CN112489878B - 一种同步提高二维材料的电导率和透光率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及二维材料的制备领域，具体为一种通过光学增透型掺杂剂薄膜同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，适用于制备不同基体上不同类型的二维材料透明导电薄膜。该方法通过光学增透型掺杂剂薄膜对透明基底上的二维材料进行光电共调制，实现二维材料电导率和透光率的同步提高；在二维材料的上表面形成掺杂剂的光学增透薄膜，对二维材料进行掺杂提高其电导率，同时利用薄膜的减反增透效应提高二维材料的透光率。其中，光学增透型掺杂剂包括无机物或者有机物，掺杂类型为p型或n型。该方法为发展高性能二维材料导电薄膜，实现其在电子和光电子器件中的应用奠定了基础。

Description

一种同步提高二维材料的电导率和透光率的方法
技术领域:
本发明涉及二维材料的制备领域，具体为一种通过光学增透型掺杂剂薄膜同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，适用于制备不同基体上不同类型的二维材料透明导电薄膜。
背景技术:
透明导电薄膜是一种重要的光电材料，广泛应用于液晶显示、有机发光二极管(OLED)、太阳能电池等光电领域。随着电子信息技术的升级换代，传统透明导电薄膜已难以满足不断提高的柔性化、高导电、高透光等要求。因此，开发新型透明导电薄膜对推动光电器件的发展具有重要的科学意义和应用价值。
二维材料在电学、光学、力学等方面展现出优异的综合性能，并且具有优异的柔韧性以及良好的热稳定性和化学稳定性。因此，二维材料为发展高性能透明导电薄膜及光电器件带来了崭新的机遇。然而，大面积二维材料的光电性能与商用氧化铟锡(ITO)相比仍有一定差距。为了满足对透明导电薄膜日益增长的性能要求，发展大幅提升二维材料电导/透光率的方法是该领域的重要研究方向。
对于本征的二维材料，其电导率与透光率遵循反比例制约关系。现有方法虽然可有效改善单一性能，但常导致两者顾此失彼，从而极大限制了二维材料器件性能的提升。例如，采用叠层或复合可大幅提高电导率，但明显降低透光率。另一方面，构建多孔结构可提高透光率，但造成电导率明显降低。因此，亟需发展同步提升二维材料的电导率和透光率的方法。
发明内容:
本发明的目的在于提供一种通过光学增透型掺杂剂薄膜同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，在二维材料的上表面形成掺杂剂的光学增透薄膜，对二维材料进行表面电荷转移掺杂提高其电导率，同时利用薄膜的减反增透效应提高二维材料的透光率。
本发明的技术方案是：
一种同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，通过光学增透型掺杂剂薄膜对透明基底上的二维材料进行光电共调制，实现二维材料电导率和透光率的同步提高；在二维材料的上表面形成掺杂剂的光学增透薄膜后，对二维材料进行掺杂提高其电导率，同时利用薄膜的减反增透效应提高二维材料的透光率。
所述的同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，掺杂剂为无机物、有机物或者两者的组合，包括但不局限于酸、氧化物、氯化物、碱金属的有机物、高分子聚合物之一种或两种以上。
所述的同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，掺杂原理为表面电荷转移，即将掺杂剂与二维材料表面接触后，两者之间产生电荷转移，从而对二维材料进行掺杂；掺杂类型为p型或n型。
所述的同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，二维材料为金属性或半导体性的单质或化合物，结构为单层、少数层或多层，包括但不局限于石墨烯、石墨炔、磷烯、锗烯、硅烯、二维过渡金属硫族化合物、二维过渡金属氧化物、二维过渡金属碳化物之一种。
所述的同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，掺杂剂薄膜具有降低透明基底上二维材料表面反射率的效应，其减反射效应大于其光吸收效应，而且掺杂剂薄膜具有高的透光率，总体效果是提高二维材料的透光率，掺杂剂薄膜的厚度范围为1～1000纳米，掺杂剂薄膜的透光率范围为90～100％。
所述的同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，掺杂剂在二维材料表面形成连续薄膜或者部分连续的薄膜。
所述的同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，掺杂剂薄膜的折射率与二维材料及其透明基底的折射率满足减反射的折射率匹配要求，厚度范围以及最优厚度由上述三者的折射率决定。
所述的同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，采用掺杂剂或者掺杂剂的溶液对二维材料进行掺杂；其中，掺杂剂的溶液摩尔浓度范围为0.1～100mM，溶剂为水、液态小分子有机物或者液态高分子聚合物。
所述的同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，在二维材料表面形成掺杂剂薄膜的方法包括溶液浸泡、提拉、旋涂、喷涂、刮涂、线棒涂布、印刷、辊压涂覆、蒸发沉积、化学气相沉积之一或两种以上的组合。
所述的同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，透明基底材料为刚性或柔性，包括但不局限于玻璃、石英或者柔性透明有机物。
本发明的设计思想是：本发明通过在其表面形成双功能的薄膜，对透明基底上的二维材料进行光电共调制，即同时利用薄膜的电荷转移作用和减反增透作用来实现二维材料电导率和透光率的同步提高。
本发明的特点及有益效果是：
1.本发明突破了现有方法仅利用单一电学或光学调制的局限，采用光学增透掺杂剂对二维材料进行光电共调制，同步其电导率和透光率，具有效果显著而且环境稳定性高的突出特点。
2.本发明为实现高性能二维材料透明导电薄膜在电子、光电子器件中的应用奠定了基础。
具体实施方式:
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例中，采用四五氟苯基硼酸作为二维材料的光学增透型掺杂剂，对单层石墨烯进行掺杂。采用热释放胶带作为转移介质，将化学气相沉积(CVD)生长在铜箔上的单层石墨烯转移到柔性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)表面。将石墨烯/PET浸泡在四五氟苯基硼酸的硝基甲烷溶液中(摩尔浓度20mM)2分钟后，取出吹干，在石墨烯表面形成平均厚度为12纳米的四五氟苯基硼酸的光学增透连续薄膜，完成增透掺杂。掺杂前，石墨烯的平均面电阻为530欧姆/方块，透光率97％；掺杂后，平均面电阻为140欧姆/方块，透光率98.3％，获得了高性能的柔性石墨烯透明导电薄膜。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
本实施例中，采用低浓度的四五氟苯基硼酸的硝基甲烷溶液中(摩尔浓度5mM)，在石墨烯表面形成平均厚度为6纳米的准连续薄膜，完成增透掺杂。掺杂前，石墨烯的平均面电阻为530欧姆/方块，透光率97％；掺杂后，平均面电阻为170欧姆/方块，透光率97.6％。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
本实施例中，采用苯并咪唑与聚甲基丙烯酸甲酯混合物作为光学增透型掺杂剂薄膜。将浓度1wt％苯并咪唑的聚甲基丙烯酸甲酯溶液，旋涂在四层石墨烯/PET的表面(旋涂速度5000rpm)，氮气吹干，在石墨烯表面形成平均厚度为100纳米的四五氟苯基硼酸的光学增透连续薄膜，完成增透掺杂。掺杂前，二维材料的面电阻为510欧姆/方块，透光率97％；掺杂后，平均面电阻为375欧姆/方块，透光率97.5％。
实施例4
本实施例中，采用聚乙烯亚胺作为的光学增透型掺杂剂，对单层二硫化钼进行掺杂。采用玻璃表面的单层二硫化钼薄膜作为初始材料，将浓度1wt％聚乙烯亚胺的水溶液旋涂在二硫化钼/玻璃的表面(旋涂速度2000rpm)，氮气吹干，在二硫化钼表面形成平均厚度为20纳米的聚乙烯亚胺的光学增透连续薄膜，完成增透掺杂。掺杂前，二硫化钼的平均面电阻为20000欧姆/方块，透光率85％；掺杂后，平均面电阻为9000欧姆/方块，透光率86％。
实施例结果表明，通过光学增透型掺杂剂对透明基底上的二维材料进行光电共调制，可实现二维材料电导率和透光率的同步提高：在二维材料的上表面形成掺杂剂的光学增透薄膜，对二维材料进行表面电荷转移掺杂提高其电导率，同时利用掺杂剂薄膜的减反增透效应提高二维材料的透光率。该方法适用于不同基体上各类二维材料的掺杂，具有效果显著而且环境稳定性高的突出特点，从而为实现高性能二维材料透明导电薄膜在电子和光电子器件中的应用奠定了基础。

Claims (8)

1.一种同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，其特征在于，通过光学增透型掺杂剂薄膜对透明基底上的二维材料进行光电共调制，同时利用薄膜的电荷转移作用和减反增透作用来实现二维材料电导率和透光率的同步提高；在二维材料的上表面形成掺杂剂的光学增透薄膜后，对二维材料进行掺杂提高其电导率，同时利用薄膜的减反增透效应提高二维材料的透光率；
掺杂剂薄膜具有降低透明基底上二维材料表面反射率的效应，其减反射效应大于其光吸收效应，而且掺杂剂薄膜具有高的透光率，总体效果是提高二维材料的透光率，掺杂剂薄膜的厚度范围为1～1000纳米，掺杂剂薄膜的透光率范围为90～100％；
掺杂剂薄膜的折射率与二维材料及其透明基底的折射率满足减反射的折射率匹配要求，厚度范围以及最优厚度由上述三者的折射率决定。
2.按照权利要求1所述的同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，其特征在于，掺杂剂为无机物、有机物或者两者的组合，包括但不局限于酸、氧化物、氯化物、碱金属的有机物、高分子聚合物之一种或两种以上。
3.按照权利要求1所述的同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，其特征在于，掺杂原理为表面电荷转移，即将掺杂剂与二维材料表面接触后，两者之间产生电荷转移，从而对二维材料进行掺杂；掺杂类型为p型或n型。
4.按照权利要求1所述的同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，其特征在于，二维材料为金属性或半导体性的单质或化合物，结构为单层、少数层或多层，包括但不局限于石墨烯、石墨炔、磷烯、锗烯、硅烯、二维过渡金属硫族化合物、二维过渡金属氧化物、二维过渡金属碳化物之一种。
5.按照权利要求1所述的同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，其特征在于，掺杂剂在二维材料表面形成连续薄膜或者部分连续的薄膜。
6.按照权利要求1所述的同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，其特征在于，采用掺杂剂或者掺杂剂的溶液对二维材料进行掺杂；其中，掺杂剂的溶液摩尔浓度范围为0.1～100mM，溶剂为水、液态小分子有机物或者液态高分子聚合物。
7.按照权利要求1所述的同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，其特征在于，在二维材料表面形成掺杂剂薄膜的方法包括溶液浸泡、提拉、旋涂、喷涂、刮涂、线棒涂布、印刷、辊压涂覆、蒸发沉积、化学气相沉积之一或两种以上的组合。
8.按照权利要求1所述的同步提高二维材料的电导率和透光率的方法，其特征在于，透明基底材料为刚性或柔性，包括但不局限于玻璃、石英或者柔性透明有机物。
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