투명 전도성 전극용 레이저 맞춤형 다층 그래핀 그리드

결과 및 토론

처음에는 화학기상증착법을 통해 투명 석영 기판에 두께가 다른 MGF를 증착합니다. 여기에서 폴리스티렌(PS)은 300°C에서 증발되고 Ar/H₂에서 1000°C에서 기판에 증착되는 탄소 소스로 적용됩니다. 대기. 다층 그래핀의 성장을 돕기 위해 폴리에틸렌이민과 배위하는 Fe 이온을 회전시키고 촉매 역할을 하는 기판에 코팅합니다(그림 1a). 어닐링 과정에서 Fe 이온은 서로 응집하여 필름에서 Fe 나노 입자로 변형됩니다. 추가 파일 1:그림 S1은 다른 Fe ³⁺ 를 나타냅니다. MGF의 형태 및 결정화에 영향을 미치는 농도(추가 파일 1:그림 S1, 지원 정보). MGF의 품질 확보를 위해 0.5mg/ml Fe ³⁺ 고밀도 그래핀 필름 성장에 최적입니다. Fe 촉매 없이 증착된 필름의 라만 스펙트럼(그림 1b)은 그래핀의 대표적인 2D 및 D+G 밴드가 아니라 넓은 G 및 D 밴드를 포함하는 것으로 나타났습니다. 그럼에도 불구하고, 기판 상의 Fe 촉매의 도움으로 해당 라만 스펙트럼은 1342nm의 D 밴드, 1592nm의 G 밴드를 제외하고 2684nm에서 2D 밴드와 2933nm에서 D+G 밴드를 나타냅니다. 필름은 그래핀의 특성이다[18, 19]. 도 1c의 주사전자현미경(SEM) 이미지는 MGF의 고밀도 및 평활도를 명확하게 나타낸다. 두께가 다른 MGF는 PS 양의 양을 조정하여 제작됩니다(그림 1d, e). 필름 두께가 증가함에 따라 필름 면저항과 투과율이 급격히 떨어지는 것을 알 수 있었다. 3나노미터 두께의 박막은 550nm에서 80% 투과율로 높은 투명도를 갖지만 13.5kΩ sq의 면저항으로 전도도가 낮습니다 ⁻¹ , 0.1kΩ sq ⁻¹ 의 필름 저항 0.38%의 놀랍도록 낮은 투과율에 해당합니다. 일반적으로 투명 전극인 MGF의 저항률과 투명도 사이의 상대성을 평가하기 위해 품질 계수 FoM이 도입됩니다. FoM은 Eq.를 통해 계산됩니다. (1) 투과율과 면저항이 T인 경우 및 R _s , 각각.

MGF의 증착 및 특성화. 아 Fe ³⁺ 를 사용한 MGF의 CVD 증착 개략도 촉매로. ㄴ 촉매가 있거나 없는 그래핀 필름의 라만 스펙트럼(633nm 여기 파장에서). ㄷ MGF의 SEM 이미지. d 두께가 다른 석영 기판에 증착된 MGF의 사진. 이 두께에 따른 MGF의 면저항 및 투과율 비교. 에 본 연구에서 얻은 MGF의 두께와 FoM 비교

여기에서 10nm에서 350nm까지 두께가 다른 MGF의 FoM은 그림 1f에서 0.1에서 0.5까지 계산할 수 있으며, 이는 보고된 박리 흑연과 유사합니다[11, 16].

As-grown MGF의 FoM을 개선하는 방법은 무엇입니까? 가장 중요한 것은 위에서 설명한 투명도와 면저항 사이의 모순 사이의 균형을 맞추는 것입니다. 여기에서 마이크로 그리드 구조를 만들기 위해 MGF를 제거하기 위해 IR 레이저를 적용했습니다(그림 2a). 테일러링 프로세스는 필름이 고도로 집속된 레이저 빔에서 강력한 에너지를 흡수하고 고밀도 열 에너지를 변환하여 빔 방사선 사이트에서 즉시 제거되는 메커니즘을 기반으로 합니다[20, 21]. 레이저 직접 쓰기 시스템의 보조로 다층 그래핀 박막은 레이저 출력, 스캔 속도 및 빔 직경을 미세 조정하여 임의의 패턴(추가 파일 1:그림 S2)으로 맞출 수 있습니다. 맞춤 트레이스의 기능 너비는 25μm에서 100μm로 최적화되고 최소 패턴 너비는 최대 5μm입니다. 최적의 FoM을 얻기 위해 화면 창의 격자 구조는 그림 2b, c와 같이 제작됩니다. 잘 조직된 미세 구조가 투과 모드와 반사 모드에서 각각 제작된 MGFG의 현미경 이미지에 표시됨을 알 수 있습니다. 맞춤형 미세 기공은 균일하고 투명하며 나머지 그리드는 연결되어 있습니다. 추가 파일 1의 SEM 이미지:그림 S3은 미세 기공 및 그리드를 포함한 그래핀 필름 구조의 세부 사항을 보여줍니다. 미세 기공 크기는 약 100μm입니다. 그림 2d, e는 AFM 및 SEM 이미지에서 MGFG의 직선적이고 날카로운 모서리를 보여줍니다. 재단 공정이 고품질 패턴을 제조하는 데 매우 효과적이라는 것을 증명합니다. 그림 2f는 맞춤형 그리드의 라만 스펙트럼을 보여주고 나머지 그리드는 테일러링 공정 후 열화 없이 MGFG의 원래 구조를 유지하는 반면, 잔류 플레이크는 레이저 삭마 공정으로 인해 상대적으로 더 높은 D 밴드와 약한 2D 밴드를 보여줍니다[18]. 적외선 흡수에 대한 추가 연구는 MGFG 제거 전후에 수행됩니다. 그림 2g에서 제거된 MGFG에 대한 명백한 흡수는 없으며, 이는 그래핀 층이 레이저 제거로 잘 제거될 수 있음을 시사합니다.

MGF의 레이저 재단 및 MGFG의 제작. 아 IR 레이저 직접 쓰기에 의한 그래핀 그리드 절제 공정의 개략도. ㄴ , ㄷ 투과 모드와 반사 모드에서 각각 제작된 MGFG의 현미경 이미지. d , e 맞춤형 모서리의 AFM 및 SEM 이미지. 에 절제 영역에서 그래핀 그리드 및 플레이크의 라만 스펙트럼(633nm 여기 파장에서). 지 절제 전후의 MGF의 IR 흡수

맞춤형 그리드 매개변수가 투과율과 면저항에 미치는 영향을 평가하기 위해 그림 3a–h에서 다른 절제 비율을 사용하여 일련의 MGFG를 수행했습니다. 미세 기공 크기는 100μm × 100μm에서 250μm × 250μm로 미세하게 조정되고, 선폭은 180μm에서 30μm로 조정됩니다. ablation 비율이 0에서 75%로 증가함에 따라 투과율은 0.38에서 75%로 증가하고 면저항은 70Ω sq ^-1 에서 증가합니다. ~ 340Ω 제곱 ⁻¹ 그림 3i–j에서. 또한 MGF(추가 파일 1:그림 S4)의 다양한 저항, 미세 기공 크기 및 그리드 너비가 투명도와 시트 저항 사이의 최적 결과를 연구하기 위해 잘 수행되었습니다. 그림 3k-l에서 투과율은 최대 200배 증가한 반면 면저항은 5배 증가했으며 FoM은 0.4에서 3.6으로 증가했다고 추정할 수 있습니다. 80% 투과율에서 그리드를 MGF와 비교하면 FoM은 그림 1e에서 약 0.1입니다. 한편, 그래핀 그리드의 면저항은 340Ω sq ⁻¹ 입니다. , 이는 MGF(13.5kΩ sq ⁻¹ )의 2.5%에 불과합니다. ). 즉, MGFG의 FoM은 80%의 동일 투과율에서 MGF의 0.1에서 3.6까지 증가됩니다. 따라서 MGFG의 투명도와 전도성이 마이크로 그리드에 맞춤을 통해 MGF보다 비약적으로 향상되었다는 결론을 내릴 수 있습니다. 시각적 효과를 보여주기 위해 5cm × 5cm MGF 샘플을 자연광에서 제공합니다. 그림 3m의 샘플은 완전히 불투명합니다. 레이저 재단 후 샘플의 투명도가 극적으로 향상된다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 그림 3n의 MGFG 샘플을 통해 맑은 풍경이 나타납니다.

절제 비율이 다른 MGFG의 특성화. 아 –h 절제 비율이 다른 MGFG의 현미경 이미지. 눈금 막대 200μm 나 절제율이 다른 MGFG의 투과율. j ablation ratio가 다른 MGFG의 면저항과 투과율 비교. 케이 티 및 R _S 다른 절제 비율을 가진 MGFG에 대한 데이터. 나 절제 비율이 다른 MGFG의 FoM. m , n 레이저 재단 전후의 5cm × 5cm 그래핀 필름 샘플 사진

MGFG의 적용을 시연하기 위해 그림 4a, b는 석영 기판의 제작된 그리드가 투명한 전기-열 디포거로 활용됨을 보여줍니다. 투과율이 75%인 그리드의 전기-열 성능은 다양한 전압에서 연구됩니다. 그림 4b에서 전원을 켰을 때 2분 안에 그리드 표면에 맺힌 많은 물방울(그림 4a)이 사라지는 것이 흥미롭다. 프로세스를 식별하기 위해 그림 4c의 MGFG의 등고선 온도 맵을 사용하여 전기-열 거동을 직접 조사합니다. 그림 4d는 MGFG의 표면 온도가 시간과 전압이 증가함에 따라 증가함을 보여줍니다. 전압은 MGFG의 온도에 많은 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 동일한 전압에서 온도는 첫 번째 단계에서 급격히 상승한 다음 안정되는 경향이 있습니다. 추가 조사는 그림 4c에서 2점 전극 주변에 더 많은 열 응집이 있음을 발견했습니다. 축적된 열장은 주로 전류 밀도의 불균일한 분포에서 발생합니다. 두 개의 접촉 전극은 다른 곳보다 높은 전류 밀도를 가지므로 더 높은 온도를 유도합니다. 이 메커니즘을 기반으로 MGFG를 원하는 패턴으로 조정함으로써 디포거의 전류 밀도가 균일하게 분포되어 기판의 국부적이고 제어 가능한 열장을 실현할 수 있습니다. 우리는 그림 4e와 같이 기판에 그래핀 그리드를 맞춤화하여 MGFG 벨트를 설계했습니다. MGFG 벨트의 결과 등고선 온도 맵은 기판에 국부적인 열 장을 나타냅니다(그림 4g). 결과적으로 MGFG 벨트의 한 어레이는 그림 4h에서 전기를 균일하게 전도하도록 이상적으로 설계되었습니다. 실험은 기판의 평면 전극과 그리드 벨트 어레이를 사용하여 그림 4h에서 기판의 균일한 열장을 얻을 수 있음을 보여줍니다. 앞으로 고품질의 전열소자를 제작하는데 큰 도움이 됩니다.

MGFG 기반 Defogger. 아 , b MGFG의 김서림 방지 성능. ㄷ 20V 미만 5cm × 5cm MGFG의 표면에 대한 등고선 온도 지도 d 다른 전압과 시간에서 1cm × 1cm MGFG의 온도 프로파일. 이 MGFG 벨트 디포거의 개략도. 에 25V 미만의 MGFG 벨트 김서림 방지 장치의 등고선 온도 지도 g 패턴이 있는 MGFG 벨트 어레이 디포거의 개략도. 아 25V 이하의 MGFG 벨트 어레이 디포거의 등고선 온도 지도