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石墨烯和氧化石墨烯制備及在光電領域的應用
石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。
摘要：碳是唯一一種在0～3維尺度上都有穩定存在的同素異形體的元素，并且每種結構都具有突出的性能。石墨烯可以被認為是構造碳的其他重要同素異形體的基本結構。簡要介紹批量制備技術及其在光電領域的研究和應用。氧化石墨法在石墨烯制備方法中具有重要地位，許多薄膜和器件應用中都需要在溶液中處理，包括用于觸摸屏的透明電極、發光器件(LED)、場效應晶體管(FET)、光伏器件(OPV)、柔性電子器件、石墨烯復合物的應用。
關鍵詞：石墨烯;電容器;集成電路;透明電極
一、引言
關于石墨烯在透明電極領域的相關研究已經取得較大的進展，但仍需在提高片層電阻的同時維持適當的透明度。為了解決這些問題，研究者提出了很多方法，如摻入雜質，控制片層的尺寸和缺餡。理論證明石墨烯可以與銦錫氧化物(ITO)的整體性能相匹配，盡管結果還沒有達到理論預估值，已經顯著提高石墨烯超級電容器的比電容。對于復合材料的應用，關鍵是要阻止石墨烯薄片的堆疊，這一點我們可通過添加分散劑來實現。
二、石墨烯在光發射方面的應用
官能團，包括OH、COOH，在氧化石墨烯片層邊緣上像手柄一樣來調節其性能。通過這種方法，各種分子被附著在石墨烯薄片上，使石墨烯/氧化石墨烯成為大規模應用中更通用的前體。
卟啉類化合物是一種共軛分子，具有優良的光電性能。通過酰胺鍵將羧基官能團附著在氧化石墨烯上。用石墨烯和卟啉可以制備一種TPP-NHCO-SPF Graphene的納米材料。熒光研究表明在卟啉和石墨烯結構之間的光致激發是一種有效額能量或電子轉移方式。這樣就會表現出出眾的光發射效應，優于作為基準的光發射材料C60。其他共軛分子，如C60和低聚噻吩，也可以通過相似的方法修飾石墨烯薄片，并體現出相似的光發射性能。
三、從氧化石墨烯溶液中制備透明電極
目前，標準的透明電極的市場產品是ITO。ITO有很多值得考慮的方面，有限的珍貴資源、成本、化學穩定性等等。單層石墨烯的透光度是97.7%，這種獨特性能，與其顯著地高電子遷移率，高的化學穩定性、優越的機械強度和彈性，使其成為透明電極的首選。
3.1 通過氧化石墨烯制備柔性透明電極
用氧化石墨烯作為前體制備石墨烯器件可以用簡單的溶液法處理。其中最常用的兩個方法是化學還原法和熱處理法。經過溶液處理過 程，大部分官能團和缺陷都被除去了，這樣石墨烯的固有結構和優越的導電性能基本可以恢復。
通過GO制備石墨烯透明導電薄膜電極的一般過程是先準備GO薄膜，然后進行還原。第一步可以有很多種方法，比如旋涂法/甩膜法、真空過濾法等等。通過旋涂法制備的氧化石墨烯薄膜，肼蒸汽還原后可以制得導電率達10-2to 101 S/cm，透光率80%的薄膜。表征透明電極，更重要的參數是薄層電阻和透光度。作為參考，ITO標準是在波長550nm時薄膜的透光度>90%，薄層電阻約為10-30 Ω/sq。結合肼還原和熱處理，可以將導電率提高到102 S/cm以上。對于薄膜厚度在3-10 nm時，薄層電阻可以提高到102-103 Ω/sq，透光度80%以上。之后又有很多關于修飾的報道，通過用FGO取代GO，在相似的還原和退火處理過程，薄膜的導電率可以提高大約1個數量級。關于化學還原成會明組報道的用HI制備的方法應引起注意，氧化石墨烯薄膜在氫碘酸中還原，制得的薄膜導電率3×102 S/cm，薄層電阻-1.6 kΩ/sq，透光度達85%，比用其他還原方法制得的要好。更重要的是，這種方法保留了原氧化石墨烯薄膜中的完整性和靈活性。隨著通過弧放電法制備FLG的提出，薄膜通過旋涂FLG的DMF溶液，不經過熱處理，產物的薄層電阻670 kΩ/sq，在550nm的條件下，透光度達65%，比在同樣條件下還原GO和FGO，制得的產物效果更好。
石墨烯電極也可以通過簡單劃算的噴墨打印技術制得，因為氧化石墨烯容易分散。比如，在聚酰亞胺基底上的GO和FGO制得的電極，電導率-500 and 874 S/m。打印石墨電極的電導率和機械靈活性在多次重復的彎曲試驗后仍保持不變。基于這些結論，很多高質量的模型，甚至是完整的柔性電路/電路板，都可以直接打印在紙上或塑料板上。從GO溶液中制得的薄膜的電導率也可以顯著表明，通過摻雜或使用復合材料。如，將還原后的GO(rGO)薄膜浸泡在亞硫酰氯或氯化金中，可提高薄膜的電導率3～5個數量級。我們報道過一種透明且靈活的石墨烯/PEDOT混合薄膜，是通過原位聚合法在rGO存在的條件下制得的，不經過任何處理，其導電率達到20 S/m，透光率96%。
低成本和靈活的全碳器件或集成電路(ICs)已經探索了很多年。許多石墨烯的突出性能尤其是電學可調和的特性，使夢想越來越接近現實。作為一種概念驗證，一種靈活的10比特全碳內存出現了。在聚酰亞胺基底上GO溶液旋涂法之后制得石墨烯薄膜，經過還原、熱處理后，再用計算機控制的激光切割處理后，制得存儲卡的微結構。即使是在非常有限的加工能力的條件下，數據密度可達到500000 bits/cm2。直接應用在IC、識別卡、聲頻標簽、電子票、電子書等設備上。
3.2 石墨烯電極用于FET
有大量的研究是用石墨烯作為場晶體管(FETs)的活性材料，由于石墨烯的零帶隙結構，多數都伴隨著低的開關率(<10)。一般地，金屬被廣泛應用于在SiO2/Si表面制備場晶體管的原電極或漏電極。用溶劑處理氧化石墨烯就可以制備簡易靈活的場晶體管裝置。重要的是，帶有石墨烯電極的裝置與帶有金電極的裝置相比，具有較低的接觸電阻，開關比率較高。這些結果表明石墨烯是一種可用于有機電子設備的優良電極材料。
3.3 用石墨烯作為有機光伏電池(OPV)和LED中的透明電極
顯然基于優良的透光性和導電性，石墨烯在光電光面的應用吸引了廣泛關注。
用溶劑處理氧化石墨烯，斯坦福大學已經制作了一種兩層OPV裝置，其中以石墨烯作為透明電極。石墨烯薄膜的厚度大約在4～7nm之間，透光度85%～95%，薄層電阻100～500 kΩ/sq。石墨烯上的電池短路電流密度(Jsc)、開路電壓(Voc)、填充因子(FF)、能量轉換率(PCE)分別是：2.1 mA/cm2、 0.48V、0.34和0.4%。相應的，在ITO上分別是2.8mA/cm2、0.47V、0.54和0.84%。由于石墨烯薄片的膜層電阻較高，石墨烯上的電池效率較低，相似的OPV裝置，用具有較小的薄層電阻的CVD石墨烯作為透明電極，可以將PCE的提高1.27%。
大規模體異質節結構的有機光伏電池可以達到013%的能量轉換率。以石墨烯為基礎制備的OPV能量轉換效率低可能有以下原因，石墨烯電極的高片電阻和表面的高疏水性。Chhowalla已經報道過相似的結論，用Cl摻入石墨烯電極換來了0.13%的能量轉換效率。近期有一項報道是帶有P3HT和PCBM的OPV作為活性BHJ層，但是用兩步還原氧化石墨烯，作為透明電極，隨著膜層電導的提高，能量轉換效率提高1.01%。相似的方法用小的分子構建OLEDs，正極用石墨烯或ITO作為對比。所用的石墨烯的薄膜厚度是7nm，相應的膜層電阻和透光率分別是800Ω/sq和82%。該裝置用石墨烯和ITO作為電極，分別在OLED的開關電壓是4.5和3.8V，在11.7V和9.9V時的亮度可達到300cd/m2。雖然膜層電阻高、石墨烯電極工作性能不同，以石墨烯為基底的OLED可以與ITO控制的裝置相匹配。
四、結論與展望
關于透明電極的應用，石墨烯薄片是化學性能穩定的、強健的、柔軟的、甚至可以折疊的，CVD方法成功制備了比ITO高一個數量級石墨烯電極，比ITO具有特定的優勢。這使得石墨烯在觸摸屏和可彎折器件的應用上具有一定的優勢。值得注意的很重要的一點是理論成果證明石墨烯可以在相似甚至更高的透光度下具有與ITO一樣的薄膜電阻;在超級電容器和電池的應用方面，關鍵是在高分子聚集態結構下，充分利用石墨烯整個表面積和電導。石墨烯必須經過修飾或者與其他材料一起使用，阻止其重新堆疊。石墨烯在光電領域具有相當的應用潛力。
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