CN114296577A - 一种降低石墨烯层内电阻率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于纳米人工复合物技术领域,针对现有方法制备得到的石墨烯仍然具有很高的电阻等问题,本发明公开了一种降低石墨烯层内电阻率的方法。该方法通过范德华堆垛技术构建了六方氮化硼、CrOCl和单层石墨烯的范德瓦尔斯异质结,由于CrOCl和单层石墨烯之间的层间“界面耦合”效应,在室温下即可获得比在硅晶元表面或者六方氮化硼表面电阻率小一个数量级的石墨烯样品。该方法工艺简单,利用层间耦合这一新颖效应,可以非常简单地获得超高电导率的单层石墨烯,为未来研制超薄轻量化,低电阻触摸屏提供了更优异的材料选择。

Description

一种降低石墨烯层内电阻率的方法
技术领域
本发明属于纳米人工复合物、纳米材料异质结构的制备及微纳米器件、传感器等应用研究领域,具体为一种降低石墨烯层内电阻率的方法。
背景技术
在屏幕上通过触摸的方式来进行操控已经成为人机交互的常态,触摸屏也成为了现代电子产品的标准配件。触摸屏多用于工业控制,移动通信产品,自动化控制,多媒体办公等领域,其年产量持续增长。透明电极是触摸屏核心部件,因此透明电极的研制和迭代也是电子产品领域重要的研究对象。
市场上主要的透明电极材料是氧化铟锡(ITO),它是一种导电氧化物薄膜,随着人们对电子产品的续航,柔性屏幕和色域等的要求越来越高,透明电极领域也面对着越来越严峻的挑战,ITO作为透明电极的主要材料,也面临着即将进入瓶颈期的危险。现在的研究表明ITO的缺陷主要有以下几点:
1、在可见光波段对光的吸收是不均匀的,表现出的光是偏黄的,对色彩的表现有欠缺。
2、ITO导电率较差,且厚度较厚,不符合电子产品低功耗的趋势。
3、ITO材料很脆,需要在制备过程容易损坏,需要加以硬质保护层,不符合触控屏柔性化的趋势。
4、ITO化学性质不稳定,散热性能较差,在高亮度屏幕上工作长时间时,会加速它的老化。
5、ITO材料是有一定毒性的,同时铟也是一种稀散金属,生产ITO所用的铟占全球消费量的70%,储量少且提纯难度大,面对节能环保和可持续发展的要求,如何寻找更优良的透明导电材料就是现在的一大难题。
为了解决现有材料中所存在的问题,本发明的目的在于提供一种透光率高、导电性好且灵敏度高的导电材料。
石墨烯的高透光率(在较宽的波长范围内每层只吸收大约2.3%的光),载流子高迁移率,高热导率(600-3500W/mK),环保的纯碳元素构成,强韧可弯曲 (理论杨氏模量达1.0TPa,固有的拉伸强度为130GPa),使得用石墨烯作为导电层,可以使触摸屏具有更高的灵敏度、更低的功耗、更好的色彩表现、更好的柔性和环境友好的特点。现有得到高迁移率的石墨烯是通过干法(专利号: WO2015021479A1)或湿法(专利号:WO2012088334A1)转印得到在h-BN基底上的石墨烯,本发明在此基础上更进一步,得到的单层石墨烯电阻率可以再低一个数量级,可以构建更低功耗的石墨烯透明电路。
发明内容
针对上述问题本发明提供了一种降低石墨烯层内电阻率的方法,该方法未见报导。本发明突破了单层石墨烯在硅片和六方氮化硼基底上的电阻率极限,能够将单层石墨烯的电阻率降低一个数量级。能够用于低电阻触摸屏及其他需要超薄低电阻柔性应用的场景。
为了达到上述目的,本发明采用了下列技术方案:
本发明提供一种降低石墨烯层内电阻率的方法,所述降低石墨烯层内电阻率的方法是通过形成单层石墨烯/CrOCl异质结构实现的。单层石墨烯和CrOCl 的界面“电荷转移”效应,使得单层石墨烯的电阻率比在硅片表面或者六方氮化硼表面小一个数量级以上。
进一步,所述单层石墨烯/CrOCl异质结构是将六方氮化硼、单层石墨烯、 CrOCl通过人工堆垛的方式得到的。
进一步,所述单层石墨烯/CrOCl异质结构的单层石墨烯和CrOCl是以范德华力相互作用耦合在一起的。
进一步,所述CrOCl的厚度选取为单层-1μm;CrOCl和单层石墨烯均为层状材料,是通过机械剥离法,从相应块体上解理到表面氧化的硅片上得到的。
进一步,所述六方氮化硼为封装层,用于封装单层石墨烯和CrOCl,属于层状材料,厚度范围在20-50nm。该材料是绝缘体,且透光率高。
进一步,所述CrOCl块体材料是通过化学气象沉积方法获得的。
进一步,形成所述异质结构放置的基底是表面有SiO2氧化层的硅晶片、石英片或蓝宝石片。
与现有技术相比本发明具有以下优点:
1、与现有通过干法转印得到的h-BN夹持单层石墨烯的电阻相比,通过本发明方法制备得到的CrOCl/h-BN夹持单层石墨烯的电阻降低了将近一个数量级,突破了单层石墨烯在硅片和六方氮化硼基底上的电阻率极限。可用于制备高导电性、高透明、柔性的电极以及色域更广、更轻薄、功耗更低的柔性触摸屏。
2、本发明方法操作简单,利用层间“电荷转移”这一新颖效应,能够显著提高单层石墨烯电导率,为未来超薄轻量化,低电阻触摸屏提供了新的材料选择。
3、本发明能够以简单的方法制备电阻率超低的单层石墨烯片。
附图说明
图1为单层石墨烯/CrOCl异质结构的制备流程图。
图2是实施例2样品的实例图。图中,a为六方氮化硼/单层石墨烯/CrOCl 的人工堆垛样品,虚线为单层石墨烯的轮廓;b为对样品做电子束曝光、化学反应离子刻蚀、热蒸镀或电子束蒸发后得到的可电学测试器件。
图3是六方氮化硼(h-BN)夹持和CrOCl/h-BN夹持下的单层石墨烯示意图
及其在室温下的场效应曲线。a为室温下两种结构的单层石墨烯场效应曲线;b
为六方氮化硼(h-BN)夹持单层石墨烯的器件示意图;c为CrOCl/h-BN夹持单层石墨烯的器件示意图。
图4为实施例3异质结构的光学显微镜照片。其中a和b分别为蓝宝石衬底上石墨烯/CrOCl异质结构的100倍和10倍光学显微镜照片。
具体实施方式
下面结合本发明实施例和附图,对本发明实施例中的技术方案进行具体、详细的说明。应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干变型和改进,这些也应视为属于本发明的保护范围。
实施例1
单层石墨烯/CrOCl异质结构的制备,如图1所示:
(1)使用粘性聚合物将六方氮化硼转移至其表面;
(2)使用粘附在粘性聚合物表面的六方氮化硼抬起一块单层石墨烯;
(3)将表面粘有单层石墨烯/六方氮化硼异质结构的粘性聚合物置于温度为 120℃的基底上,使堆垛结构融留在基底表面的薄层CrOCl上;
(4)将融留在基底表面的聚合物全部挥发,完成单层石墨烯/CrOCl异质结构的制备。
所述步骤(1)中粘性聚合物为三层结构,由柔性、固态的透明聚合物以及在较低温度下呈固态且具有粘性,但加热之后易融化成液态的聚合物构成;本发明优选PDMS/高透明胶带/PPC三层结构提供弧形粘性基底的材料,其中 PDMS层为弧形基底:采用方块PDMS,置于载玻片上,然后使用高透明胶带将其盖住,压平四边,得到一个上表面有较高圆形度和较大弧度的PDMS/高透明胶带的复合结构,然后将PPC薄膜贴合在弧形面即得到粘性聚合物。
所述步骤(3)中的基底为表面有SiO2氧化层的硅晶片、石英片或蓝宝石片。
所述步骤(4)中将融留在硅晶片表面的聚合物全部挥发的具体过程为:将表面溶留有聚合物的硅晶片置于真空退火炉中,进行真空退火,条件为:真空度不低于10-1mbar,退火温度不低于100℃,以将压在材料底部的聚合物全部挥发,使异质结融留在基片表面。
步骤(1)、(2)、(3)中的六方氮化硼,单层石墨烯和CrOCl均为层状材料,可以非常容易地以机械剥离的方式从块体得到相应厚度的少数层,在本发明中的三种原材料均剥离于表面氧化300nm的单晶硅片上。
实施例2
单层石墨烯/CrOCl异质结构的制备
(1)PDMS/高透明胶带/PPC三层结构的粘性聚合物将厚度为20nm的六方氮化硼转移至其PPC表面;
(2)使用黏附在粘性聚合物表面的六方氮化硼将硅片上的单层石墨烯吸附在其表面,形成堆垛异质结构;
(3)将表面粘有单层石墨烯和六方氮化硼的粘性聚合物置于温度为120℃,表面有SiO2氧化层的硅晶片上,使堆垛异质结构融留在硅晶片表面的厚度为10nm的薄层CrOCl上;
(4)将融留在硅晶片表面的聚合物在真空退火炉中,进行真空退火(真空度不低于10-1mbar,退火温度不低于100℃),使聚合物全部挥发,完成单层石墨烯/CrOCl异质结构的制备。
(5)对上述异质结构做电子束曝光、化学反应离子刻蚀、热蒸镀或电子束蒸发后得到可电学测试器件,如图2a和图2b所示。器件中与单层石墨烯接触的电极为以下材料:首先蒸镀5纳米的钛或铬,然后蒸镀50纳米的金。
图3为传统的六方氮化硼(h-BN)夹持和本发明CrOCl/h-BN夹持下的单层石墨烯示意图及其在室温下的场效应曲线。a为室温下两种结构的单层石墨烯场效应曲线;b为六方氮化硼(h-BN)夹持单层石墨烯的器件示意图;c为CrOCl/h-BN夹持单层石墨烯的器件示意图。从图3a可以看出,通过本发明方法制备得到的器件中与CrOCl界面耦合的单层石墨烯电阻比传统的h-BN夹持的单层石墨烯小近一个数量级。表明CrOCl衬底是一个简单、有效地降低石墨烯薄膜电阻率的材料,相比其他化学掺杂等方法,具有较好的成本和工艺优势。
实施例3
单层石墨烯/CrOCl异质结构的制备
(1)PDMS/高透明胶带/PPC三层结构的粘性聚合物将厚度为35nm的六方氮化硼转移至其PPC表面;
(2)使用黏附在粘性聚合物表面的六方氮化硼将硅片上的单层石墨烯吸附在其表面,形成堆垛异质结构;
(3)将表面粘有单层石墨烯和六方氮化硼的粘性聚合物置于温度为120℃,的蓝宝石片上,使堆垛异质结构融留在蓝宝石片表面的厚度为50nm的薄层CrOCl上;
(4)将融留在蓝宝石片表面的聚合物在真空退火炉中,进行真空退火(真空度不低于10-1mbar,退火温度不低于100℃),使聚合物全部挥发,完成单层石墨烯/CrOCl异质结构的制备;
(5)对上述异质结构做电子束曝光、化学反应离子刻蚀、热蒸镀或电子束蒸发后得到可电学测试器件。器件中与单层石墨烯接触的电极为以下材料:首先蒸镀5纳米的钛或铬,然后蒸镀50纳米的金。如制备完成的异质结光学显微照片如图4a,b所示
实施例4
单层石墨烯/CrOCl异质结构的制备
(1)PDMS/高透明胶带/PPC三层结构的粘性聚合物将厚度为50nm的六方氮化硼转移至其PPC表面;
(2)使用黏附在粘性聚合物表面的六方氮化硼将硅片上的单层石墨烯吸附在其表面,形成堆垛异质结构;
(3)将表面粘有单层石墨烯和六方氮化硼的粘性聚合物置于温度为120℃,表面有SiO2氧化层的硅晶片上,使堆垛异质结构融留在硅晶片表面的厚度为 200nm的薄层CrOCl上;
(4)将融留在硅晶片表面的聚合物在真空退火炉中,进行真空退火(真空度不低于10-1mbar,退火温度不低于100℃),使聚合物全部挥发,完成单层石墨烯/CrOCl异质结构的制备;
(5)对上述异质结构做电子束曝光、化学反应离子刻蚀、热蒸镀或电子束蒸发后得到可电学测试器件。器件中与单层石墨烯接触的电极为以下材料:首先蒸镀5纳米的钛或铬,然后蒸镀50纳米的金。

Claims (7)

1.一种降低石墨烯层内电阻率的方法,其特征在于:所述降低石墨烯层内电阻率的方法是通过形成单层石墨烯/CrOCl异质结构实现的。
2.根据权利1所述的一种降低石墨烯层内电阻率的方法,其特征在于,所述单层石墨烯/CrOCl异质结构是将六方氮化硼、单层石墨烯、CrOCl通过人工堆垛的方式得到的。
3.根据权利要求2所述的一种降低石墨烯层内电阻率的方法,其特征在于,所述单层石墨烯/CrOCl异质结构的单层石墨烯和CrOCl是以范德华力相互作用耦合在一起的。
4.根据权利要求2所述的一种降低石墨烯层内电阻率的方法,其特征在于,所述CrOCl的厚度选取为单层-1μm;CrOCl和单层石墨烯均为层状材料,是通过机械剥离法,从相应块体上解理到表面氧化的硅片上得到的。
5.根据权利要求2所述的一种降低石墨烯层内电阻率的方法,其特征在于,所述六方氮化硼为封装层,属于层状材料,厚度范围在20-50nm。
6.根据权利要求4所述的一种降低石墨烯层内电阻率的方法,其特征在于,所述CrOCl块体材料是通过化学气象沉积方法获得的。
7.根据权利要求2所述的一种降低石墨烯层内电阻率的方法,其特征在于,形成所述异质结构放置的基底是表面有SiO2氧化层的硅晶片、石英片或蓝宝石片。
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