石墨烯玻璃透明薄膜加热特性研究

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石墨烯由于自身优异的特性而成为近年来的研究热点,同时,玻璃作为日常生活中的最常见的基础材料,被广泛应用于各种领域。而将二者结合在一起所得到的新型复合材料——石墨烯玻璃,不仅具有石墨烯薄膜本身所具有的高导热性、高导电性以及表面疏水性等,同时还具有优异的电热转换特性和宽光谱内高透光性,因此,研究石墨烯玻璃薄膜的电加热特性具有重要的理论和现实意义。本文采用常压化学气相沉积法(APCVD)获得了高纯石英玻璃基多层石墨烯薄膜,并对其电学特性、透光率和电加热特性进行了实验研究。结果表明,通过APCVD法在高纯度石英玻璃基板上直接生长所得到的具有不同表面电阻的石墨烯玻璃,不仅具有优异的均匀性和薄膜质量,而且在整个可见光区域具有相当平坦的高透射率,以及出色的电加热性能和快速的热响应时间。与通过转移获得的PET基和硅基石墨烯薄膜相比,石墨烯玻璃具有更高的饱和温度,更短的热响应时间和更快的加热速率,并且显示出更优异的热循环稳定性和长期加热可靠性。在此基础上,设计了基于石墨烯玻璃加热系统的垂直腔面发射激光器(VCSEL)波长精确热调谐实验,验证了石墨烯玻璃对VCSEL器件具有优异的热调谐性能。因此,具备优良电加热特性的石墨烯玻璃透明薄膜,可应用于透明薄膜电加热领域中并具有广阔的应用前景。本论文主要研究内容如下:(1)针对石墨烯玻璃透明薄膜的材料特性进行了表征和分析。石墨烯玻璃薄膜是采用APCVD方法在高纯度石英玻璃基板上直接生长得到,并根据不同生长条件获得了具有不同面电阻的石墨烯玻璃,并对其薄层电阻、薄膜质量、电学特性和透光率等进行了测试和分析。(2)开展了对石墨烯玻璃电加热特性的实验测试和分析。制备得到了石墨烯玻璃薄膜加热片,并对其电加热性能进行了测试和分析。研究具有不同面电阻值的石墨烯玻璃电加热稳态温度与外加偏压、薄层电阻、热功率密度等之间的关系。其中对于面电阻一定的石墨烯玻璃,其电加热稳态温度随外加偏压的增加而升高;当外加偏压一定时,其稳态温度随薄层电阻的降低而增加。此外,开展了对石墨烯玻璃、PET基和硅基石墨烯薄膜的电加热性能、可重复性和长期稳定性的对比实验,并对测试结果进行了分析、对比和总结。(3)在现有的理论基础和工艺制备条件上,设计并开展了基于石墨烯玻璃对垂直腔面发射激光器(VCSEL)激光器热调谐的实验测试与分析。通过对器件结构进行设计与制备,将石墨烯玻璃与795nm VCSEL激光器芯片相结合,基于石墨烯玻璃的电加热特性实现了对795nm VCSEL波长的精确调谐,同时分析了激光输出波长的热调谐率与石墨烯玻璃电加热效率之间关系。其中石墨烯玻璃的波长调谐效率达到0.059 nm?℃-1,与PET基和硅基石墨烯薄膜相比,实际电加热容量提高了195%。
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