基于二维材料水基墨水的电子器件研究

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自石墨烯(graphene)首次发现以来,二维材料因其独特的物理化学性质,在电子器件领域展现了巨大的应用潜力,然而如何大规模、低成本且环保地制备二维材料及其器件一直是研究人员所面临的挑战。鉴于此,本论文首先基于所在课题组研发出的新型水基分散剂制备出多种二维材料水基墨水,随后通过滴涂、旋涂、喷墨打印等方法制备了多种电子器件,包括石墨烯超级电容器、光电探测器以及电致发光(EL)器件等,并对其进行了系统研究。全文的主要研究内容如下:首先,本文使用2-羟基-7-萘磺酸钠(C10H9Na O4S)作为水基分散剂,通过超声机辅助剥离得到石墨烯和二硫化钨(WS2)、二硫化钼(MoS2)以及二碲化钼(MoTe2)等过渡金属硫属化合物(TMDCs)在内的二维材料水基分散液,通过调节其流变学参数得到可用于喷墨打印的水基墨水,并采用自主搭建的高帧率摄像系统捕捉到了不同打印模式下的液滴;再利用光学显微镜(OM)、拉曼光谱(Raman)、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等多种微区表征手段对其进行表征,结果证明了利用该方法得到的二维材料水基墨水具有优异的性质,为后续电子器件的制备与研究奠定基础;其次,采用石墨烯水基墨水作为电极材料,硫酸-聚乙烯醇(H2SO4-PVA)离子液体作为电解质,利用掩模板在柔性衬底上通过喷墨打印制备了石墨烯超级电容器,利用循环伏安法(CV)、恒电流充放电法(GCD)以及电化学阻抗谱(EIS)等对其电化学性能进行了表征,并测试了器件的串并联特性,得到单个器件最高体电容值可达5.5 F/cm~3,最大能量密度和功率密度可达0.763 m Wh/cm~3和390 W/cm~3;接着,基于石墨烯图案化电极,结合传统EL器件的发光层和介质层材料制备了图案化EL器件,其中图案化过程是由自行研发的平面切割机制备出的柔性掩模所完成,利用光谱仪测试了该器件在120 V,3 kHz下的发光波长,并结合信号发生器和电压放大器组成的可变电压源,测试了该器件在不同电压、频率下的发光亮度以及经多次形变后的稳定性;结果显示,所制备的石墨烯EL器件发光波长在450-550 nm之间,其发光亮度在200 V,3 kHz的条件下最大可达500 cd/m~2,且在经形变500次后发光亮度仅减少约10%;最后,结合TMDCs水基墨水与CVD石墨烯,通过喷墨打印的方式制备出基于TMDCs/graphene垂直异质结的光电探测器件,并对其性能进行优化,其最高光响应度可达2.5 A/W。作为对比,利用实验室现有的CVD制备的TMDCs单晶薄膜,采用转移堆叠的方法制备了基于CVD TMDCs/graphene垂直异质结的光电探测器,发现该器件的光响应度仅为0.1 A/W,这是由于喷墨打印TMDCs厚度远大于CVD单层薄膜,且没有转移过程的有机物污染,故喷墨打印的垂直异质结表现出更好的特性。
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