1~2mm,所述金属层的厚度为5~15nm,所述墨烯层的厚度为20~200nm。
所述柔性透明导电石墨烯薄膜包括玻璃基板和依次交替叠层设置在玻璃基板上的石墨烯层和金属层,其中,所述石墨烯层和金属层为交替叠层设置,与单层石墨烯层相比,夹有金属层的石墨烯层除了拥有石墨烯本身耐弯曲的优点,还具有更高的导电性能,此外,由于金属层的厚度较薄,不会影响石墨烯层优良的透光性能;因此,本发明提供的柔性透明导电石墨烯薄膜具有较高的导电率和透光率,且挠曲性好。
第二方面,本发明提供了一种柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法,包括如下步骤:
S10、取洁净玻璃基板置于气相沉积室中,通入气态碳源,在600~1000℃下,在所述玻璃基板上制备石墨烯层,得到具有石墨烯层的玻璃基板;
S20、将S10所得玻璃基板置于真空度为1.0×10-5~1.0×10-3Pa的镀室中,再在所述石墨烯层上蒸镀金属层,得到具有石墨烯层和金属层的玻璃基板,所述金属层的材质为银、铝、镍、铂或金;
S30、将具有石墨烯层和金属层的玻璃基板置于气相沉积室中,通入气态碳源,于600~1000℃下,在所述金属层上制备石墨烯层;
S40、依次交替层叠制备金属层和石墨烯层,使所述金属层的层数为1~4层,所述金属层设置在两相邻的石墨烯层之间,得到柔性透明导电石墨烯薄膜。
优选地,所述气相沉积室中的压强设置为1.0×10~1.0×103Pa,所述通入气态碳源的压强设置为1.0×10~1.0×103Pa。
优选地,所述碳源为甲烷、乙烷和丙烷中的一种或多种。
优选地,所述玻璃基板的厚度为0.1~2mm
优选地,所述石墨烯层的厚度为20~200nm。
具体地,所述穿插了金属层的石墨烯层中,各石墨烯层的厚度可以相同或不同。
优选地,所述金属层的厚度为5~15nm。
优选地,所述步骤S20中,所述金属层采用热阻蒸镀的方法制备,所述热阻蒸镀的过程中,蒸镀速度为0.1~0.5nm/s。
优选地,所述步骤S20中,所述金属层采用电子束蒸镀的方法制备,所述电子束蒸镀的过程中,蒸镀速度为0.01~0.2nm/s,能量密度为10~l00W/cm2。
本发明提供的柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法制得的石墨烯层中间穿插了金属层,相比单一的石墨烯层,夹有金属层得石墨烯层由于金属的高导电性能而拥有更高的导电能力,此外,由于制备的金属层厚度较薄,不会影响石墨烯层优良的透光性能。
第三方面,本发明提供了如第一方面所述的柔性导电石墨烯薄膜在太阳能电池器件或有机发光二极管器件中的应用。
优选地,所述柔性透明导电石墨烯薄膜适用于制备太阳能电池器件的电极。
优选地,所述柔性透明导电石墨烯薄膜适用于制备有机发光二极管(OLED)电器的电极,尤其适用于制备顶发射的OLED器件的电极。
本发明提供了一种柔性透明导电石墨烯薄膜及其制备方法和应用,其有益效果为:
(1)本发明提供的柔性透明导电石墨烯薄膜包括玻璃基板和依次交替叠层设置在玻璃基板上的石墨烯层和金属层,其中,所述石墨烯层和金属层为交替叠层设置,与单层石墨烯层相比,夹有金属层的石墨烯层除了拥有石墨烯本身耐弯曲的优点,还具有更高的导电性能,此外,由于金属层的厚度较薄,不会影响石墨烯层优良的透光性能;因此,本发明提供的柔性透明导电石墨烯薄膜具有较高的导电率和透光率,且挠曲性好。
(2)本发明提供的柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法在玻璃基板上交替重复制备石墨烯层和金属层,工艺简单;
(3)本发明提供的柔性透明导电石墨烯薄膜,能用于制备太阳能电池器件的电极,还适用于制备OLED器件的电极,尤其适用于制备顶发射的OLED器件。
附图说明
图1是本发明实施例6制得的太阳能电池器件的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)取厚度为0.1mm的洁净玻璃基板置于气相沉积室中,通入600Pa的氢气,升温至800℃,然后通入500Pa的丁烷气体,在所述玻璃基板上沉积石墨烯层,石墨烯层的厚度为200nm,得到具有石墨烯层的玻璃基板;
(2)将具有石墨烯层的玻璃基板置于真空度为10-4Pa的真空镀膜室中,采用电子束蒸发在石墨烯层上制备镍层,电子束能量为100W/cm2,蒸发速度为0.2nm/s,镍层的厚度为15nm;得到柔性透明导电石墨烯薄膜P1,P1的结构为玻璃基板/石墨烯(200nm)/镍(15nm)/石墨烯(100nm)。
实施例2
一种柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)取厚度为2mm的洁净玻璃基板置于气相沉积室中,通入1000Pa的氢气,升温至1000℃,然后通入1000Pa的乙烷气体,在所述玻璃基板上沉积石墨烯层,石墨烯层的厚度为200nm,得到具有石墨烯层的玻璃基板;
(2)将具有石墨烯层的玻璃基板置于真空度为10-5Pa的真空镀膜室中,采用热阻蒸发在石墨烯层上制备金层,蒸发速度为0.5nm/s,金层的厚度为15nm;
(3)按步骤(1)和(2)所述方法重复制备石墨烯层和金层,使金层的层数为2层,制得柔性透明导电石墨烯薄膜P2,P2的结构为玻璃基板/石墨烯(200nm)/金(15nm)/石墨烯(200nm)/金(15nm)/石墨烯(200nm)。
实施例3
一种柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)取厚度为1mm的洁净玻璃基板置于气相沉积室中,通入500Pa的氢气,升温至800℃,然后通入500Pa的丙烷气体,在所述玻璃基板上沉积石墨烯层,石墨烯层的厚度为100nm,得到具有石墨烯层的玻璃基板;
(2)将具有石墨烯层的玻璃基板置于真空度为10-4Pa的真空镀膜室中,采用电子束蒸发在石墨烯层上制备铂层,电子束能量为10W/cm2,蒸发速度为0.01nm/s,铂层的厚度为10nm;
(3)按步骤(1)和(2)所述方法重复制备石墨烯层和铂层,使铂层的层数为3层,制得柔性透明导电石墨烯薄膜P3,P3的结构为玻璃基板/石墨烯(100nm)/铂(10nm)/石墨烯(100nm)/铂(10nm)/石墨烯(100nm)/铂(10nm)/石墨烯(100nm)。
实施例4
一种柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)取厚度为0.5mm洁净玻璃基板置于气相沉积室中,通入10Pa的氢气,升温至600℃,然后通入10Pa的甲烷气体,在所述玻璃基板上沉积石墨烯层,石墨烯层的厚度为20nm,得到具有石墨烯层的玻璃基板;
(2)将具有石墨烯层的玻璃基板置于真空镀膜室中,采用热阻蒸发在石墨烯层上制备金属铝层,蒸发速度为0.1nm/s,铝层的厚度为5nm;
(3)按步骤(1)和(2)所述方法重复制备石墨烯层和铝层,使铝层的层数为4层,制得柔性透明导电石墨烯薄膜P4,P4的结构为玻璃基板/石墨烯(20nm)/铝(5nm)/石墨烯(20nm)/铝(5nm)/石墨烯(20nm)/铝(5nm)/石墨烯(20nm)/铝(5nm)/石墨烯(20nm)。
实施例5
一种柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法,包括如下步骤:
取厚度为0.2mm的洁净玻璃基板置于气相沉积室中,通入100Pa的氢气,升温至1000℃,然后通入600Pa的戊烷气体,在所述玻璃基板上沉积石墨烯层,石墨烯层的厚度为50nm;
(2)将具有石墨烯层的玻璃基板置于真空度为10-4Pa的真空镀膜室中,采用热阻蒸发在石墨烯层上制备银层,蒸发速度为0.2nm/s,银层的厚度为5nm;
(3)按步骤(1)和(2)所述方法重复制备石墨烯层和银层,使银层的层数为3层,其中,银层的厚度分别为5nm、10nm和15nm,制得柔性透明导电石墨烯薄膜P5,P5的结构为玻璃基板/石墨烯(200nm)/银(15nm)/石墨烯(150nm)/银(10nm)/石墨烯(100nm)/银(5nm)/石墨烯(50nm)。
为有效证明本发明提供的柔性透明导电石墨烯薄膜及其制备方法的有益效果,本发明还提供了上述实施例1至5制得的柔性透明导电石墨烯薄膜的性能数据,包括柔性透明导电石墨烯薄膜在380~780nm的透光率及其表面的方块电阻;此外,本发明还提供了对比例在380~780nm的透光率及其表面的方块电阻,进一步说明本发明的有益效果,
本发明提供的对比试验如下:
取厚度为0.1mm的洁净玻璃基板置于气相沉积室中,通入10Pa的氢气,升温至600℃,然后通入10Pa的甲烷气体,在所述玻璃基板上沉积石墨烯层,石墨烯层的厚度为100nm;制得对比例柔性透明导电石墨烯薄膜C1,该柔性透明导电石墨烯薄膜C1包括玻璃基板和附着在玻璃基板上的石墨烯层,但不含铝层;C1的机构为玻璃基板/石墨烯(100nm)。
表1是本发明提供的实施例1~5制备的柔性透明导电石墨烯薄膜P1~P5和对比例制备的柔性透明导电石墨烯薄膜C1的性能数据对比,包括范围在380-780nm之间的透过率以及表面的方块电阻。
表1.P1~P5和C1在不同弯曲次数后的表面方块电阻
透过率 | 方块电阻Ω/□ | |
实施例1(P1) | 72.6% | 48.9 |
实施例2(P2) | 75.3% | 45.6 |
实施例3(P3) | 76.3% | 55.4 |
实施例4(P4) | 77.2% | 68.2 |
实施例5(P5) | 75.8% | 74.6 |
对比例(C1) | 77.5% | 123.5 |
从表中的数据可以看出,本发明提供的柔性透明导电石墨烯薄膜P1~P5,在石墨烯层之间插入金属层后,对石墨烯薄膜的透过率并没有产生负面影响,例如P4插入4层铝层后,其透过率仍然达到了77.2%,而对比例C1的透过率则为77.5%,变化并不明显。而其余实施例的透过率均达到了72%以上,可以满足光电器件对透过率的要求。
从表面方块电阻来看,本发明提供的柔性透明导电石墨烯薄膜,由于在石墨烯薄膜中插入了导电金属层,进一步提高了石墨烯层的导电性,因此实施例1~5均获得了较低的薄膜方块电阻,最低为P2,达到了45.6Ω/□,而对比例C1达到了123.5Ω/□,而相比P4的68.2Ω/□,只有对比例C1电阻的一半,显然穿插金属层后,柔性透明导电石墨烯薄膜的电阻得到了大幅降低。
实施例6
本实施例以本发明实施例1提供的柔性透明导电石墨烯薄膜P1为阳极导电基板,制备一种太阳能电池器件,该太阳能电池器件包括依次叠层设置的阳极导电基板,辅助层,活性层和阴极层,其中,阳极导电基板包括基底层和导电层,所述基底层包括聚酰亚胺层与环己酮层,所述导电层为石墨烯层。
具体制备过程为:以柔性透明导电石墨烯薄膜P1为阳极导电基板,在所述阳极导电基板的表面涂覆制备辅助层,所述辅助层的材质为聚3,4-二氧乙烯噻吩(PEDOT)和聚苯磺酸盐(PSS)的混合物,其中PEDOT与PSS的质量比为3:1,所述辅助层的厚度为60nm;然后采用旋涂技术在所述辅助层上制备活性层,所述活性层的材质为P3HT和PC61BM的混合物,其中P3HT与PC61BM的质量比为1:2,所述活性层的厚度为100nm,通过真空蒸镀技术在所述活性层上制备阴极层,所述阴极层的材质为Ag,厚度为100nm,得到太阳能电池器件。
图1是本发明实施例4制备的太阳能电池器件的结构示意图。如图1所示,该太阳能电池器件包括依次叠层设置的阳极导电基板1,辅助层2,活性层3和阴极4,其中,阳极导电基板1为本发明实施例1提供的柔性透明导电石墨烯薄膜P1,包括玻璃基板11、石墨烯层12、镍层13和石墨烯层14。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种柔性透明导电石墨烯薄膜,包括玻璃基板和依次交替叠层设置在玻璃基板上的石墨烯层和金属层,其中,所述金属层设置在两相邻的石墨烯层之间,所述金属层的层数为1~4层;
所述玻璃基板的厚度为0.1~2mm,所述金属层的材质为银、铝、镍、铂或金,所述金属层的厚度为5~15nm,所述墨烯层的厚度为20~200nm。
2.一种柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
S10、取洁净玻璃基板置于气相沉积室中,通入气态碳源,在600~1000℃下,在所述玻璃基板上制备石墨烯层,得到具有石墨烯层的玻璃基板;
S20、将S10所得玻璃基板置于真空度为1.0×10-5~1.0×10-3Pa的镀室中,再在所述石墨烯层上蒸镀金属层,得到具有石墨烯层和金属层的玻璃基板,所述金属层的材质为银、铝、镍、铂或金;
S30、将具有石墨烯层和金属层的玻璃基板置于气相沉积室中,通入气态碳源,于600~1000℃下,在所述金属层上制备石墨烯层;
S40、依次交替层叠制备金属层和石墨烯层,使所述金属层的层数为1~4层,所述金属层设置在两相邻的石墨烯层之间,得到柔性透明导电石墨烯薄膜。
3.如权利要求2所述的柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法,其特征在于,所述气相沉积室中的压强设置为1.0×10~1.0×103Pa,所述通入气态碳源的压强设置为1.0×10~1.0×103Pa。
4.如权利要求2所述的柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法,其特征在于,所述碳源为甲烷、乙烷和丙烷中的一种或多种。
5.如权利要求2所述的柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法,其特征在于, 所述玻璃基板的厚度为0.1~2mm。
6.如权利要求2所述的柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法,其特征在于,所述石墨烯层的厚度为20~200nm。
7.如权利要求2所述的柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法,其特征在于,所述金属层的厚度为5~15nm。
8.如权利要求2所述的柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法,其特征在于,所述步骤S20中,所述金属层采用热阻蒸镀的方法制备,所述热阻蒸镀的过程中,蒸镀速度为0.1~0.5nm/s。
9.如权利要求2所述的柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法,其特征在于,所述步骤S20中,所述金属层采用电子束蒸镀的方法制备,所述电子束蒸镀的过程中,蒸镀速度为0.01~0.2nm/s,能量密度为10~l00W/cm2。
10.如权利要求1所述柔性导电石墨烯薄膜在制备太阳能电池器件或有机发光二极管器件中的应用。
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