專利名稱：石墨烯透明導電薄膜的制備方法
技術領域：
本發明屬于材料技術領域，具體涉及一種石墨烯透明導電薄膜的制備方法。
背景技術：
2004英國曼徹斯特大學研究人員首次制備出單原子層石墨烯，石墨烯展現出的優異電學性能在全世界掀起研究熱潮。石墨烯是碳原子形成的六角蜂巢晶格平面空間內排列組成的單原子層兩維材料，又稱為單原子層石墨，其獨特的結構決定了它既有高韌性，又有高剛性，化學穩定性好，光學和電學性能優異。單原子層石墨烯的可見光吸收率僅為2. 3%， 理論面電阻20 ΩΛ氧化銦錫透明導電薄膜(ITO)在太陽能電池、觸摸屏、平板顯示器等電子器件中廣泛應用，但制備ITO透明電極的原材料銦是稀有貴金屬，且ITO是無機氧化物薄膜，呈脆性，限制了其在柔性顯示器件中的應用。石墨烯優異的光學和電學性能，高柔韌性和豐富的原材料，使其成為ITO理想替代材料。石墨烯最常用也最具有應用前景的制備方法是化學氣相沉積法(CVD法)。該方法石墨烯生成于金屬催化劑表面，須轉移至目標襯底。目前采用輥軋工藝轉移，需溶解去除金屬催化劑，除保護膜，易造成薄膜表面污染及無法重復利用催化劑等問題。

發明內容
本發明的目的就是針對現有技術的不足，提供一種石墨烯透明導電薄膜的制備方法，實現了薄膜無損、無污染、低成本轉移。本發明方法采用化學氣相沉積法(CVD法)以過渡金屬銅或鎳催化劑為基底，高溫保溫后快速冷卻，制備成1 5個碳原子層厚度的石墨烯導電層，然后轉移到透明基底層表本發明方法的具體步驟是
步驟(1).將金屬片用濃度為0. 5 1. 5M的鹽酸浸洗5 10秒，去離子水清洗后用氮氣吹干，放入電爐的石英管中；
所述的金屬片的金屬為鐵、銅、鎳、銅鎳合金、鐵鎳合金或銅鐵合金。步驟O).石英管中持續通入氬氣和氫氣的混合氣，氬氣與氫氣的流量比為5 15:10,將電爐溫度升至900 1000°C后保溫5 30分鐘。步驟(3).同時向石英管內通入甲烷，甲烷與氫氣的流量比為1 2:1，20 30分鐘后關閉通入甲烷氣體。步驟打開電爐，將石英管冷卻到常溫，冷卻速率為20 30°C /min，然后關閉通入氫氣和氬氣，取出金屬片。步驟(5).將透明襯底用去離子水清洗，然后用氮氣吹干，表面均勻涂覆粘結劑， 粘結劑厚度為0. 05 0. 1毫米；
所述的透明襯底為氧化硅玻璃或透明塑料薄膜；
所述的粘結劑為環氧樹脂、聚氨酯樹脂、丙烯酸酯樹脂中的一種。
步驟(6).將步驟(4)獲得的金屬片平貼在透明襯底表面，烘箱中40 60°C保溫 8 12小時，粘結劑固化。步驟(J).將貼有金屬片的透明襯底取出，用機械外力撕去金屬片，獲得層狀結構的石墨烯透明導電薄膜，其中底層為透明襯底層、中間層為粘結劑層、頂層為石墨烯導電層。本發明方法通過粘結劑將過渡金屬表面生長的石墨烯與透明襯底粘結在一起，通過機械外力將過渡金屬與石墨烯分離，分離后的石墨烯轉移至透明襯底表面。該方法制備的石墨烯透明導電薄膜，尺寸大、電導率高、可見光透光率高，表面無污染。
具體實施例方式實施例1
步驟(1).將鐵片(3cm X 2cm χ 0. 05cm)用濃度為0. 5Μ的鹽酸浸洗10秒，去離子水清洗后用氮氣吹干，放入電爐的石英管中；
步驟O).石英管中持續通入氬氣和氫氣的混合氣，氬氣與氫氣的流量比為1:2，將電爐溫度升至900°C后保溫30分鐘；
步驟(3).向石英管內通入甲烷，甲烷與氫氣的流量比為1:1，30分鐘后關閉通入甲烷氣體；
步驟打開電爐，將石英管冷卻到常溫，冷卻速率為20°C/min，然后關閉通入氫氣和氬氣，取出鐵片；
步驟(5).將氧化硅玻璃用去離子水清洗，然后用氮氣吹干，表面均勻涂覆粘結劑環氧樹脂，粘結劑厚度為0. 05毫米；
步驟(6).將步驟(4)獲得的鐵片平貼在氧化硅玻璃表面，烘箱中40°C保溫12小時，粘結劑固化；
步驟(7).將貼有鐵片的氧化硅玻璃取出，用機械外力撕去鐵片，獲得層狀結構的石墨烯透明導電薄膜，其中底層為氧化硅玻璃層、中間層為粘結劑層、頂層為石墨烯導電層。實施例2:
步驟(1).將銅片(3cm χ 3cm χ 0. (Mcm)用濃度為0. 6Μ的鹽酸浸洗9秒，去離子水清洗后用氮氣吹干，放入電爐的石英管中；
步驟O).石英管中持續通入氬氣和氫氣的混合氣，氬氣與氫氣的流量比為3:5，將電爐溫度升至920°C后保溫25分鐘；
步驟(3).向石英管內通入甲烷，甲烷與氫氣的流量比為1.2:1，25分鐘后關閉通入甲烷氣體；
步驟打開電爐，將石英管冷卻到常溫，冷卻速率為M°C/min，然后關閉通入氫氣和氬氣，取出銅片；
步驟(5).將透明塑料薄膜用去離子水清洗，然后用氮氣吹干，表面均勻涂覆粘結劑環氧樹脂，粘結劑厚度為0. 06毫米；
步驟(6).將步驟⑷獲得的銅片平貼在透明塑料薄膜表面，烘箱中45°C保溫11小時， 粘結劑固化；
步驟(7).將貼有銅片的透明塑料薄膜取出，用機械外力撕去銅片，獲得層狀結構的石墨烯透明導電薄膜，其中底層為透明塑料薄膜層、中間層為粘結劑層、頂層為石墨烯導電層。實施例3:
步驟(1).將鎳片(4cm χ 3cm χ 0. 05cm)用濃度為0. 8Μ的鹽酸浸8秒，去離子水清洗后用氮氣吹干，放入電爐的石英管中；
步驟O).石英管中持續通入氬氣和氫氣的混合氣，氬氣與氫氣的流量比為4:5，將電爐溫度升至950°C后保溫20分鐘；
步驟(3).向石英管內通入甲烷，甲烷與氫氣的流量比為1.5:1, 分鐘后關閉通入甲烷氣體；
步驟打開電爐，將石英管冷卻到常溫，冷卻速率為25°C/min，然后關閉通入氫氣和氬氣，取出鎳片；
步驟(5).將氧化硅玻璃用去離子水清洗，然后用氮氣吹干，表面均勻涂覆粘結劑丙烯酸酯樹脂，粘結劑厚度為0. 08毫米；
步驟(6).將步驟(4)獲得的鎳片平貼在氧化硅玻璃表面，烘箱中50°C保溫10小時，粘結劑固化；
步驟(7).將貼有鎳片的氧化硅玻璃取出，用機械外力撕去鎳片，獲得層狀結構的石墨烯透明導電薄膜，其中底層為氧化硅玻璃層、中間層為粘結劑層、頂層為石墨烯導電層。實施例4:
步驟(1).將銅鎳合金片(2cm χ 2cm χ 0. 03cm)用濃度為1. OM的鹽酸浸洗7秒，去離子水清洗后用氮氣吹干，放入電爐的石英管中；
步驟O).石英管中持續通入氬氣和氫氣的混合氣，氬氣與氫氣的流量比為1:1，將電爐溫度升至980°C后保溫15分鐘；
步驟(3).向石英管內通入甲烷，甲烷與氫氣的流量比為1.6:1，22分鐘后關閉通入甲烷氣體；
步驟打開電爐，將石英管冷卻到常溫，冷卻速率為^°C/min，然后關閉通入氫氣和氬氣，取出銅鎳合金片；
步驟(5).將透明塑料薄膜用去離子水清洗，然后用氮氣吹干，表面均勻涂覆粘結劑環氧樹脂，粘結劑厚度為0.1毫米；
步驟(6).將步驟(4)獲得的銅鎳合金片平貼在透明塑料薄膜表面，烘箱中55°C保溫9 小時，粘結劑固化；
步驟(7).將貼有銅鎳合金片的透明塑料薄膜取出，用機械外力撕去銅鎳合金片，獲得層狀結構的石墨烯透明導電薄膜，其中底層為透明塑料薄膜層、中間層為粘結劑層、頂層為石墨烯導電層。實施例5:
步驟(1).將鐵鎳合金片(5cm χ 5cm χ 0. 06cm)用濃度為1. 2M的鹽酸浸洗6秒，去離子水清洗后用氮氣吹干，放入電爐的石英管中；
步驟O).石英管中持續通入氬氣和氫氣的混合氣，氬氣與氫氣的流量比為6:5，將電爐溫度升至1000°C后保溫10分鐘；
步驟(3).向石英管內通入甲烷，甲烷與氫氣的流量比為2:1，20分鐘后關閉通入甲烷氣體；
步驟打開電爐，將石英管冷卻到常溫，冷卻速率為30°C /min，然后關閉通入氫氣和氬氣，取出鐵鎳合金片；
步驟(5).將氧化硅玻璃用去離子水清洗，然后用氮氣吹干，表面均勻涂覆粘結劑聚氨酯樹脂，粘結劑厚度為0. 05毫米；
步驟(6).將步驟(4)獲得的鐵鎳合金片平貼在氧化硅玻璃表面，烘箱中60°C保溫8小時，粘結劑固化；
步驟(7).將貼有鐵鎳合金片的氧化硅玻璃取出，用機械外力撕去鐵鎳合金片，獲得層狀結構的石墨烯透明導電薄膜，其中底層為氧化硅玻璃層、中間層為粘結劑層、頂層為石墨烯導電層。實施例6:
步驟(1).將銅鐵合金片(3cm χ 2cm χ 0. (Mcm)用濃度為1. 5Μ的鹽酸浸洗5秒，去離子水清洗后用氮氣吹干，放入電爐的石英管中；
步驟O).石英管中持續通入氬氣和氫氣的混合氣，氬氣與氫氣的流量比為3:2，將電爐溫度升至1000°C后保溫5分鐘；
步驟(3).向石英管內通入甲烷，甲烷與氫氣的流量比為1.8:1，25分鐘后關閉通入甲烷氣體；
步驟打開電爐，將石英管冷卻到常溫，冷卻速率為30°C/min，然后關閉通入氫氣和氬氣，取出銅鐵合金片；
步驟(5).將透明塑料薄膜用去離子水清洗，然后用氮氣吹干，表面均勻涂覆粘結劑丙烯酸酯樹脂，粘結劑厚度為0. 1毫米；
步驟(6).將步驟(4)獲得的銅鐵合金片平貼在透明塑料薄膜表面，烘箱中40°C保溫 10小時，粘結劑固化。步驟(J).將貼有銅鐵合金片的透明塑料薄膜取出，用機械外力撕去銅鐵合金片， 獲得層狀結構的石墨烯透明導電薄膜，其中底層為透明塑料薄膜層、中間層為粘結劑層、頂層為石墨烯導電層。
權利要求
1.石墨烯透明導電薄膜的制備方法，其特征在于該方法的具體步驟是步驟(1).將金屬片用濃度為0. 5 1. 5M的鹽酸浸洗5 10秒，去離子水清洗后用氮氣吹干，放入電爐的石英管中；步驟( .石英管中持續通入氬氣和氫氣的混合氣，氬氣與氫氣的流量比為5 15:10， 將電爐溫度升至900 1000°C后保溫5 30分鐘；步驟(3).同時向石英管內通入甲烷，甲烷與氫氣的流量比為1 2:1，20 30分鐘后關閉通入甲烷氣體；步驟打開電爐，將石英管冷卻到常溫，冷卻速率為20 30°C/min，然后關閉通入氫氣和氬氣，取出金屬片；步驟(5).將透明襯底用去離子水清洗，然后用氮氣吹干，表面均勻涂覆粘結劑，粘結劑厚度為0. 05 0. 1毫米；步驟(6).將步驟(4)獲得的金屬片平貼在透明襯底表面，烘箱中40 60°C保溫8 12小時，粘結劑固化；步驟(7).將貼有金屬片的透明襯底取出，用機械外力撕去金屬片，獲得層狀結構的石墨烯透明導電薄膜，其中底層為透明襯底層、中間層為粘結劑層、頂層為石墨烯導電層。
2.如權利要求1所述的石墨烯透明導電薄膜的制備方法，其特征在于所述的金屬片的金屬為鐵、銅、鎳、銅鎳合金、鐵鎳合金或銅鐵合金。
3.如權利要求1所述的石墨烯透明導電薄膜的制備方法，其特征在于所述的透明襯底為氧化硅玻璃或透明塑料薄膜。
4.如權利要求1所述的石墨烯透明導電薄膜的制備方法，其特征在于所述的粘結劑為環氧樹脂、聚氨酯樹脂、丙烯酸酯樹脂中的一種。
全文摘要
本發明涉及石墨烯透明導電薄膜的制備方法。目前大尺寸石墨烯導電薄膜向透明基底轉移制備透明導電薄膜的過程中需溶解去除金屬催化劑，去除高分子保護膜，易造成薄膜表面污染及無法重復利用催化劑的問題。本發明方法首先以過渡金屬為催化劑通過化學氣相沉積法制備了石墨烯，然后用粘結劑將過渡金屬表面生長的石墨烯與透明薄膜基底粘結在一起，通過機械外力將金屬與石墨烯分離，分離后的石墨烯轉移至透明基底表面實現了石墨烯透明導電薄膜的制備。本發明方法制備的石墨烯透明導電薄膜，尺寸大、表面無污染，光學、電學性能優異，成本低，而且還具有柔性，可用作氧化銦錫透明導電玻璃的替代材料。
文檔編號C23C16/26GK102337513SQ20111033683
公開日2012年2月1日 申請日期2011年10月31日 優先權日2011年10月31日
發明者劉海濤, 呂燕飛, 季振國, 趙士超, 霍德璇 申請人:杭州電子科技大學