[发明专利]基于三维石墨烯的柔性透明复合电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子材料技术领域，具体涉及一种柔性透明电极的制备方法，可用于太阳能电池、平板显示器、电磁屏蔽材料、薄膜晶体管(TFT)、热辐射反射镜、气敏元件、抗静电涂层以及半导体/绝缘体/半导体异质结制作的高新技术领域

背景技术

随着人们物质文化需求的提高和科学技术的发展，可穿戴及便携式电子产品受到了极大的欢迎，未来消费类电子器件将走向柔性化、透明化、可穿戴化，包括可卷曲显示器，电子纸，柔性电池等。因此，柔性并且轻便透明的储能装置将有很大的市场需求，作为储能器件的关键环节，其电极材料也必然要走向柔性化、透明化。并且随着半导体工艺水平的发展,用柔性衬底来制备各种薄膜半导体器件已成为现实。在有机衬底上沉积的透明导电薄膜不仅具有硬质衬底透明导电薄膜的光电性能,而且具有重量轻、可折叠、不易破碎、便于运输、设备投资少等优点。柔性透明导电膜材料可用于太阳能电池、平板显示器、电磁屏蔽材料、薄膜晶体管(TFT)、热辐射反射镜、气敏元件、抗静电涂层以及半导体/绝缘体/半导体异质结制作的高新技术领域。

一方面，传统的透明电极材料铟锡氧化物ITO因其优越的导电性和较高的可见光透过率，被广泛使用在传统的光电设备中，但因ITO自身的一些缺陷，特别是其电学性能在弯折、拉伸等情况下会剧烈降级，导致其在柔性器件中的应用难以展开。

石墨烯制备技术的迅速发展极大促进了器件柔性化、透明化的发展。由于石墨烯的透明度高，导电性好，机械性能也较好，用CVD法制备的石墨烯透明度可达98％，电阻只有32Ω/cm²。目前，已提出了很多利用石墨烯来做透明电极以及柔性电极的方法，主要有以下几类电极：利用掺杂等手段改良的石墨烯；石墨烯与柔性透明材料复合电极；基于石墨烯粉末或三维石墨烯粉末的柔性电极；基于三维石墨烯材料复合电极。其中：

利用掺杂等手段改良的石墨烯，其虽较于传统电极材料具有更为优异的柔性，但仍不足以承受重复性的拉伸试验，不适宜直接用作柔性透明电极，且在绝大多数的实际应用中，由于石墨烯层与层之间存在很强的π-π相互作用和范德瓦尔斯力，造成石墨烯片通常会发生团聚和堆叠，极大降低了石墨烯的有效面积，使石墨烯的应用潜能大打折扣。

石墨烯与柔性透明材料复合电极，其电极柔性好，透明度较高，导电率高，但其能量转换效率和电导率均低于基于三维石墨烯制作的电极。

基于石墨烯粉末或三维石墨烯粉末的柔性电极，其工艺较简单有效，但制作的柔性电极相较于利用具有完好空间结构的三维石墨烯制作的电极，其导电性和柔性都有所下降。

基于三维石墨烯材料复合电极，其能量的储存和转化性能优异，而且具有更高的电导率，其柔性也比利用单层石墨烯制作的电极更好，但是现有方法所制得的电极透明度不高，尚不足以达到柔性透明电极的应用要求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于三维石墨烯的柔性透明复合电极及其制备方法，以在保证三维石墨烯复合电极柔性性能的基础上，提高其透明度。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

1、一种基于三维石墨烯的柔性透明复合电极，其特征在于：包括柔性透明基板和三维石墨烯，且三维石墨烯覆盖在柔性透明基板的表面，形成复合电极结构。

作为优选，所述三维石墨烯的膜厚为100nm～300nm。

作为优选，所述柔性透明基板采用聚对苯二甲酸乙二酯PET或聚酰亚胺PI或聚碳酸酯PC等柔性透明有机聚合物。

2.一种基于三维石墨烯的柔性透明复合电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)采用化学气相沉积法，在泡沫金属上生长三维石墨烯：

在CVD系统管式炉的恒温区中放置洁净的泡沫金属衬底，再在气体碳源和保护气的环境中生长三维石墨烯，形成三维石墨烯/金属复合物，其中符号“/”表示前者在后者上；

2)将三维石墨烯转移至目标基底上：

2a)在三维石墨烯/金属复合物表面分两个阶段旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA胶，即先以900rpm低速旋转5～20s均匀涂胶，再以3500rpm高速旋转20～100s旋均匀涂胶；

2b)将涂有PMMA胶的三维石墨烯/金属复合物置于加热板上以80℃恒温加热20～60分钟，形成PMMA/三维石墨烯/金属复合物；

2c)将PMMA/三维石墨烯/金属复合物浸泡在浓度为0.28M过硫酸铵溶液中5h～7h，除去金属衬底，形成PMMA/三维石墨烯复合物；