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石墨烯導(dǎo)電材料在透明電極中的應(yīng)用進(jìn)展

作為光電器件中的核心部件，透明電極在發(fā)光二極管（LED）,、液晶顯示器（LCD）及有機(jī)太陽能電池等方面應(yīng)用十分廣泛,，通常要求其在550nm下可視光源穿透率在80% 以上，面阻抗為1000Ω/sq 以下或者滿足1000S/m 的電導(dǎo)率,。

透明電極應(yīng)用在多個方面,，包括觸摸屏，太陽能電池,，智能窗戶玻璃,，液晶顯示器，有機(jī)發(fā)光二極管等,。隨著各行各業(yè)的迅猛發(fā)展,，透明電極的性能也面臨著越來越高的挑戰(zhàn)，既要求高透光率,，同時還要求低電阻,。與此同時，對于材料本身的機(jī)械強(qiáng)度,、耐化學(xué)性,、耐熱性以及功函數(shù)都有極高的要求。而石墨烯作為優(yōu)良的導(dǎo)電材料,，其綜合性能恰能應(yīng)電子行業(yè)發(fā)展的需求,。因此，其在透明電極領(lǐng)域的應(yīng)用必然具有廣闊的發(fā)展前景,。

1　石墨烯概述

英國科學(xué)家在2004 年利用簡單的膠帶微機(jī)械剝離的方法,，成功的由石墨獲得了完美的單層石墨烯，并且測試出優(yōu)異的電學(xué)性能,。

二維六角蜂窩狀晶格這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使石墨烯具有擁有室溫量子霍爾效應(yīng)特性,。之所以將石墨烯稱為優(yōu)秀的導(dǎo)電材料，一方面,，是由于它的導(dǎo)電率達(dá)到了

10⁶s/m,，這種新型的二維碳納米材料具有極快的電子傳輸速度，甚至可以達(dá)到光速的三百分之一,，這種速度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他半導(dǎo)體材料的,。與此同時，石墨烯還具有高出半導(dǎo)體硅一百倍的遷移率，高達(dá)2×10⁵cm²/V·s,。

2　石墨烯在透明電極中的應(yīng)用現(xiàn)狀

石墨烯作為典型的碳家族材料,，具有超高的電子電導(dǎo)率、理想的電容儲能和對光透明的特性,，在構(gòu)筑高性能透明導(dǎo)電薄膜（TCE）和柔性透明超級電容方面等方面具有很大潛力,。

2.1　在太陽能電池中的應(yīng)用

2009 年，Li 等研發(fā)了一種新型的太陽能電池結(jié)構(gòu),，該結(jié)構(gòu)采用石墨烯作為電極的陽極,，并與硅半導(dǎo)體結(jié)合，形成了石墨烯- 硅肖特基結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu),，其具體結(jié)構(gòu)圖,，如下如圖3 所示。在Si/SiO2 基片上,，覆蓋有一層很薄的石墨烯,，并且在石墨烯薄膜上方，有約0.1-0.5cm² 面積的硅層窗口,，四周以金線作為柵,。

近年來，在硅基太陽能電池領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新型技術(shù),，即以聚三氟甲磺酸胺（TFSA）為摻雜劑對石墨烯進(jìn)行摻雜,，該種電池就是將摻雜有TFSA 的石墨烯轉(zhuǎn)移到Si 底層上制備而成的，該技術(shù)使電池效率從1.9% 上升到8.6%,，從而大大提高了光電池的轉(zhuǎn)換效率,。

后來，Enzheng Shi 等以二氧化鈦?zhàn)鳛榭狗瓷渫繉觼硎闺姵剡_(dá)到減少光反射,，增強(qiáng)光吸收的效果,，進(jìn)而將光電轉(zhuǎn)換效率提高至14.1%。盡管如此,，但與傳統(tǒng)的ITO 相比,，其效率仍有差距。

2.2　在顯示器中的應(yīng)用

目前市面上液晶顯示器中常用的ITO,，其透過率在90% 左右,。與之相比，單層石墨烯的優(yōu)勢在于低至2.3% 的可見光吸收度,，其透明度比于ITO 的90% 高出7.7%。雖然透過率7.7% 的提升給人的視覺不會帶來較大影響,，但由于上述提到的ITO 的局限性,，也使得石墨烯在透明電極領(lǐng)域的發(fā)展成為可能。

Peter Blake 等人成功制備石墨烯作為透明電極的液晶顯示器,，首先使用機(jī)械剝離法在玻璃片上制備石墨烯薄膜,，在石墨烯薄膜周圍噴涂5m m 鉻和50nm銅,，再依次在表面添加40nm 取向膜、20μm 液晶,、40nm 取向膜,、ITO 以及玻璃片。添加電場橫穿液晶層打亂其排列,，從而改變顯示器的有效雙折射和光傳輸強(qiáng)度,。最強(qiáng)和最弱輸出光的對比度大于100。此研究結(jié)果也為石墨烯應(yīng)用于液晶顯示器的研究提供了基

礎(chǔ),。

2.3　在觸摸屏中的應(yīng)用

石墨烯在觸屏領(lǐng)域的應(yīng)用研究國家有中日韓英美等國家,。在歐美地區(qū)，以美國的輝銳科技為代表,，已經(jīng)進(jìn)軍大面積石墨烯柔性版觸控屏市場,，并計劃未來3年內(nèi)應(yīng)用于手機(jī)、平板以及便攜設(shè)備顯示屏等,。在韓國,，石墨烯的應(yīng)用研究也受到了政府的高度重視。2010 年,，韓國著名的三星集團(tuán)與國內(nèi)某一科研院所的研究人員合作,，成功的以63mm 的柔性透明玻璃纖維聚酯板為基材，研制出純石墨烯,，其大小近似于電視機(jī),，柔性觸屏也在此基礎(chǔ)上成功的問世。在日本,，產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所發(fā)布了以卷對卷方式合成寬度為594mm 的石墨烯薄膜裝置,。該研究所采用以微波等離子技術(shù)，利用300-400℃的低溫CVD 法合成石墨烯的方法,；此外,，東芝和松下也先后制備了大面積石墨烯薄膜和厚度只有10μm 的石墨烯散熱膜。在我國,，常州二維碳素研發(fā)團(tuán)隊突破了石墨烯薄膜應(yīng)用于中小尺寸手機(jī)的觸摸工藝,，實(shí)現(xiàn)了薄膜材料

和ITO 模組工藝線的對接。業(yè)內(nèi)專家表示,，如果實(shí)現(xiàn)

了石墨烯薄膜工藝線與現(xiàn)有ITO 模組工藝線對接,，必

將加速實(shí)現(xiàn)石墨烯薄膜材料在觸控顯示領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)

化。

2.4　在OLED 中的應(yīng)用

Tae–Hee Han 等人用化學(xué)氣相沉積法與AuCl3摻雜相結(jié)合的方法,，制得高性能的CVD 石墨烯,，其性能可以與ITO 相媲美。通過摻雜，石墨烯表面的電阻率有明顯的降低,，同時工作能也由4.4eV上升到5.95eV,，從而解決了石墨烯與有機(jī)半導(dǎo)體膜層之間的孔穴注入障礙[。通過陽離子刻蝕,，對石墨烯進(jìn)行圖案化處理,，而后在表面蒸鍍有機(jī)半導(dǎo)體膜層以及金屬電極，成功制備OLED,。該研究也使得石墨烯在柔性O(shè)LED 領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能,。

ZDNet、韓國先驅(qū)報（Korea Herald）2017 年4 月11 日報導(dǎo),，韓國電子通訊研究院跟Hanwha Techwin合作,，以石墨烯制作厚度不到5 奈米的透明電極，開發(fā)出一款370mm×470mm（相當(dāng)于19 吋屏幕）的OLED面板,，為業(yè)界首見,。這也使得石墨烯透明電極在有機(jī)發(fā)光領(lǐng)域的推廣成為可能。

3　結(jié)論

隨著電子行業(yè)的迅速發(fā)展及全球能源危機(jī)的不斷加重,，石墨烯導(dǎo)電材料的研究和開發(fā)具有重要意義,。近年來，石墨烯在透明電極中的研究和使用取得了很大的進(jìn)展,，但也存在著不足：（1）對材料的微觀理論認(rèn)識不夠,，導(dǎo)致理論值和實(shí)際值不相符；（2）采用化學(xué)方法制備透明材料時,，受基底和反應(yīng)條件的限制,，無法實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯的高度還原；（3）材料的制備方法不夠完善,，制備成本過高,；（4）以PET 為基材制備復(fù)合材料時，其經(jīng)濟(jì),、環(huán)保型有待探討,。因此，距離實(shí)現(xiàn)石墨烯在該領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化,，還有很長的路要走,。

未來，在石墨烯導(dǎo)電材料在透明電極中的研究,，以下幾點(diǎn)將成為研究重點(diǎn)：（1）如何改善柔性基底材料,，一方面解決環(huán)保問題，另一方面對降低因基底性能對還原條件的限制,，提高氧化石墨烯的還原比例,；（2）如何減低生產(chǎn)成本,，提高生產(chǎn)效率；（3）如何提高石墨烯導(dǎo)電材料的柔性