JP2013544421A - 永久双極子層を用いた透明グラフェン導体 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
・ITOは限られた環境化学安定性および有限透過性を有し、それはデバイスの劣化をもたらし得る。
・屈曲/圧縮されると、ITOは容易に摩耗するか、または亀裂が入る。
・ITOは柔軟ではないため、フレキシブルディスプレイ、太陽電池、およびタッチパネルにおいて使用することは不可能である。
グラフェン−永久双極子層ハイブリッド構造はまた、優れた柔軟性、折り畳み性、および伸縮性を有し得る。純粋なグラフェンでは、20%の引っ張り歪みまたは6%の伸縮力が加えられた後でさえも、元の抵抗状態に回復可することが可能である。したがって、これはディスプレイ、太陽電池などの光起電力の用途に望ましい。
グラフェン層102は単層グラフェンSLG、二層グラフェンBLG、または数層グラフェンFLGであり得る。また、グラフェン層は機能性グラフェン、または極薄平板絶縁層、すなわちh−BN層で被包化されたグラフェンであってもよい。またはグラフェンは一層のBNと組み合わせてもよい。大型またはウエハ規模のグラフェンシートは、通常1mm2〜1m2の間である。
永久双極子層104は、グラフェンの下部または上部に永久電気双極子配向性を有する極性分子またはイオンから形成され得る。例えば:
図3は永久双極子層(PDL)を用いた静電ドーピンググラフェンの図を示している。本明細書において、永久双極子層は、例えば強誘電性高分子(P(VDF−TrFE))である。外部電場を通して(P(VDF−TrFE)における永久双極子配向を調整することで、大型グラフェンは良く整列した双極子によって高濃度に静電ドープされ得るため、低いシート抵抗値をもたらす。低いシート抵抗以上に、高濃度にドープされたグラフェン層は、PDLの極性に応じてp−タイプまたはn−タイプのいずれかになり得る。このようなグラフェンの単純かつ見事な仕事関数可変性は、太陽電池および発光ダイオードの用途に非常に望ましい。これらの多積層デバイスの効率は、主に適切なバンドアライメントを通じて潜在的な障害を減少させることを介して決定される。
図4はP(VDF−TrFE)薄膜を用いてPDLを導入した大型グラフェンの低いシート抵抗における実験結果を示している。図4(a)は印加される電界の関数としてP(VDF−TrFE)薄膜の典型的な分極ヒステリシスループを示している。ループは増加する印加電圧、したがって増加する電界の結果として作成される。シート抵抗値に関連する主要なパラメータは、いわゆる自発分極(Ps)および残留分極(Pr)である。固体球は、Prの低レベル400、中レベル402、および高レベル404を表している。中空球は、Psの低レベル406、中レベル408、および高レベル410を表している。Prは図4(b)において電界の関数として特に示されている。正孔ドーピングについて、印加された電界の増加により、−Psおよび−Prは両方とも増加し、かつ最終的に飽和することが分かる。この−Pr(または−Ps)は、n(Vp(VDF−TrFE))=βPr/e(またはn(vp(VDF−TrFE))=βΡs/e)により、グラフェンにおける静電ドーピングレベルを直接決定する。図4(c)は−Psの関数としてシート抵抗(Rs)の系統的なゲート掃引を示している。グラフェンの導電率がσ=n(vp(VDF−TrFE))eμであることを考慮すると、対応するRsは図4(d)に示されるように−Prと反比例の関係を示す。P(VDF−TrFE)が十分に分極されると、不分極の場合と比較してRsの12倍の減少が達成され、単層グラフェンにおいて120Ω/□の低いシート抵抗が形成される。−Psにおいてはさらに低いシート抵抗が達成可能であることに注意されたい。しかしながら、定電圧が印加される必要があるため、これは実用的な価値がほとんどない。P(VDF−TrFE)が十分に分極された後、誘導された不揮発性ドーピングは、電源が切れたとしても大型グラフェンの低いシート抵抗を維持する。
低いシート抵抗の他に、高い光透過性は光電子工学における透明電極の応用に有用であり得る。光学実験におけるグラフェン−P(VDF−TrFE)ハイブリッド構造が図5に示されている。図5(a)においてシンガポール国立大学のロゴを背景にして示されるように、本明細書において使用されるP(VDF−TrFE)膜は1μmの厚みであり、グラフェンに対する力学的支持を提供し得る。図5(b)は、柔軟なPET基板上のグラフェン−P(VDF−TrFE)ハイブリッド構造を示しており、デバイスの柔軟性を示している。可視から近赤外波長の関数として、ハイブリッドグラフェン−P(VDF−TrFE)デバイスの透過スペクトルを図5(c)に示されるようにさらに記録する。可視波長領域において、グラフェン−P(VDF−TrFE)ハイブリッド構造の光透過性は、95%を超える。
一部の出願では、120Ω/□のシート抵抗値はなお高すぎる。限定因子を見出し、かつ大型グラフェンにおいて10Ω/□以下のシート抵抗を達成するために、基礎的電荷キャリア散乱機構を分析した。図6は異なる電荷キャリア移動度およびキャリア密度におけるグラフェンのシート抵抗の実験結果と理論的推定の両方を示している。キャリア移動度が10,000cm2/Vsまたはそれを超える値まで増加しても、シート抵抗は30Ω/□に制限される。これは固有の音響フォノン散乱および曲げフォノン散乱によるものである。ナノリップル誘導曲げフォノン散乱では、そのマイナスの影響はその電荷密度nとの逆関係のために、静電高濃度ドーピングにより大幅に抑制可能である。nが5×1013cm−2に到達すると、曲げフォノン散乱寄与抵抗率は、2Ω/□未満である。
記載の透明導体は、図7に示されるようにロールツーロールまたはその他の連続工程によって有利に製造可能である。
・雲母
上述の1以上の透明導体は以下を含む1以上の利点を有し得る。
・低シート抵抗
・優れた力学的支持層
・高効率
・低消費電力
・柔軟性
・ロールツーロール製造工程が可能
Claims (24)
- グラフェン層、および
該グラフェン層を静電ドープするよう構成された前記グラフェン層上の永久双極子層を含む透明導体。 - 請求項1に記載の透明導体であって、前記永久双極子層は実質的に分極強誘電体層である透明導体。
- 請求項1または2に記載の透明導体であって、前記グラフェン層は、単層グラフェン、二層グラフェン、または数層グラフェンである透明導体。
- 請求項1〜3のうちいずれか一項に記載の透明導体であって、六方晶窒化ホウ素または雲母の極薄層をさらに含む透明導体。
- 請求項1〜4のうちいずれか一項に記載の透明導体であって、前記永久双極子層はほぼ透明である透明導体。
- 請求項5に記載の透明導体であって、透過率は90−98%の間である透明導体。
- 請求項1〜6のうちいずれか一項に記載の透明導体であって、ヤング率は4Gpa〜1Tpaの間である透明導体。
- 請求項1〜7のうちいずれか一項に記載の透明導体であって、該透明導体はウエハ規模または大型である透明導体。
- 請求項8に記載の透明導体であって、前記ウエハ規模または大型の透明導体の面積は、1mm2〜10m2の間である透明導体。
- 請求項1〜9のうちいずれか一項に記載の透明導体であって、シート抵抗は透明度>97%において125Ω/□未満である透明導体。
- 請求項10に記載の透明導体であって、前記シート抵抗は透明度>90%においてほぼ10Ω/□である透明導体。
- 請求項1に記載の透明導体であって、前記永久双極子層は自己組織化分子層である透明導体。
- 請求項1〜12のうちいずれか一項に記載の透明導体であって、前記永久双極子層は実質的に分極しており、かつ実質的な印加電界なしで該永久双極子層の双極子配向を実質的に維持する透明導体。
- 実質的に柔軟である請求項1〜13のうちいずれか一項に記載の透明導体。
- 請求項14に記載の透明導体であって、前記柔軟性は、20%の引っ張り歪み、または6%の伸縮力の後に、元の抵抗状態に回復可能であることを含む透明導体。
- 実質的に非柔軟性である請求項1〜13のうちいずれか一項に記載の透明導体。
- 電極および/または拡散障壁として構成される請求項1から16のうちいずれか一項に記載の透明導体を含む、太陽電池、有機発光ダイオード、タッチパネルまたはディスプレイ。
- 透明導体の製造方法であって、
ウエハまたはシートのグラフェンを形成する段階、および
永久双極子層を用いて前記グラフェンを静電ドーピングする段階を含む方法。 - 請求項18に記載の方法であって、前記ドーピングはグラフェンウエハ上に分極材料層を形成する段階を含む方法。
- 請求項19に記載の方法であって、前記分極材料層を実質的に分極させる段階をさらに含む方法。
- 請求項20に記載の方法であって、前記分極させる段階は、前記分極材料に電圧パルスを印加またはコロナポーリングを適用する段階を含む方法。
- 請求項18に記載の方法であって、前記ドーピングは前記グラフェン層上に自己組織化分子(SAM)層を形成する段階を含む方法。
- 請求項18〜22のうちいずれか一項に記載の方法であって、グラフェンの銅上CVD、エピタキシャル成長、または化学修飾により、前記グラフェンを形成する段階をさらに含む方法。
- ロールツーロール法で行われる請求項18〜23のうちいずれか一項に記載の方法。
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