[发明专利]一种柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米光电材料科技领域。具体涉及一种高温热还原氧化石墨烯薄膜的制备及其转移至柔性衬底的技术，在高性能透明导电薄膜及光电功能器件中有着诱人的应用价值。

技术背景

柔性透明导电薄膜在很多领域有着的广泛的应用，诸如射频识别电子标签、柔性平板显示与照明光源、电子纸、太阳能电池等功能器件的电极。当前，最常用的电极材料是基于传统无机材料的金属氧化物，诸如ITO、IZO等。然而随着稀有金属的日趋匮乏，价格日趋昂贵，而且其脆性特点进一步限制了它们在光电功能器件领域的大规模应用，特别是柔性的有机光电功能器件。开发具有原材料丰富，价格低廉，柔性好、透明及导电性高的薄膜材料，经济利益与战略意义重大。目前，同时兼具柔性、透明与导电功能于一体的材料主要有导电聚合物和碳纳米管。相对与无机金属导电薄膜，传统导电聚合物材料诸如PANI、PPy等导电性相对较差。新型导电聚合物如PEDOT：PSS等虽然导电性较高，但是其价格高。碳纳米管的光电性能与机械性能俱佳，是制备柔性导电薄膜的理想材料之一。但是，碳纳米管的制备与纯化技术复杂，金属性与半导体性碳纳米管之间分离困难依然低效，限制了碳纳米管薄膜的大规模应用。

近年来，石墨烯具有高迁移率(20000～50000cm²/Vs)、独特的整数量子霍尔效应、优良的机械性能成为人们的研究热点，基于石墨烯制成的薄膜成为新一代理想导电薄膜。石墨烯薄膜的制备方法主要有加热SiC、外延生长、化学气相沉积以及氧化成膜后还原等方法，其中氧化成膜后还原技术具有效率高、产量大、成本低的特点倍受公司与研发机构的关注。但是，氧化石墨烯薄膜也存在着导电性差的不足，对氧化石墨烯薄膜还原可以提高薄膜的导电性能。目前，还原石墨烯的主要方法有肼或NaBH₄等化学还原以及光电化学还原，但是还原效果差(电导率不高于10³S/m)、安全隐患大(肼剧毒)以及成膜质量差(浸入溶液中)等因素制约了其进一步发展。高温热退火具有还原效果好(电导率可达10⁵S/m，与石墨具有可比性)、成膜质量高、环保无污染以及高效率等优点，是制备大面积高质量石墨烯薄膜的理想方法之一。但是，高温还原石墨烯薄膜需要其衬底耐高温，一般局限于SiO₂/Si与石英衬底，这限制了基于任意衬底石墨薄膜的制备，特别是基于柔性衬底薄膜的制备。所以，开发兼具柔性、透明、高导电性、大面积以及价格低的石墨烯薄膜是一个急需解决的问题。

发明内容

技术问题：本发明的主要目的在于提出一种转移高温热还原氧化石墨烯导电薄膜的方法。该方法制备的薄膜具有柔韧性好、透光性高、导电性良、大面积制备、制备方法简单以及成本低的优点。它在高性能柔性透明光电功能器件领域具有潜在的实际应用价值。

技术方案：本发明的一种柔性透明导电石墨烯薄膜的制备方法包括高温还原氧化石墨烯薄膜的制备及其转移至柔性衬底的制备过程；

步骤1：在亲水性SiO₂/Si衬底表面制备氧化石墨烯薄膜；

步骤2：对制备的氧化石墨烯薄膜进行高温还原，得到还原氧化石墨烯导电薄膜，又称石墨烯薄膜；

步骤3：在还原氧化石墨烯导电薄膜的表面包覆一层聚甲基丙烯酸甲酯PMMA保护层，得到覆盖保护层的石墨烯/SiO₂/Si膜，用于保护薄膜在剥离转移过程中不受损伤；

步骤4：将覆盖PMMA保护层的还原氧化石墨烯导电薄膜置入SiO₂刻蚀液中，将还原氧化石墨烯导电薄膜从SiO₂/Si衬底表面剥离；

步骤5：将剥离的含PMMA保护层的石墨烯薄膜转移到透明柔性衬底表面；

步骤6：除去石墨烯薄膜表面的PMMA保护层，得到柔性透明石墨烯导电薄膜。

所述氧化石墨烯薄膜的组份材料为大片氧化石墨烯，制备氧化石墨烯薄膜所用衬底为亲水性SiO₂/Si，其中亲水处理方式为H2SO4∶H2O2＝3∶1体积比，在110℃条件下沸煮1小时；通过旋涂、LB自组装技术制备氧化石墨烯薄膜；氧化石墨烯薄膜的面积与衬底面积相等，薄膜的厚度可以通过旋涂的次数或LB自组装次数进行控制。

氧化石墨烯薄膜由高温热处理进行还原时，薄膜还原的温度介于800℃～1100℃之间，薄膜还原的条件是氩气与氢气的混合气体，热处理的时间约为2小时，还原氧化石墨烯导电薄膜。