[发明专利]一种柔性石墨烯复合薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性石墨烯复合薄膜及其制备方法，属于复合薄膜的制备领域，特别是针对以石墨烯作为电极的光电器件领域。

背景技术

石墨烯自发现以来，因其卓越的光学、电学、力学和热力学性能在众多研究领域引起了革命性的变化，其中以光电器件的研究最为显著。目前常见的光电器件如太阳能电池、传感器、有机发光二极管(OLED)等多采用氧化铟锡(ITO)作为电极材料，但由于铟元素在地球储备量的限制，使得铟的价格和前景不容乐观，且ITO薄膜本身较脆，容易被酸腐蚀，因而选择合适的电极替代材料成为科学家们研究的热点。石墨烯是一种平面的类蜂窝状结构，每个碳原子均为sp²杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成大π键，π电子可以自由移动，因而石墨烯具有卓越的导电性能、柔韧性、透明性和耐腐蚀性，且由于碳元素在地球上的丰富储备，石墨烯被认为是ITO电极的最佳替代材料。

但由于本身石墨烯的功函数介于4.3-4.6左右，因而与空穴及电子传输层之间往往存在较大的能级宽度，限制了石墨烯电子及空穴的顺利传输，使得石墨烯难以作为电极单独使用。目前，较常用的改性方法如对基材进行表面处理[Joohyun Hwang,Hong Kyw Choi,et al.APPLIED PHYSICS LETTERS100,133304(2012)]、对空穴或电子传输层进行掺杂[Tae-Hee Han,Youngbin Lee,et al.NATURE PHOTONICS6,105-110(2012)]等，这些方法均能取得较好的结果，但其处理方法相对较为复杂，难以满足大规模生产的需要。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种简单的处理石墨烯方法，经该方法处理后的石墨烯可用应于电极制备。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种经简单的制备柔性石墨烯复合薄膜的方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种一种柔性石墨烯复合薄膜及其制备方法与应用。具体地，本发明为了解决石墨烯功函数的问题，采用带有特殊基团的高分子或小分子与石墨烯共混，制成一种复合薄膜，以取代ITO用于光电器件方面的制作。本发明的这种薄膜制备简单，结构可控，能够满足大规模生产的需要。

一方面，本发明提供了一种制备柔性石墨烯复合薄膜的方法。

在本发明的制备方法中，以石墨烯和带有特殊功能基团的有机高分子或小分子作为原料，将石墨烯与高分子或小分子共混，并控制其复合质量比例为1-100:1-100；利用石墨烯的表面功能基团与高分子或小分子中的特殊功能基团之间存在的相互作用(如氢键、共价或静电作用)形成均匀复合材料；再通过旋涂、喷涂、蒸镀、自组装、浸渍-提拉等方法将复合材料涂在不同基材的表面以制备柔性石墨烯复合薄膜。

其中，所述石墨烯为表面带有羟基、羧基、环氧基或羰基的氧化石墨烯或还原石墨烯。带有特殊功能基团的有机高分子或小分子为带有吸电子基团、供电子基团或共轭基团的一种或多种的有机高分子或小分子。

在本发明的较佳实施方式中，还原石墨烯为通过还原剂还原后再进行高温处理后的还原石墨烯材料。优选地，采用的还原剂为肼、水合肼、硼氢化钠、维生素C、乙二胺、氨水、HI等中的至少一种。高温处理的温度优选为150-1100℃之间。

在本发明的具体实施方式中，所述吸电子基团优选为-NR₃、-NO₂、-CN、-F、-Cl、-Br、-I、-COOR、-CHO、-COR、-C≡C-、-OR、-OH、-C₆H₅、-C=C-中的至少一种，R代表-C_nH_2n+1的烷基，其中n=1-18。

所述供电子基团优选为含有-C_nH_2n+1的烷基、-C_nH_2n-1环烷基、胺基、亚胺基中的一种或多种；其中n=1-18。

所述共轭基团为共轭双键，该共轭基团可与其它功能基团或主链共同作用。

在本发明的较佳实施方式中，所述有机高分子为卤代物、羧酸、聚酯类化合物、烷基化合物、环烷基化合物、胺基化合物、氰化物、芳香族化合物、不饱和烯烃、硝酸类化合物、或醛酮类化合物等。优选地，所述有机高分子为PEDOT、环氧丙烯酸树脂、聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、或聚噻吩等。