Laser-ontworpen Multilagen Grafene Raster Elektroden Leveren Ultra-transparante, Lage-Weerstand Elektrodes

Samenvatting

Toepassingen van grafeen als transparante geleidende elektroden (TCE) zijn gehinderd door de hoge kosten van einkristallijne grafeen of de afweging tussen transparantie en vlakke weerstand van polykristallijne grafeen. In dit werk voeren we de fabricage van multilagen grafeen film rastern (MGFG) in om de transparantie te verbeteren en lage vlakke weerstand te behouden door IR-laser afsnijden. Het is aangetoond dat de transparantie van MGFG met 200 keer kan toenemen terwijl de competitieve vlakke weerstand zo laag blijft als 340 Ω □⁻¹ door het aanpassen van het afsnijraster, en de corresponderende figuur van verdienste (FoM) stijgt van 0,1 tot 3,6. De verkregen MGFG wordt gedemonstreerd in het genereren van controleerbare lokale thermische velden en efficiënt ontvochtigen. De strategie van laser-afsnijden van rastern zal de toepassingen van grafeen voor transparante elektrodes in de industrie aanzienlijk vooruitgang boeken.

Inleiding

Grafene wordt hoog gewaardeerd als kandidaat voor TCE vanwege de uitstekende elektrische en optische eigenschappen. Grootschalige en einkristallijne grafeen op metaalsubstraten gedeponeerd via chemische dampdepositie (CVD) toont uitstekende transparantie (~97%) en geleidbaarheid (<100 Ω □⁻¹). De relatief lage groeisnelheid en het transferproces verhogen echter de productiekosten en hinderen industriële toepassing. Om de productiekosten te verlagen, is veel werk verricht aan het direct depositie van polykristallijne grafeen op commercieel glas en de toepassing ervan voor elektrisch-thermische apparaten, celcultuur, slimme ramen en touchpanels. Hoewel de groeisnelheid sterk is verbeterd, daalt de geleidbaarheid van polykristallijne grafeen sterk ten opzichte van einkristallijne grafeen. Aan de ene kant toont grafeenfilm met ~95% transmissie een vlakke weerstand tot 6,1 kΩ □⁻¹, aan de andere kant daalt de transmissie onder 50% door diktevermeerdering bij een vlakke weerstand onder 0,5 kΩ □⁻¹. Er blijft dus een grote uitdaging om de balans tussen vlakke weerstand en transmissie voor grafeenfilm te vinden. Hiervoorstellen we een laser-afsnijroute voor het fabriceren van grafeen rastern om hoge transparantie en goede geleidbaarheid van multilagen grafeenfilm (MGF) te realiseren. IR-laser wordt toegepast om de multilagen grafeen gedeeltelijk te ablateren en de dunne film in een gewenst patroon te snijden. De filmtransparantie neemt opmerkelijk toe van 0,38 tot 75% terwijl de vlakke weerstand laag blijft op 350 Ω □⁻¹ door het aanpassen van openingformaat of rasterbreedte. Het is de moeite waard om op te merken dat het laser-afsnijproces snel is: het afsnijden van een 5 cm × 5 cm dunne film kan binnen 1 minuut voltooid worden, wat brede toepassing voor grootschalige productie in de industrie garandeert. We demonstreren efficiënte ontvochtigers gebaseerd op MGFG alsook controleerbare lokale thermische velden op substraat door het ontwerpen van de rasterpatronen. De hoog-transparante en geleidende MGFG zal grote potentiële toepassingen hebben als transparante elektrodes in touchpanels, slimme ramen en draagbare apparaten.

Resultaten en Discussie

Initieel worden MGF met verschillende diktes op transparante kwarts-substraten gedeponeerd via chemische dampdepositie. Hierbij wordt polystyreen (PS) gebruikt als koolstofbron die verdampt bij 300 °C en op het substraat depositieert bij 1000 °C onder Ar/H₂-atmosfeer. Om de groei van multilagen grafeen te assisteren, worden Fe-ionen gecoördineerd met polyethyleenimine op het substraat gespindroogd en gecoat als katalysator (Fig. 1a). Tijdens het anneringsproces aggregeren Fe-ionen en transformeren ze in Fe-nanodeeltjes in de film. Bijlage 1: Figuur S1 presenteert de invloed van verschillende Fe³⁺-concentraties op de morfologie en kristallisatie van MGF (Bijlage 1: Figuur S1, Supporting information). Om de kwaliteit van MGF te waarborgen, is 0,5 mg/ml Fe³⁺ optimaal voor het groeien van hoge-dichtheid grafeenfilms. Men vindt dat het Ramanspectrum van de gedeponeerde film zonder Fe-katalysator (Fig. 1b) geen representatieve 2D- en D+G-banden van grafeen bevat, maar brede G- en D-banden. Met de hulp van de Fe-katalysator op het substraat toont het corresponderende Ramanspectrum duidelijke 2D-band op 2684 nm en D+G-band op 2933 nm naast D-band op 1342 nm, G-band op 1592 nm, wat aangeeft dat de gedeponeerde dunne film kenmerken van grafeen vertoont. De SEM-afbeelding in Fig. 1c toont duidelijk de hoge dichtheid en gladheid van MGF. MGF met verschillende diktes worden gefabriceerd door de hoeveelheid PS aan te passen (Fig. 1d, e). Men ziet dat zowel filmvlakke weerstand als transmissie scherp dalen met toenemende filmdikte. Een 3-nm-dikke film heeft hoge transparantie met 80% transmissie bij 550 nm maar slechte geleidbaarheid met een vlakke weerstand van 13,5 kΩ □⁻¹, terwijl een filmweerstand van 0,1 kΩ □⁻¹ correspondeert met een verbazingwekkend lage transmissie van 0,38%. Meestal wordt de kwaliteitsfactor FoM geïntroduceerd om de relatie tussen resistiviteit en transparantie van de MGF als transparante elektrodes te evalueren. FoM wordt berekend via Vergelijking (1) waarbij transmissie en vlakke weerstand T en R_s zijn.

$$ \mathrm{FoM}=\frac{188.5}{Rs\left(\sqrt{\frac{1}{T}}-1\right)} $$ (1)

Hierbij kan FoM van de MGF's met verschillende diktes van 10 nm tot 350 nm worden berekend van 0,1 tot 0,5 in Fig. 1f, wat vergelijkbaar is met gerapporteerd geëxfolieerd grafiet.

Hoe de FoM van as-groeide MGF te verbeteren? Het belangrijkste is de tegenstrijdigheid tussen transparantie en vlakke weerstand zoals hierboven beschreven te balanceren. Hierbij werd IR-laser toegepast om MGF te ablateren voor het creëren van micro-rasterstructuren (Fig. 2a). Het afsnijproces baseert op het mechanisme dat de film de krachtige energie van de sterk gefocuste laserstraal absorbeert en omzet in hoog-dichte thermische energie, wat resulteert in instantane ablatie op de bestralingsplaats. Met behulp van een laser direct schrijfsysteem kan de multilagen grafeen dunne film in willekeurige patronen worden afgesneden (Bijlage 1: Figuur S2) door laservermogen, scansnelheid en straaldiameter fijn af te stellen. De kenmerkbreedte van het afsnijspoor is geoptimaliseerd van 25 μm tot 100 μm, en de minimale patroonbreedte is tot 5 μm. Om optimale FoM te verkrijgen, wordt de rasterstructuur van schermvenster gefabriceerd in Fig. 2b, c. Men ziet goed georganiseerde microstructuren in microscopische afbeeldingen van de gefabriceerde MGFG in transmissie- en reflectiemodus respectievelijk. De afgesneden microporen zijn uniform en transparant, terwijl de overgebleven rastern verbonden zijn. SEM-afbeeldingen in Bijlage 1: Figuur S3 illustreren de details van de grafeenfilmstructuur inclusief microporen en rastern. De micropoorgrootte is ongeveer 100 μm. Figuur 2d, e toont de rechte en scherpe rand van MGFG in AFM- en SEM-afbeeldingen. Het bewijst dat het afsnijproces zeer effectief is om hoogwaardige patronen te produceren. Figuur 2f toont de Ramanspectra van de afgesneden rastern dat de overgebleven rastern de oorspronkelijke structuur van MGFG behouden zonder verslechtering na het afsnijproces, terwijl de residuele vlokken een relatief hogere D-band en zwakkere 2D-band vertonen door het laserablatieproces. Verdere studie van infraroodabsorptie wordt uitgevoerd voor en na ablatie van MGFG. Er is geen duidelijke absorptie voor geablateerde MGFG in Fig. 2g, wat suggereert dat de grafeenlagen goed kunnen worden verwijderd door laserablatie.

Om de invloeden op transmissie en vlakke weerstand van afgesneden rasterparameters te evalueren, voerden we een reeks MGFG uit met verschillende ablatieratio's van Fig. 3a–h. De micropoorgrootte wordt fijn afgesteld van 100 μm × 100 μm tot 250 μm × 250 μm, en de lijnbreedte wordt afgesteld van 180 μm tot 30 μm. Naarmate de ablatieratio toeneemt van 0 tot 75%, neemt de transmissie toe van 0,38 tot 75% en de vlakke weerstand toe van 70 Ω □⁻¹ tot 340 Ω □⁻¹ in Fig. 3i–j. Daarnaast worden verschillende resistiviteit, micropoorgrootte en rasterbreedte van MGF's (Bijlage 1: Figuur S4) goed uitgevoerd om de optimale resultaten tussen transparantie en vlakke weerstand te bestuderen. In Fig. 3k–l kan worden geschat dat de transmissie zo veel als 200 keer is toegenomen terwijl de vlakke weerstand slechts 5 keer toeneemt, en de FoM stijgt van 0,4 tot 3,6. Vergeleken met rastern met de MGF bij een transmissie van 80%, is de FoM ongeveer 0,1 in Fig. 1e. Tegelijkertijd is de vlakke weerstand van de grafeen rastern 340 Ω □⁻¹, wat slechts 2,5% is van MGF (13,5 kΩ □⁻¹). Dat wil zeggen, de FoM van de MGFG is zo hoog als 3,6 gestegen van 0,1 van MGF onder gelijke transmissie van 80%. Daarom kan met zekerheid worden geconcludeerd dat de transparantie en geleidbaarheid van MGFG dramatisch zijn verbeterd ten opzichte van MGF door afsnijden in micro-raster. Om het visuele effect te demonstreren, wordt een 5 cm × 5 cm MGF-monster gepresenteerd in natuurlijk licht. Het monster in Fig. 3m is volledig opaak. Het is de moeite waard om op te merken dat de transparantie van het monster dramatisch verbetert na laser-afsnijden. Het heldere landschap verschijnt door het MGFG-monster in Fig. 3n.

Voor het demonstreren van toepassingen van de MGFG, toont Fig. 4a, b dat de as-gefabriceerde rastern op een kwarts-substraat worden gebruikt als transparante elektrisch-thermische ontvochtigers. De elektrisch-thermische prestaties van de rastern met 75% transmissie worden bestudeerd bij verschillende spanningen. Het is interessant te zien dat veel waterdruppels op het oppervlak van de rastern (Fig. 4a) binnen 2 minuten verdwenen zijn wanneer de stroom aanstaat in Fig. 4b. Om het proces te identificeren, wordt een contourtemperatuurkaart van MGFG in Fig. 4c gebruikt om het elektrisch-thermische gedrag direct te onderzoeken. Figuur 4d toont dat de oppervlaktetemperatuur van MGFG toeneemt met toenemende tijd en spanning. Men vindt dat spanning de temperatuur van MGFG sterk beïnvloedt. Bij dezelfde spanning stijgt de temperatuur scherp in de eerste fase en neigt daarna tot stabiliteit. Vervolgonderzoek vindt dat er meer thermische aggregatie is rond twee-punt elektroden in Fig. 4c. De geaccumuleerde thermische veld ontstaat voornamelijk uit de inhomogene verdeling van elektrische stroomdichtheid. De twee contactelektroden hebben een hogere stroomdichtheid dan andere plaatsen van een ontvochtiger, wat hogere temperatuur induceert. Op basis van dit mechanisme kan de stroomdichtheid van de ontvochtiger homogeen worden verdeeld om het gelokaliseerde en controleerbare thermische veld op het substraat te realiseren door MGFG in gewenste patronen af te snijden. We ontwierpen een band van MGFG door grafeen rastern op substraat af te snijden zoals geïllustreerd in Fig. 4e. De resulterende contourtemperatuurkaart van MGFG-band vertoont een gelokaliseerd thermisch veld op substraat (Fig. 4g). Vervolgens wordt een array van MGFG-band ideaal ontworpen om elektriciteit homogeen te geleiden in Fig. 4h. Het experiment demonstreert dat een uniform thermisch veld op substraat kan worden verkregen in Fig. 4h door gebruik te maken van vlakke elektroden en rastern band arrays op substraat. Dit is zeer nuttig om in de toekomst elektrisch-thermische apparaten met hoge kwaliteit te fabriceren.

Conclusie

IR-laser wordt gebruikt om niet-transparante MGF te transformeren in hoog-transparante en geleidende elektrodes door het afsnijden van micro-rasterstructuren. Willekeurige multilagen grafeen patronen kunnen worden verkregen onder hulp van CAD-ontwerp en laser direct schrijfsysteem. Het is de moeite waard om op te merken dat het afsnijproces snel is voor grootschalige productie van gewenste structuur. De transparantie van de goed geleidende MGF kan aanzienlijk worden verbeterd van 0 tot 80% door gedeeltelijke ablatie en creatie van micro-rasters. Toepassingen van de MGFG worden gedemonstreerd voor elektrisch-thermisch apparaat en controleerbaar gelokaliseerd thermisch veld op het substraat door het ontwerpen van de rasterpatronen. Deze route van het fabriceren van grafeen rastern is effectief om de mogelijkheid open te zetten voor multilagen grafeen of zelfs grafietfilm om direct te worden gebruikt als transparante elektrodes zonder ingewikkeld exfoliatieproces.

Methoden

Materialen

De voorloper van aqueous Fe³⁺-ion katalysator wordt bereid door 2,5 g FeCl₃ toe te voegen aan een oplossing bevattende 1 g polyethyleenimine (PEI), 1 g ethylenediaminetetraacetaat (EDTA) en 30 mL water. Na ultrafiltratie was de finale Fe-concentratie 28,20 mg/mL gemeten door een inductief gekoppelde plasma atoomemissiespectrometer (ICP-AES, PerkinElmer Optima 8000). De oplossing met een concentratie van 28,20 mg/ml Fe³⁺ wordt verdund tot 0,5 mg/ml en vervolgens gespindroogd op kwarts-substraten bij 5000 rpm gedurende 30 s. De films werden geannneald bij 1000 °C gedurende 10 min met Polystyreen (PS) aan één kant van de buis als koolstofbron.

Grafene raster wordt afgesneden door 1064 nm IR-laser (YDFLP-20-M1+-S) geleverd door JPT Electronics bij scansnelheid van 100 mm/s, vermogen van 2 W, frequentie van 42 Hz en pulsgrootte van 100 ns.

Karakterisaties

Ramanspectra werden verzameld van Horiba Jobin Yvon HR Evolution. Scanning-electronmicroscopie (SEM) analyse werd uitgevoerd op een FEI Scios, werkend bij 10 kV. De optische afbeelding werd verkregen van Metallografische microscoop CMM-55E. Vlakke weerstand werd getest door de vier-punt tester ST2263. Transmissie werd getest op een Shimadzu UV-2450. Contourtemperatuurkaart werd gemeten door een infraroodcamera (VarioCAM) van InfraTec.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Alle data gegenereerd of geanalyseerd tijdens deze studie zijn opgenomen in dit artikel.

Afkortingen

CVD:

Chemische dampdepositie

EDTA:

Ethylenediaminetetraacetaat

FoM:

Figuren van verdienste

MGF:

Multilagen grafeenfilm

MGFG:

Multilagen grafeenfilm rastern

PEI:

Polyethyleenimine

PS:

Polystyreen

SEM:

Scanning-electronmicroscopie

TCE:

Transparante geleidende elektrodes