石墨烯和氧化石墨烯制备及在光电领域的应用

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1、石墨烯和氧化石墨烯制备及在光电领域的应用　　石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈盖姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。　　摘要：碳是唯一一种在0～3维尺度上都有稳定存在的同素异形体的元素，并且每种结构都具有突出的性能。石墨烯可以被认为是构造碳的其他重要同素异形体的基本结构。简要介绍批量制备技术及其在光电领域的研究和应用。氧化石墨法在石墨烯制备方法中具有重要地位，许多薄膜和器件应用中都需要在溶液中处理，包

2、括用于触摸屏的透明电极、发光器件(LED)、场效应晶体管(FET)、光伏器件(OPV)、柔性电子器件、石墨烯复合物的应用。　　关键词：石墨烯;电容器;集成电路;透明电极　　一、引言　　关于石墨烯在透明电极领域的相关研究已经取得较大的进展，但仍需在提高片层电阻的同时维持适当的透明度。为了解决这些问题，研究者提出了很多方法，如掺入杂质，控制片层的尺寸和缺馅。理论证明石墨烯可以与铟锡氧化物(ITO)的整体性能相匹配，尽管结果还没有达到理论预估值，已经显著提高石墨烯超级电容器的比电容。对于复合材料的应用，关键是要阻止石墨烯薄片的堆叠，这一点我们可通过添加分散剂来实现。　　二、石墨烯在

3、光发射方面的应用　　官能团，包括OH、COOH，在氧化石墨烯片层边缘上像手柄一样来调节其性能。通过这种方法，各种分子被附着在石墨烯薄片上，使石墨烯/氧化石墨烯成为大规模应用中更通用的前体。　　卟啉类化合物是一种共轭分子，具有优良的光电性能。通过酰胺键将羧基官能团附着在氧化石墨烯上。用石墨烯和卟啉可以制备一种TPP-NHCO-SPFGraphene的纳米材料。荧光研究表明在卟啉和石墨烯结构之间的光致激发是一种有效额能量或电子转移方式。这样就会表现出出众的光发射效应，优于作为基准的光发射材料C60。其他共轭分子，如C60和低聚噻吩，也可以通过相似的方法修饰石墨烯薄片，并体现出相似

4、的光发射性能。　　三、从氧化石墨烯溶液中制备透明电极　　目前，标准的透明电极的市场产品是ITO。ITO有很多值得考虑的方面，有限的珍贵资源、成本、化学稳定性等等。单层石墨烯的透光度是97.7%，这种独特性能，与其显著地高电子迁移率，高的化学稳定性、优越的机械强度和弹性，使其成为透明电极的首选。　　3.1通过氧化石墨烯制备柔性透明电极　　用氧化石墨烯作为前体制备石墨烯器件可以用简单的溶液法处理。其中最常用的两个方法是化学还原法和热处理法。经过溶液处理过程，大部分官能团和缺陷都被除去了，这样石墨烯的固有结构和优越的导电性能基本可以恢复。　　通过GO制备石墨烯透明导电薄膜电极的一般

5、过程是先准备GO薄膜，然后进行还原。第一步可以有很多种方法，比如旋涂法/甩膜法、真空过滤法等等。通过旋涂法制备的氧化石墨烯薄膜，肼蒸汽还原后可以制得导电率达10-2to101S/cm，透光率80%的薄膜。表征透明电极，更重要的参数是薄层电阻和透光度。作为参考，ITO标准是在波长550nm时薄膜的透光度>90%，薄层电阻约为10-30Ω/sq。结合肼还原和热处理，可以将导电率提高到102S/cm以上。对于薄膜厚度在3-10nm时，薄层电阻可以提高到102-103Ω/sq，透光度80%以上。之后又有很多关于修饰的报道，通过用FGO取代GO，在相似的还

6、原和退火处理过程，薄膜的导电率可以提高大约1个数量级。关于化学还原成会明组报道的用HI制备的方法应引起注意，氧化石墨烯薄膜在氢碘酸中还原，制得的薄膜导电率3102S/cm，薄层电阻-1.6kΩ/sq，透光度达85%，比用其他还原方法制得的要好。更重要的是，这种方法保留了原氧化石墨烯薄膜中的完整性和灵活性。随着通过弧放电法制备FLG的提出，薄膜通过旋涂FLG的DMF溶液，不经过热处理，产物的薄层电阻670kΩ/sq，在550nm的条件下，透光度达65%，比在同样条件下还原GO和FGO，制得的产物效果更好。　　石墨烯电极也可以通过简单划算的喷墨打印技术制得

7、，因为氧化石墨烯容易分散。比如，在聚酰亚胺基底上的GO和FGO制得的电极，电导率-500and874S/m。打印石墨电极的电导率和机械灵活性在多次重复的弯曲试验后仍保持不变。基于这些结论，很多高质量的模型，甚至是完整的柔性电路/电路板，都可以直接打印在纸上或塑料板上。从GO溶液中制得的薄膜的电导率也可以显著表明，通过掺杂或使用复合材料。如，将还原后的GO(rGO)薄膜浸泡在亚硫酰氯或氯化金中，可提高薄膜的电导率3～5个数量级。我们报道过一种透明且灵活的石墨烯/PEDOT混合薄膜，是通过原位聚合法在rGO