石墨烯透明导电薄膜的制备和表征

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石墨烯作为单原子层厚度的二维新型材料,具有比表面积大、电子迁移率高、机械强度好、高透光率等一系列性质,因此它可能是取代氧化铟锡(ITO)作为电极的材料,同时,在储能、半导体、光电子器件、能源材料等领域也体现出巨大应用前景。因此需要开发新颖和简单的方法用于大规模制备具有高导电性和高透明度的石墨烯薄膜。本文采用Hummers法获得氧化石墨烯(GO),通过旋涂成膜得到GO薄膜;并使用SnC12界面缩减还原方法获得rGO薄膜,探究其还原效果以及影响薄膜性能的各种因素;并进一步探究利用CNTs和GO的混合液制备透明导电薄膜。所得成果概括如下:(1)通过SnCl2界面缩减方法可在不同尺寸和材质的基底制备石墨烯薄膜。探究了影响石墨烯薄膜性能的各种因素,确定最佳转速是100Or/min;最佳还原剂浓度是 1.5 M;得到 GO 浓度为 2 mg/ml 时,在 550 nm 处,T=80%,Rs=10.5 kΩ/sq的石墨烯薄膜。相比VC还原,XRD图表明SnC12还原方法对应rGO层间距更小,还原性更强;Raman表征结果表明SnC12还原的薄膜I2D/ID+G更大,还原效果更显著;由FT-IR图可知,这是由于SnC12方式对GO中含氧官能团的还原更彻底;相同透光率下,SnC12还原的薄膜方阻比VC还原平均减少约20kΩ/sq,这说明薄膜还原越彻底,薄膜二维晶格结构恢复越好,电子传输能力更强。(2)对比一次还原(SnC12)与二次还原(SnC12+VC),Raman图谱表明,二次还原I2D/ID+G更大,因此二次还原的还原性要强于一次还原;对应XRD衍射图中二次还原特征峰位相对于一次还原发生右移,二次还原对应rGO的层间距更小,即二次还原的还原性强于一次还原;由FT-IR图可知,这主要是因为二次还原能够除去的含氧官能团的种类更多、更彻底。此外,二次还原薄膜相比一次还原方阻更小,其结果也证实二次还原的效果更显著;相同透光率下,二次还原得到的薄膜方阻平均减小约3 kΩ/sq。(3)CNTs/石墨烯导电薄膜制备过程中,少量CTAB对CNTs进行修饰,可减轻其易团聚和不易分散的特性。得到能够改善导电薄膜导电性能的最佳配比,即等体积的CNTs浓度:GO浓度=1:8;前驱体分散液浓度小于3 mg/ml时,复合薄膜导电性的改善显著,平均方阻下降2 kΩ/sq;CNTs/石墨烯导电薄膜中,石墨烯片层能够填补CNTs组成的导电网络的空隙,为载流子的迁移提供更多通道,因此可以改善石墨烯薄膜导电性能。
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