化学法制备石墨烯基透明导电薄膜的研究进展

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1、化学法制备石墨烯基透明导电薄膜的研究进展＊李秀强，张东（同济大学材料科学与工程学院，上海２０００９２）摘要：石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，具有优异的透光率和导电性。与传统的铟锡氧化物（ＩＴＯ）相比，石墨烯具有更高的导电性、较好的柔韧性和丰富的资源，因此石墨烯在透明导电薄膜领域有着较好的应用前景。主要对国内外近３年来化学法制备石墨烯基透明导电薄膜的最新研究成果进行综述。并以成膜方法的不同为区分，重点介绍了真空抽滤法、旋涂法、自组装、Ｌａｎｇｍｕｉｒ－Ｂｌｏｄｇｅｔｔ（ＬＢ）法、喷涂法制备石墨烯基透明导电薄膜的最新研究成果。同时，对薄膜的硝

2、酸处理、掺杂进行了介绍。最后，就目前化学法制备石墨烯基透明导电薄膜所面临的问题进行了讨论，并对石墨烯透明导电薄膜的未来发展进行了展望。关键词：化学法；氧化石墨烯；石墨烯；透明导电薄膜石墨烯基透明导电薄膜的制备方法主要分为二大类：物理法和化学法。其中物理法主要分为ＣＶＤ法［２７－３１］和液相物理剥离法［３２－３４］。总体而言，ＣＶＤ法相比于液相物理剥离法和化学法，所制备的石墨烯基透明导电薄膜具有更高的导电性和透光率。但也存在突出的局限性，主要表现在制造成本较高、制备工艺较为复杂。液相物理剥离法较为突出的局限性主要表现在生产效率较低。而化学法相

3、比于物理法，其优势主要表现在以下几个方面：（１）生产成本较低；（２）制备工艺较为简单；（３）制备效率较高。因此，化学法制备石墨烯基透明导电薄膜将会是以后研究的重要方向。本文主要对国内外近３年来化学法制备石墨烯基透明导电薄膜的最新研究成果进行综述，其内容主要围绕石墨烯基透明导电薄膜的制备、酸化、掺杂相关内容进行展开。就目前化学法制备石墨烯基透明导电薄膜所面临的问题进行了讨论，并对其未来的发展进行了展望。中图分类号：文献标识码：ＡＴＢ３８３．２ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－９７３１．２０１４．增刊（Ⅰ）．００３引言１石墨烯的光

4、电特性２透明导电薄膜（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｆｉｌｍｓ，ＴＣＦｓ）是指在可见光区域（λ＝３８０～７８０ｎｍ）有较高的透光率（透光率＞８０％），电阻率可以达到１０－５Ω·ｍ以下的薄膜材料。传统的透明导电薄膜铟锡氧化物（ＩＴＯ）具有良好的导电性和透光率（平面电阻１０～２５Ω／ｓｑ，透光率约为９０％）决定了其在显示行业有着广泛的应用。然而，ＩＴＯ较差的柔韧性、复杂的制备过程以及资源的有限，很难满足今后的需求。同时，ＩＴＯ在有机发光二极管、有机光伏器件和有机晶体管的应用中存在较大的局限性［１］。石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，

5、具有优异的电学性能［２－４］、力学性能［５－６］和热学性能［７］。这些优异的性能决定了石墨烯在透明导电薄膜［１］、柔性电子器件［８］、场发射［９－１０］、催化［１１－１３］、储氢［１４－１５］、超级电容器［１６－１８］和传感器［１９－２０］等领域拥有着广阔的应用前景。与传统的ＩＴＯ相比，石墨烯具有以下优点：（１）具有更高的导电性能；（２）具有较好的柔韧性；（３）资源较为丰富。因此，石墨烯基透明导电薄膜近年来迅速发展，并应用到触摸屏［２１］、有机发光二极管［２２－２３］、有机光伏器件［２４－２５］和有机晶体管［２６］等领域。石墨烯具有良好的透

6、过率，理论和实验结果表明，单层石墨烯吸收２．３％的可见光，即透光率为９７．７％［３５］。如图１（ａ）所示，从实验角度得到基底到单层石墨烯、双层石墨烯的可见光透射率依次相差２．３％，因此可以根据石墨烯薄膜的可见光透射率来估算其层数。结合非交互狄拉克－费米子理论，从理论角度去模拟石墨烯的透射率，其结果与实验所得数据相一致（如图１（ｂ））。石墨烯内的每个碳原子以ｓｐ２杂化轨道的方式（σ键）与其它３个碳原子相连接，极强的Ｃ—Ｃ键致使石墨烯片层具有优异的力学性能。剩余的一个ｐ电子轨道垂直于石墨烯平面，与周围的碳原子形成离域的π键，致使电子可在晶体中自

7、由移动，赋予了石墨烯良好的电性能。由于原子间的作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也很小。电子在石墨烯中传输时不易发生散射，迁移率可达２×１０５ｃｍ２／（Ｖ·ｓ）［２］。其面电阻约为３１Ω／ｓｑ，电导率可达１０６Ｓ／ｍ［３６］，是室温下导电性最佳的材料。＊基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目（２０１２ＡＡ０３０３０３）；上海市基础研究重点资助项目（１２ＪＣ１４０８６００）收到初稿日期：２０１３－１０－１１收到修改稿日期：２０１３－１２－３０通讯作者：张东，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｄｎｇ＠

8、ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃｎ作者简介：李秀强（１９８８－），男，硕士，师承张东教授，从事石墨烯可控制备及其复合材料研究。李秀强等：化学法制备石墨烯基透明导电薄膜的研究进展１３７８％