石墨烯在觸摸屏應(yīng)用中的探究

白 靜，杜如霞，吳國慶

(南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，江蘇 南京 211100)

石墨烯在觸摸屏應(yīng)用中的探究

白 靜，杜如霞，吳國慶

(南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，江蘇 南京 211100)

石墨烯是一種單原子層薄膜，由于其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，有著優(yōu)異的性能，使其在觸摸屏應(yīng)用中也有巨大的潛能。本文首先利用化學(xué)氣相沉積法制備得到石墨烯樣品，然后對其進(jìn)行光學(xué)表征，最后分析并探究了CVD法得到的石墨烯薄膜在觸摸屏中應(yīng)用時(shí)需要對其進(jìn)行本征缺陷的修復(fù)，從而使其優(yōu)異的性能不受觸摸屏中應(yīng)力的影響。

石墨烯；觸摸屏；本征缺陷

21世紀(jì)以來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)科技的發(fā)展，人類的生活無時(shí)不刻發(fā)生著巨大的變化。從電腦、手機(jī)的普及再到各類電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，人類的需求也在發(fā)生著變化。觸摸屏技術(shù)的出現(xiàn)使得生活、學(xué)習(xí)、娛樂變得更快捷、方便。現(xiàn)代觸摸屏的分類有很多種：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、紅外線技術(shù)觸摸屏、表面聲波技術(shù)觸摸屏等[1]，其中占主流技術(shù)的主要是電容式觸摸屏和電阻式觸摸屏。然而無論是電容式觸摸屏還是電阻式觸摸屏，其不可或缺的一種最核心的部件就是中間的ITO導(dǎo)電層，ITO材料的透光性和導(dǎo)電性都非常的好，但由于其主要成份是氧化銦、氧化錫InO、SnO，其中銦是一種稀缺金屬，在ITO材料的制備中成本較高。2004 年英國曼徹斯特大學(xué)Geim 研究小組利用機(jī)械剝離法得到了常溫下能夠穩(wěn)定存在的二維材料石墨烯。它有著獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，由電子完全占據(jù)的價(jià)帶和由空穴完全占據(jù)的導(dǎo)帶在第一布里淵區(qū)邊界的K 點(diǎn)相連接，其載流子可看作是無質(zhì)量的Dirac費(fèi)米子。石墨烯優(yōu)異的性能也逐一被發(fā)現(xiàn)，較高的載流子遷移率(200000 cm2/vs)，較高表面面積(2630 m2/g)，較高的導(dǎo)熱系數(shù)(～5000 W/mK)，強(qiáng)大的楊氏模量(～1 TPa)，高透過率(97.5%)。因此石墨烯較高的透光率和導(dǎo)電性可以和傳統(tǒng)的ITO材料媲美[2]。因此，設(shè)想用有較強(qiáng)導(dǎo)電性和透光性的石墨烯薄膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料ITO薄膜，本文主要對石墨烯在觸摸屏應(yīng)用中會(huì)遇到的問題做了探討。

1 實(shí)驗(yàn)

石墨烯自發(fā)現(xiàn)以來，其制備方法也層出不窮，其中能夠大面積生長的主要是化學(xué)氣相沉積法，簡稱CVD法。其優(yōu)點(diǎn)就是制備得到的石墨烯單層性較好，而且成本較低、尺寸可控，只要CVD管式爐的腔體夠大，技術(shù)參數(shù)掌握好，理論上是想長多大都可以實(shí)現(xiàn)，因此這種辦法是可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的[3]。本文利用CVD法制備得到石墨烯樣品，并將其轉(zhuǎn)移到襯底上進(jìn)行表征。原料：銅箔、甲烷、氫氣、SiO2、PDMS。

首先，將洗凈的銅箔快速吹干后放入管式爐中，確保爐腔內(nèi)真空度達(dá)到5Pa以下，通入氫氣，并開啟CVD爐，使其升溫至1045℃，隨后通入甲烷，10min左右之后關(guān)掉甲烷氣體閥門，氫氣流量繼續(xù)保持并使?fàn)t子開始降溫，直至爐子降至室溫關(guān)閉氫氣閥，取出樣品。選取的化學(xué)氣相中高溫低壓生長法，氣體流量比是：CH4:H2=30:15(石墨烯)。

然后，將制備的石墨烯樣品轉(zhuǎn)移到襯底上，先用PMMA 平鋪到石墨烯表面將其保護(hù)，再用FeCl3溶液將銅基底溶解掉，然后轉(zhuǎn)移到洗凈的襯底上，再用丙酮溶液去掉PMMA，便成功得到了目標(biāo)襯底上的石墨烯樣品。

最后，對樣品進(jìn)行光學(xué)表征和拉曼表征，用到的儀器包括光學(xué)顯微鏡、SEM、拉曼光譜儀和紫外可見分光光度計(jì)。

2 結(jié)果與討論

圖1是將石墨烯轉(zhuǎn)移到SiO2襯底上拉曼圖，從拉曼圖中可以看到缺陷峰幾乎沒有，以及特征峰G峰和2D峰的位置可以證明石墨烯樣品質(zhì)量很好，從插圖中可以看到樣品整體形貌很好，樣品表面清洗干凈，整潔；圖2是SiO2襯底上樣品的SEM圖，(a)圖中紅色虛線標(biāo)出部分能清晰看到石墨烯表面局部會(huì)出現(xiàn)裂縫，(b)圖是樣品另一個(gè)區(qū)域，同樣紅色虛線處有裂縫，以及局部有大面積不連續(xù)和褶皺出現(xiàn)；圖3是將石墨烯轉(zhuǎn)移到PDMS襯底上的拉曼表征圖，發(fā)現(xiàn)缺陷峰D峰出現(xiàn)，這主要就是因?yàn)闃悠忿D(zhuǎn)移到PDMS柔性襯底上會(huì)受到應(yīng)力的作用，從而使其本證缺陷凸顯D峰出現(xiàn)，插圖是在光學(xué)顯微鏡下拍攝的形貌圖，能夠看出PDMS襯底上的樣品也是干凈整潔的；同時(shí)對其透光率做了表征，發(fā)現(xiàn)石墨烯在柔性襯底上透光率維持的很好達(dá)到97.4%。

圖1 SiO2襯底上石墨烯的樣品圖和拉曼圖

圖2 SiO2襯底上石墨烯的SEM形貌圖

圖3 PDMS襯底上石墨烯的光學(xué)形貌圖、拉曼圖、透過率的表征圖

CVD法可以生長大尺寸的石墨烯樣品，它可以實(shí)現(xiàn)石墨烯在觸摸屏上的工業(yè)化，從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)CVD方法生長的石墨烯樣品本身存在一些褶皺和不連續(xù)，這些屬于石墨烯樣品的本征缺陷。當(dāng)樣品轉(zhuǎn)移到柔性襯底上時(shí)通過拉曼表征發(fā)現(xiàn)其缺陷峰出現(xiàn)，這是由于石墨烯在柔性襯底上會(huì)受到應(yīng)力的作用，而石墨烯的本征缺陷會(huì)在應(yīng)力的作用下發(fā)生變化，例如圖2(b)中局部不連續(xù)的地方在受到應(yīng)力作用時(shí)會(huì)更加不連續(xù)，甚至大面積的斷裂等，樣品內(nèi)部出現(xiàn)大面積不連續(xù)必然會(huì)影響石墨烯樣品的導(dǎo)電性。在觸摸屏工業(yè)化生產(chǎn)中，石墨烯尺寸會(huì)更大，同樣需要將其轉(zhuǎn)移到柔性襯底上，同樣會(huì)受到應(yīng)力的作用使其本證缺陷凸顯(即拉曼圖中D峰出現(xiàn))，影響其導(dǎo)電性能。對于CVD法生長的石墨烯樣品，即便優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法及參數(shù)，其本征缺陷是不可避免的，會(huì)實(shí)際存在于樣品中；這些本征缺陷的存在必然會(huì)影響其透光性和導(dǎo)電性，這就會(huì)使其在觸摸屏應(yīng)用中受阻。因此，為了避免石墨烯性能受應(yīng)力的影響，就需要對其本征缺陷修復(fù)，可以對石墨烯直接進(jìn)行一些改性處理，例如：化學(xué)摻雜、物理摻雜、氫化(氫等離子體)以及和其他材料復(fù)合等。只有將石墨烯的本征缺陷修復(fù)了，可以使其透光率和導(dǎo)電性在觸摸屏應(yīng)用中不受應(yīng)力影響，從而保證其優(yōu)異的性能。

3 總結(jié)

本文首先利用化學(xué)氣相沉積法制備得到石墨烯樣品，然后對其進(jìn)行表征；發(fā)現(xiàn)直接生長的石墨烯表面存在大量的本征缺陷，而這些缺陷在觸摸屏應(yīng)用中會(huì)受到應(yīng)力作用而更加凸顯，從而影響其原有的優(yōu)異性能，因此CVD法得到的石墨烯薄膜在觸摸屏中應(yīng)用時(shí)需要對其進(jìn)行本征缺陷的修復(fù)，從而使其優(yōu)異的性能不受觸摸屏中應(yīng)力的影響。

[1] 楊玉琴，李亞寧.觸摸屏技術(shù)研究及市場進(jìn)展[J].信息記錄材料，2012, 13(1):35-46.

[2] 王 敏.石墨烯觸摸屏技術(shù)應(yīng)用初探[J].北京：電子世界，2014(13):79-79.

[3] 趙 進(jìn).化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯及其結(jié)構(gòu)、性能調(diào)變[D].南京：南京郵電大學(xué)，2012.

(本文文獻(xiàn)格式：白 靜，杜如霞，吳國慶.石墨烯在觸摸屏應(yīng)用中的探究[J].山東化工，2017，46(04)：30-31,33.)

The Application of Graphene in Touch Screen

BaiJing,DuRuxia,WuGuoqing

(Science & Technology Department, Nanjing Tech University Pujiang Institute ,Nanjing 211100,China)

Graphene, a two-dimensional monolayer honeycomb structure of sp2-bonded carbon atoms, exhibits excellent charge carrier transport properties. It is also highly transparent, which makes it a promising candidate for touch screen. In this paper, we first fabricated mono-layer graphene by chemical vapor deposition, then confirmed it using optical image, Raman spectroscopy and SEM image. Finally, it was explored that in order to eliminate the impact of stress on electrical properties of touch screen, the the intrinsic topological cracks and grain boundaries in graphene film needs to be repaired.

grapheme;touch screen; Intrinsic defects

2016-12-30

白 靜(1989—)，女，山西呂梁人，南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院助教，獲碩士學(xué)位，主要從事二維納米材料的基礎(chǔ)研究。

TN873

A

1008-021X(2017)04-0030-02