Laser op maat gemaakte meerlaagse grafeenrasters voor transparante geleidende elektroden

Resultaten en discussie

Aanvankelijk wordt MGF met verschillende diktes afgezet op transparant kwartssubstraat door middel van chemische dampafzetting. Hierin wordt polystyreen (PS) toegepast als koolstofbron die wordt verdampt bij 300 °C en afgezet op substraat bij 1000 °C onder Ar/H₂ atmosfeer. Om de groei van meerlaags grafeen te ondersteunen, worden Fe-ionen die gecoördineerd zijn met polyethyleenimine gesponnen en gecoat op een substraat dat als katalysator dient (Fig. 1a). Tijdens het gloeiproces aggregeren Fe-ionen elkaar en transformeren ze in Fe-nanodeeltjes in de film. Aanvullend bestand 1:Figuur S1 toont de verschillende Fe ³⁺ concentratie die van invloed is op de morfologie en kristallisatie van MGF (aanvullend bestand 1:figuur S1, ondersteunende informatie). Om de kwaliteit van MGF te waarborgen, 0,5 mg/ml Fe ³⁺ is optimaal om grafeenfilms met een hoge dichtheid te laten groeien. Het is gebleken dat het Raman-spectrum van de afgezette film zonder Fe-katalysator (figuur 1b) niet de representatieve 2D- en D + G-banden van grafeen bevat, maar brede G- en D-banden. Niettemin, met de hulp van de Fe-katalysator op het substraat, vertoont het overeenkomstige Raman-spectrum een ​​duidelijke 2D-band bij 2684 nm en de D+G-band bij 2933 nm, behalve de D-band bij 1342 nm, de G-band bij 1592 nm, wat de afgezette dunne film is kenmerkend voor grafeen [18, 19]. Het beeld van de scanning-elektronenmicroscoop (SEM) in Fig. 1c vertoont duidelijk een hoge dichtheid en gladheid van MGF. MGF met verschillende diktes wordt vervaardigd door de hoeveelheid PS-hoeveelheid aan te passen (Fig. 1d, e). Het was te zien dat zowel de weerstand als de transmissie van het filmvel sterk afnemen met toenemende filmdikte. Drie nanometer dikke dunne film heeft een hoge transparantie met 80% transmissie bij 550 nm, maar een slechte geleidbaarheid van een plaatweerstand van 13,5 kΩ sq ⁻¹ , terwijl de filmweerstand van 0,1 kΩ sq ⁻¹ komt overeen met een verbazingwekkend lage transmissie van 0,38%. Gewoonlijk wordt de kwaliteitsfactor FoM geïntroduceerd om de relativiteit tussen soortelijke weerstand en transparantie van de MGF als transparante elektroden te evalueren. FoM wordt berekend via Vgl. (1) waar transmissie en plaatweerstand T . zijn en R _s , respectievelijk.

Afzetting en karakterisering van MGF. een Schematische weergave van CVD-afzetting van MGF met Fe ³⁺ als katalysator. b Raman-spectrum van grafeenfilm met en zonder katalysator (bij 633 nm excitatiegolflengte). c SEM-beeld van MGF. d Foto's van MGF afgezet op kwartssubstraat met verschillende diktes. e Vergelijking van de plaatweerstand en transmissie van MGF met verschillende diktes. v Vergelijking van de dikte en FoM van MGF verkregen in dit werk

Hierin kan de FoM van de MGF's met verschillende diktes van 10 nm tot 350 nm worden berekend van 0,1 tot 0,5 in figuur 1f, wat vergelijkbaar is met het gerapporteerde geëxfolieerde grafiet [11, 16].

Hoe de FoM van as-grown MGF te verbeteren? Het belangrijkste is om de hierboven beschreven tegenstelling tussen transparantie en plaatweerstand in evenwicht te brengen. Hierin werd IR-laser toegepast om MGF te ablateren voor het maken van microrasterstructuren (figuur 2a). Het afstemmingsproces is gebaseerd op het mechanisme dat de film de krachtige energie van de sterk gefocuste laserstraal absorbeert en zeer dichte thermische energie transformeert, wat resulteert in onmiddellijke ablatie op de stralingsplaats van de bundel [20, 21]. Met de assistent van een laser direct-schrijfsysteem kan de dunne film van meerlaags grafeen worden aangepast in willekeurige patronen (aanvullend bestand 1:figuur S2) door het laservermogen, de scansnelheid en de straaldiameter nauwkeurig af te stemmen. De functiebreedte van de tailoring-tracering is geoptimaliseerd van 25 m tot 100 μm en de minimale patroonbreedte is maximaal 5 μm. Om een ​​optimale FoM te verkrijgen, is de rasterstructuur van het schermvenster gefabriceerd in Fig. 2b, c. Het is te zien dat goed georganiseerde microstructuren worden gepresenteerd in microscopische afbeeldingen van de gefabriceerde MGFG in respectievelijk transmissiemodus en reflectiemodus. De op maat gemaakte microporiën zijn uniform en transparant, terwijl de overige roosters verbindend zijn. SEM-afbeeldingen in aanvullend bestand 1:Figuur S3 illustreren de details van de structuur van grafeenfilms, inclusief microporiën en rasters. De grootte van de microporiën is ongeveer 100 m. Afbeelding 2d, e toont de rechte en scherpe rand van MGFG in de AFM- en SEM-afbeeldingen. Het bewijst dat het maatwerkproces zeer effectief is om patronen van hoge kwaliteit te vervaardigen. Figuur 2f toont de Raman-spectra van de op maat gemaakte rasters dat de resterende rasters de oorspronkelijke structuur van MGFG behouden zonder verslechtering na het afstemmingsproces, terwijl de resterende vlokken een relatief hogere D-band en zwakkere 2D-band vertonen als gevolg van het laserablatieproces [18]. Verdere studie van infraroodabsorptie wordt uitgevoerd voor en na ablatie van MGFG. Er is geen duidelijke absorptie voor geablateerde MGFG in figuur 2g, wat suggereert dat de grafeenlagen goed kunnen worden verwijderd door de laserablatie.

Laserafstemming van MGF en fabricage van MGFG. een Schematische illustratie van het grafeenraster-ablatieproces door IR-laser direct schrijven. b , c Microscoopbeelden van de gefabriceerde MGFG in respectievelijk transmissiemodus en reflectiemodus. d , e AFM- en SEM-afbeeldingen van op maat gemaakte rand. v Raman-spectrum van grafeenraster en vlokken in het ablatiegebied (bij 633 nm excitatiegolflengte). g IR-absorptie van MGF voor en na ablatie

Om de invloeden op transmissie en plaatweerstand van op maat gemaakte rasterparameters te evalueren, hebben we een reeks MGFG uitgevoerd met verschillende ablatieverhoudingen uit Fig. 3a-h. De grootte van de microporiën is fijn afgesteld van 100 m  ×  100 m tot 250 μm  ×  250 μm, en de lijnbreedte is afgestemd van 180 m tot 30 m. Naarmate de ablatieverhouding toeneemt van 0 tot 75%, neemt de transmissie toe van 0,38 tot 75% en neemt de bladweerstand toe van 70  sq ⁻¹ tot 340 Ω sq ⁻¹ in afb. 3i–j. Bovendien zijn verschillende soortelijke weerstand, microporiegrootte en rasterbreedte van MGF's (aanvullend bestand 1:figuur S4) goed uitgevoerd om de optimale resultaten tussen transparantie en bladweerstand te bestuderen. In Fig. 3k–l kan worden geschat dat de transmissie tot 200 keer is verhoogd, terwijl de weerstand van het vel slechts 5 keer toeneemt en de FoM is verhoogd van 0,4 naar 3,6. Als we rasters vergelijken met de MGF met een transmissie van 80%, is de FoM ongeveer 0,1 in figuur 1e. Ondertussen is de bladweerstand van de grafeenrasters 340 Ω sq ⁻¹ , wat slechts 2,5% van MGF is (13,5 kΩ sq ⁻¹ ). Dat wil zeggen, de FoM van de MGFG wordt verhoogd tot 3,6 van 0,1 van MGF onder de gelijke transmissie van 80%. Daarom kan met zekerheid worden geconcludeerd dat de transparantie en geleidbaarheid van MGFG drastisch zijn verbeterd dan die van MGF door aanpassing aan micro-grid. Om het visuele effect te demonstreren, wordt een MGF-monster van 5 cm × 5 cm gepresenteerd in natuurlijk licht. Het monster in Fig. 3m is volledig ondoorzichtig. Het is vermeldenswaard dat de transparantie van het monster drastisch wordt verbeterd na laseraanpassing. Het heldere landschap verschijnt door het voorbeeld van MGFG in figuur 3n.

Karakterisering van MGFG met verschillende ablatieverhoudingen. een –u Microscoopbeelden van MGFG met verschillende ablatieverhoudingen. Schaalbalken 200 m. ik Doorlaatbaarheid van MGFG met verschillende ablatieverhouding. j Vergelijking van de plaatweerstand en transmissie van MGFG met verschillende ablatieverhoudingen. k T en R _S gegevens voor MGFG met verschillende ablatieverhouding. ik FoM van MGFG met verschillende ablatieverhouding. m , n Foto's van 5 cm × 5 cm grafeenfilmmonster voor en na laserafwerking

Voor het demonstreren van toepassingen van de MGFG, laat Fig. 4a, b zien dat as-gefabriceerde roosters op een kwartssubstraat worden gebruikt als transparante elektrisch-thermische defogger. De elektrisch-thermische prestaties van de netten met 75% transmissie worden bestudeerd bij verschillende spanningen. Het is interessant om te zien dat veel waterdruppels op het oppervlak van roosters (Fig. 4a) binnen 2 minuten zijn verdwenen wanneer de stroom is ingeschakeld in Fig. 4b. Om het proces te identificeren, wordt de contourtemperatuurkaart van MGFG in figuur 4c gebruikt om het elektrisch-thermische gedrag direct te onderzoeken. Figuur 4d laat zien dat de oppervlaktetemperatuur van MGFG toeneemt met toenemende tijd en spanning. Het blijkt dat spanning veel invloed heeft op de temperatuur van MGFG. Bij dezelfde spanning neemt de temperatuur in de eerste fase sterk toe en heeft dan de neiging stabiel te zijn. Nader onderzoek wijst uit dat er meer thermische aggregatie is rond tweepuntselektroden in figuur 4c. Het geaccumuleerde thermische veld komt voornamelijk voort uit de inhomogene verdeling van de elektrische stroomdichtheid. De twee contact makende elektroden hebben een hogere stroomdichtheid dan andere plaatsen van een defogger, die een hogere temperatuur induceert. Op basis van dit mechanisme zou de stroomdichtheid van de defogger homogeen kunnen worden verdeeld om het gelokaliseerde en controleerbare thermische veld op het substraat te realiseren door MGFG af te stemmen op gewenste patronen. We hebben een riem van MGFG ontworpen door grafeenroosters op het substraat aan te passen, zoals geïllustreerd in figuur 4e. De resulterende contourtemperatuurkaart van de MGFG-riem vertoont een gelokaliseerde thermische laag op het substraat (Fig. 4g). Vervolgens is een reeks MGFG-riem ideaal ontworpen om elektriciteit homogeen te geleiden in Fig. 4h. Het experiment toont aan dat een uniform thermisch veld op het substraat kan worden verkregen in figuur 4h door gebruik te maken van vlakke elektroden en roosters op het substraat. Het is zeer nuttig om het elektrisch-thermische apparaat in de komende toekomst met hoge kwaliteit te fabriceren.

Ontwaseming op basis van MGFG. een , b Ontwasemingsprestaties van MGFG. c Contourtemperatuurkaart met betrekking tot het oppervlak van 5 cm × 5 cm MGFG onder 20 V. d Temperatuurprofielen van 1 cm × 1 cm MGFG bij verschillende spanning en tijd. e Schematische weergave van de MGFG-riemontwaseming. v Contourtemperatuurkaart van MGFG-riemontwaseming onder 25 V. g Schematische illustratie van MGFG-riemarrays met patroonontwaseming. u Contourtemperatuurkaart van MGFG-riemreeksen ontwaseming onder 25 V