清潔石墨烯助力器件獲得更好的性能

譯海擷英

清潔石墨烯助力器件獲得更好的性能

石墨烯是由單層碳原子構成的二維六角狀結構晶體，它有一個小缺點：容易導致臟污。當研究人員利用石墨烯制造電子設備時，在標準的制備流程中，這種細膩、單個碳原子厚度的材料移動時可能會造成污染或損壞，從而降低電子器件的性能。但是最近，中國臺灣省的研究人員已經發現了一種簡單優雅的石墨烯轉移方法，該方法可以保持材料表面清潔而不被污染。

科學家們采用化學氣相沉積法在銅表面制備高品質、大面積的石墨烯片。由于石墨烯具有優異的導電性和透明性，這些石墨烯片通常在晶體管、發光二極管、太陽能電池等器件中作為電極使用。制備上述器件的第一個步驟是將石墨烯從銅基片上脫除，不幸的是，這便是污染問題產生的開始，國立臺灣大學的電氣工程教授Chih-I Wu（吳志毅）如此認為。

據吳教授介紹，最常用的石墨烯遷移方法是在其上放置一種聚合物基的材料，在石墨烯下面的金屬被蝕刻掉時充當固定作用。但是，該方法容易留下聚合物殘余而污染石墨烯，盡管部分有機殘余可以通過各種溶劑法或熱處理法除去。此外，這種清洗方式會在材料表面產生應力，導致石墨烯薄片的損壞，從而不能呈現最佳性能。

吳教授的研究小組報道了一種更直接、更清潔的石墨烯遷移方法：首先，將銅基片及其連接的石墨烯浸沒在填充有金屬蝕刻溶液的陪替式培養皿中，在蝕刻液的作用下，石墨烯被釋放并漂浮在溶液表面上；隨后，研究人員利用兩個注射器將培養皿的蝕刻劑替換為異丙醇和水的混合物，一個注射器緩慢抽取蝕刻劑，另一個則緩慢注射異丙醇-水混合物。

接下來，研究人員將正在構建的器件滑到漂浮著的石墨烯薄片正下方。利用注射器，研究人員將醇-水混合物完全除去，從而使石墨烯降落到器件上。石墨烯和器件頂端的范德華力將兩種材料固定在一起。

研究人員制備了一系列器件來測試他們新的石墨烯遷移方法，其中包括透明有機太陽能電池，該電池的頂部和底端嵌有石墨烯電極，因此它可以吸收兩側的太陽光。此外，研究人員還制備了基于石墨烯的晶體管，與聚合物脫除的石墨烯所制成的晶體管相比，電荷在新方法所得石墨烯晶體管中的遷移速率提高了50%，這也證明了新方法可以提高石墨烯的質量。

德克薩斯大學奧斯汀分校的納米材料專家Rondney S.Ruoff以“有趣的和有益的”來評價該方法，他建議用該方法制得的石墨烯制備被稱為BiSFET的超低功耗晶體管，因為在理想狀態下，BiSFET所用的石墨烯必須非常干凈。

可被拉伸的發光二極管

最近，科學家們開發出一種新型發光二極管（LED），當反復拉伸時，該二極管仍然可以有效發光并且明亮度不減。這種彈性光發射器可用于制造新型設備，如柔性手機屏幕或可穿戴電子產品。

據加州大學洛杉磯分校的材料科學家Qibing Pei介紹，彈性LED背后的關鍵是由導電網絡組成的透明電極，該導電網絡由點綴有氧化石墨烯薄片的銀納米線組成。氧化石墨烯的作用類似于焊劑，將銀納米線的聯結點包圍并將接頭鍛造在一起。這種焊接方式可確保當電極拉伸時，不會由于銀納米線之間的相互摩擦而導致導電性能的降低。

為制造該透明電極，Pei和他的同事們將涂有銀納米線的玻璃片浸泡在氧化石墨烯薄片的分散液中，靜電力作用使石墨烯薄片與銀納米線的聯結點緊密結合在一起。之后，研究人員在銀納米線上添加氨基丙烯酸酯單體并使其凝固。當研究人員將聚合物膜剝離時，得到銀納米線-石墨烯-氧化物構成的彈性網絡結構。據研究人員報道，與通常用作柔性光電器件電極的銦-錫氧化物涂覆的聚乙烯膜相比，他們制得的彈性膜的透明度提高了5%，導電性能提高了35%。

最后，該研究小組通過將一層白光發光聚合物膜放置于兩個可拉伸的導電膜之間制得了一種有機發光二極管（OLED）。研究人員將該器件拉伸至其原始尺寸的2倍時，它依然可以有效發光，但該拉伸活動只能進行一次。如果將拉伸量控制在原始尺寸的40%之內時，該器件可重復拉伸100次左右。

（本欄目編輯：李麗平）