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一文带你了解石墨烯透明导电薄膜

 0 来源:模切之家 2018-01-04


石墨烯透明导电薄膜


石墨烯作为一种有着特殊性能的材料,目前已应用于透明导电电极、触控屏、太阳能电池、锂电池、超级电容器、导热薄膜、海水淡化、环境污染治理等领域(见图1),被人们寄予了厚望。



 图1  石墨烯的优异特性及应用领域


欧盟于2013年年初启动的超大规模石墨烯“旗舰”研究计划中,透明导电膜研究是其中的重要内容之一。


与此同时,许多世界级企业如美国IBM、德国BASF、韩国三星等纷纷投入巨资开展石墨烯透明导电薄膜产品的研究与开发,以期在这一新材料开发领域占据有利位置。三星公司更是宣布在不久的将来要将石墨烯透明导电膜商品化。

国际上石墨烯的发展热潮也逐渐影响到我国的学术界与企业界,尤其自2010年石墨烯的发现者获得诺贝尔奖之后,我国各级政府部门逐渐加大了对石墨烯研究的支持力度,国家自然科学基金委员会、国家科学技术部、中国科学院等部门先后启动了多项针对石墨烯重大项目的研究,北京、上海、江苏、浙江、广东等许多地方也先后提出了支持石墨烯研发的策略与方案,许多企业也纷纷通过调研、合作研发、中试投资等方式介入石墨烯产品的研发,从而使我国石墨烯研发与应用研究逐渐进入起步阶段。


石墨烯透明导电膜的研发也不例外,国内已经诞生了一些石墨烯透明导电膜研发企业。

然而,目前国内外开展石墨烯透明导电膜研发所面临的核心问题仍然是石墨烯膜的大面积、低成本、高质量制备技术。


到目前为止,国内外广泛采用的石墨烯膜制备技术是化学气相沉积(CVD)技术。这一技术路线能够得到质量较好的大片单层石墨烯,在透光率和面电阻上具有性能优势,但仍然存在许多致命的缺点,如工艺路线复杂、成本高、良品率低、薄膜面积受限等。


而石墨烯的另一制备技术——氧化还原法采用溶液制程,便于通过卷对卷工艺实现大面积连续化制备,成本上具有很大优势,但由于石墨烯片有一定缺陷,边界较多,在性能上略有不足。总之,要实现石墨烯透明导电膜的规模化和商品化生产还需要进一步的技术创新以及大量的人力物力投入。

国家纳米科学中心智林杰课题组在石墨烯透明导电薄膜的氧化还原法制备方面做了大量研究,研究开发的石墨烯透明导电膜生产技术与国内外同类技术相比具有独特的技术优势,在国际上首次采用棒涂技术实现了氧化石墨烯薄膜的大面积、连续化、快速涂膜;在国际上首次采用室温催化还原技术并实现了氧化石墨烯膜的快速、高效、绿色还原;形成了首条基于辊对辊工艺的石墨烯透明导电薄膜连续化生产线。


通过应用石墨烯透明导电膜,使得智能调光膜产品的成本大幅降低,生产效率大大提高,这对于快速、全面推广石墨烯膜材料的实际应用、在较短时间内迅速与多样化的终端产品及市场接轨至关重要。


石墨烯透明导电膜研发现状


石墨烯作为柔性透明导电膜近年来展示了很大的应用潜力,目前,制备石墨烯透明导电膜主要有两大类途径:

①自下而上地通过CVD得到高质量的单层或少层石墨烯,或通过含苯环的分子前驱体高温下交联得到类石墨烯结构,然后转移到透明的目标基底上;

    

②自上而下的采用溶液的方法制膜,所用的膜液为物理剥离得到的少层石墨烯分散液,或化学法得到的氧化石墨烯溶液成膜后进行后处理或还原步骤。


制膜方法与碳纳米管薄膜类似,如真空抽滤法、旋涂法、喷涂法、线棒涂膜法、Langmuir-Blodgett薄膜法等,两类方法都可以实现大面积连续化制备,并且在透明导电膜的应用上展现出巨大的潜力。

    

现阶段石墨烯薄膜的主要问题是大尺寸膜的制备以及价格偏高,不过这些问题正在出现好转。

除了对材料本身进行掺杂改性,复合是一种很好的提升性能的手段。

    

金属是良好的导体,近几年来其纳米结构也常被用作碳纳米材料的复合组分,其中金属线由于是一维结构,对于透光性的影响较小而更受关注。

    

金属线与石墨烯的复合透明导电膜近几年得到了广泛研究,虽然此类工作得到了透光性和导电性能非常优异的透明导电薄膜,但从导电性数据上看,金属纳米结构对于复合物薄膜整体导电性的提升发挥了更重要的作用。


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