当玻璃遇上石墨烯

玻璃与石墨烯,其一作为传统材料的代表之一,人们日常生产生活中随处可见;其一却是最典型的新材料,由学术界、产业界及金融界的先行者描绘的宏大蓝图目前还如同空中楼阁,暂时只有少数人才能触及。如果这两种材料结合在一起,究竟能擦出怎样的火花呢?

玻璃与石墨烯,其一作为传统材料的代表之一,人们日常生产生活中随处可见;其一却是最典型的新材料,由学术界、产业界及金融界的先行者描绘的宏大蓝图目前还如同空中楼阁,暂时只有少数人才能触及。如果这两种材料结合在一起,究竟能擦出怎样的火花呢?

实际上,科学家对如何在玻璃上覆盖一层石墨烯已经做了大量的研究。通常的玻璃作为一种典型的透明绝缘材料,在其上覆盖一层透明导电的石墨烯之后,可以用于表面防护、透明电极、光伏发电、屏幕触控、透明集成电路等多个方面,近来热炒的“石墨烯触屏手机”就是一个例子。此前,在玻璃上覆盖石墨烯的方法主要是将在金属表面上通过化学气相沉积(CVD)技术生长的石墨烯薄膜,通过刻蚀、保护、转移、清洗的一系列过程,转移到玻璃(包括其他绝缘材料)表面上。这种方法由于工序复杂,最终得到的石墨烯覆层会有开裂、褶皱等严重缺陷,影响了产品的性能。近年来也有科学家开发出了在玻璃等绝缘材料的表面上直接生长石墨烯层的方法,典型方法的有北京大学刘忠范院士所用的CVD法(Nano Lett., 2015, 15 (9),5846–5854),也有研究者尝试过先涂覆聚合物前驱体,背面覆盖金属催化剂,通过催化石墨化在硅片上得到石墨烯层的方法(J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 493–497),可谓八仙过海各显神通。

然而在这里,“玻璃石墨烯”的含义不仅仅是玻璃上覆盖一层石墨烯这么简单。近日,在苏州大学邹贵付教授领导下,几个研究团队的科学家利用类似上述背面催化的方法,以常见有机物葡萄糖和聚醚酰亚胺(PEI)为前驱体,在石英玻璃表面上制备了一种兼具石墨烯与玻璃碳特性的“玻璃石墨烯”薄膜——结构特点介于石墨烯与玻璃碳之间,结晶性好于玻璃碳,但与石墨烯相比,其晶格发生较大的扭曲;性能上则既具有玻璃碳高化学稳定性、高热稳定性的特点,又具有石墨烯高导电性与高柔性的特点。

具体来说,为得到这种“玻璃石墨烯”材料,研究者将前驱体制成水溶液,旋涂于玻璃基底上,然后在保护气氛下热处理(1000℃),得到玻璃碳;然后在碳层上蒸镀一层金属镍,在850℃下二次热处理,即可得到“玻璃石墨烯”。作者将这种方法称为“聚合物辅助沉积”(PAD)法。

研究者对这种材料进行了结构、性能上多方面的测试。结果表明,“玻璃石墨烯”的表面极为光滑;Raman光谱显示其既具有良好的石墨烯结构(明显的2D峰),又具有区别于完好石墨烯的一些结构缺陷(相对较高的D峰);透射电子显微镜则更直观地展示了“玻璃石墨烯”的扭曲但有序的结构。以面电阻的变化率为检验参数,测试了“玻璃石墨烯”的抗震、耐蚀、耐热性能,材料在测试中表现良好。采用激光直写技术代替第一次热处理,可以得到具有清晰的“玻璃石墨烯”图案,将其转移到柔性基底上,可以进一步制成柔性电子器件。

相对于此前报道的以聚合物前驱体在绝缘表面上生长石墨烯的工作,这里研究者采用了新种类的前驱体,石英玻璃为生长基底;由于前驱体的水溶性良好,制备过程中无需使用有害的有机溶剂;更深入地分析了所得材料的结构性能特点,提出了“玻璃石墨烯”的新概念;通过两步热处理法,获得的“玻璃石墨烯”材料的质量更好,性能更佳,并且研究者在此基础上,结合多种加工技术,进一步探索了这种材料在透明电极上的多项应用,使这项工作具有更高的价值。

当玻璃遇上石墨烯

图1 “玻璃石墨烯”的合成与结构表征

当玻璃遇上石墨烯

图2 “玻璃石墨烯”的抗震、耐蚀、耐热性能

当玻璃遇上石墨烯

图3PAD法结合激光直写技术制造“玻璃石墨烯”柔性电路

相关研究成果由苏州大学、伦敦大学学院、西安交通大学等单位的研究者共同发表于美国《科学》系列杂志Science Advances上。(X.Dai, J. Wu,Z.Qian,H. Wang*, G. Zou*, et al. Ultra-smooth glassy graphene thin films for flexibletransparent circuits.Science Advances.2016, Vol. 2, no. 11, e1601574)

本文来自中国材料网,本文观点不代表石墨烯网立场,转载请联系原作者。

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。