柔性石墨烯/PET基体保护膜的制备及复合薄膜性能研究

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透明导电薄膜(Transparent conducting films,TCFs)是指在可见光(波长在380760nm)范围内的透光率为74%90%,方块电阻为几十欧姆的导电薄膜。它是一种重要的光电信息材料,作为前电极被广泛应用于太阳能电池、平面液晶显示器、传感器、飞机汽车挡风玻璃。透明导电薄膜的代表为铟锡氧化物透明导电薄膜(ITO)。此薄膜价格昂贵且脆性大,应用时厚度要求大于300nm,很难制成柔性电极。石墨烯具有良好的导电性、透光性、热学性能,强度大且超薄,同时石墨烯又具有可挠曲性,因此柔性石墨烯透明导电薄膜可以替代传统的脆性透明导电薄膜。但是石墨烯只有单层、双层或几层碳原子层厚,耐划伤性不理想,容易被破坏,进而失去它优异的特性。因此,如何制备出良好的石墨烯保护膜十分重要且有意义。本文旨在双层石墨烯/PET(dg/PET)基体上制备出石墨烯保护膜,使复合薄膜保持石墨烯的光电性能基本不变的同时,获得可挠曲性,并起到保护石墨烯的作用。分别采用磁控溅射和真空蒸镀两种制备方法,在dg/PET上制备ZnO、TiN、GaN三种不同材料的薄膜。分别采用磁控溅射和真空蒸镀在dg/PET基体上,制备了ZnO、TiN、GaN保护膜。实验结果表明:射频磁控溅射制备的ZnO、TiN、GaN与石墨烯复合薄膜的方阻分别为2.3×106Ω·sq-1,1.4×106Ω·sq-1,1.1×106Ω·sq-1;脉冲直流磁控溅射制备的ZnO、TiN、GaN与石墨烯复合薄膜方阻分别为3.7×106Ω·sq-1,1.3×106Ω·sq-1,1.4×106Ω·sq-1;真空蒸镀制备的ZnO、TiN、GaN与石墨烯复合薄膜的方阻分别为5530Ω·sq-1,835Ω·sq-1,334Ω·sq-1。脉冲直流、射频磁控溅射法在石墨烯(dg)/PET基体上制备的氧化锌(ZnO)、氮化钛(TiN)和氮化镓(GaN)的方阻均为106Ω·sq-1,远大于石墨烯自身方阻157Ω·sq-1。分别用分光光度计、霍尔效应仪及X-射线光电子谱对蒸发镀复合薄膜光电性能和界面结构进行了检测、分析。扫描电镜观察TiN/dg/PET复合薄膜表面形貌显示,复合薄膜表面存在裂纹,没能完全、均匀地覆盖dg/PET基体。对GaN/dg/PET复合薄膜的检测分析表明,GaN保护膜以非晶形式均匀覆盖石墨烯且不与石墨烯产生C-N键;当GaN层约35nm厚度以下时,入射光为600nm处复合薄膜的透光率达80%;蒸镀GaN/dg/PET复合薄膜的方块电阻为216Ω·sq-1,接近石墨烯自身方块电阻,其光电性能均满足透明导电薄膜的要求。总之,利用真空蒸镀法制备GaN/dg/PET超薄透明导电薄膜,其光电性能优异,具有挠性,具有替代传统的透明导电薄膜的潜力及潜在的应用前景。
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