过渡金属氧化物/石墨烯复合透明导电薄膜的制备及光电性能研究

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石墨烯是一种新型二维晶体材料,自2004年被发现以来,其独特的单原子层结构显示出许多优异的物理化学性能,如理想的单层石墨烯具有较高的光透过率(97.7%)和极高的电子迁移率(20000 cm2 V-1 s-1)。以石墨烯为原料制备的透明导电薄膜继承了石墨烯的优点,与氧化铟锡(ITO)薄膜相比,具有更好的力学强度、透光性以及化学稳定性,已逐渐成为全世界范围内的研究热点。但是,由于现在制备的石墨烯透明导电薄膜与ITO相比依旧具有较高的方阻和较低的功函数,因此提高石墨烯的电学性能是石墨烯透明导电薄膜未来重要的发展方向。  表面掺杂法是目前提高石墨烯透明导电薄膜电学性能的最佳方法。由于VOx是一种高功函数材料(5.7 eV左右),我们采用VOx作为掺杂剂,通过简单的溶胶凝胶旋涂法在石墨烯层上沉积一层VOx层,构建VOx/石墨烯复合透明导电薄膜,在界面处VOx与石墨烯能够发生电子转移,能够实现对石墨烯空穴载流子的有效注入。最终,VOx掺杂石墨烯的方阻较未掺杂石墨烯的方阻下降56%,达到176Ω/□,且保持了良好的透过率,在550 nm波长光下有着86%~90%左右的透过率。另外,对石墨烯进行掺杂之后,石墨烯功函数有了明显上升,能上升0.4 eV左右。VOx-石墨烯透明导电薄膜表现出较高的稳定性,在空气中放置700h之后,方阻仅仅上升了59%。随后,我们通过拉曼光谱和X射线光电子能谱等多种技术手段对掺杂透明导电薄膜薄膜进行了跟踪表征分析,揭示了VOx掺杂石墨烯的掺杂过程,并对其中的掺杂机理进行了推断。  随后,我们又利用与VOx性能类似的WOx作为掺杂剂,在石墨烯之上复合一层WOx层,通过WOx/石墨烯界面作用对石墨烯进行了掺杂。由于WOx有着透光性好、功函数高以及高温下较为稳定的特点,因此除了溶胶凝胶法,我们还采用了热蒸发法对石墨烯进行掺杂。最终,热蒸发法WOx掺杂能使石墨烯的方阻降低36.53%,达到253.9Ω/□,溶胶凝胶法能够降低44.95%,达到220Ω/□左右。最重要的是WOx掺杂石墨烯依旧保持92%左右的高透过率,并且WOx掺杂的石墨烯能够提高功函数(0.45 eV左右)。另外,溶胶凝胶法制备的WOx掺杂石墨烯表现出极佳的稳定性,空气中放置80h之后方阻仅上升11.2%,而热蒸发法掺杂的石墨烯方阻80 h后上升24.2%。因此综上所述,从掺杂效果角度比较两种WOx掺杂方法,WOx溶胶凝胶法掺杂效果要优于WOx热蒸发法掺杂。最后,我们采用拉曼以及X光电子能谱等分析方式对其进行了有效的表征分析,进而对其中的掺杂机理进行了推断。  通过实验我们发现通过过渡金属氧化物与石墨烯复合的形式能够实现过渡金属氧化物对石墨烯的有效掺杂,提高其导电性以及保持稳定。更重要的是掺杂过程非常方便、经济且易于操作,因此过渡金属氧化物掺杂石墨烯透明导电薄膜为石墨烯的广泛应用提供了坚实的基础。
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