劉富楊 查小婷 黃 昊 張 渟 楊文耀＊

(重慶市高校新型儲(chǔ)能器件及應(yīng)用工程研究中心 重慶文理學(xué)院，中國 重慶 402160）

0　引言

近年來，隨著易彎曲、可穿戴器件等概念的提出，實(shí)現(xiàn)柔性成為了電極研究工作的重點(diǎn)，石墨烯是碳原子以sp2雜化軌道結(jié)合的材料，其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)[1,2]，是制備柔性電極的一種優(yōu)良材料。

眾多科學(xué)家就石墨烯柔性化進(jìn)行了多樣化的研究[2]，2009年，Krauss利用拉曼激光輻射石墨烯薄膜，發(fā)現(xiàn)了激光與石墨烯之間的相互作用[3]；Gao[4]等利用飛秒激光將氧化石墨烯薄膜還原成石墨烯薄膜，并完成復(fù)雜圖案設(shè)計(jì)；劉璇[5]利用1064nm波長的皮秒激光還原石墨烯薄膜，在激光輸出功率為75mW時(shí)，獲得石墨烯的最小電阻值為 2.32kΩ／sq；林喆[6]采用飛秒激光切割石墨烯，能量密度為0.8 J/cm2時(shí)，石墨烯被完全去除；賴婷[7]使用波長約780nm，輸出功率200mW的激光筆對(duì)氧化石墨烯照射還原，成功得到石墨烯；以上實(shí)驗(yàn)雖然使用光雕法成功的得到了石墨烯，但缺少對(duì)激光強(qiáng)度的研究，因?yàn)榧す鈴?qiáng)度對(duì)石墨烯的還原效果影響較大，所以本文擬用光雕法還原氧化石墨烯制備叉指電極，并調(diào)整激光強(qiáng)度，研究不同激光強(qiáng)度下石墨烯的特性。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1　試 劑 與 儀 器

1.1.1試 劑

氧化石墨烯粉末、柔性ITO薄膜、去離子水、無水乙醇、丙酮。

1.1.2儀 器

電子天平、超聲波清洗機(jī)、高速離心機(jī)、真空可編程干燥箱、真空泵、桌面小型激光雕刻機(jī)、數(shù)字移動(dòng)顯微鏡、四探針測(cè)試儀、掃描電子顯微鏡。

1.2　激光還原氧化石墨烯的制備

1.2.1氧化石墨烯薄膜的制備

秤取30～60mg氧化石墨烯(GO)加入到30～60ml去離子水中，超聲1～3小時(shí)；再將溶液離心 15～30min，取上層清液得到GO分散液，將GO分散液抽真空半小時(shí)備用。

將柔性ITO薄膜(邊長為 8cm)依次用乙醇、丙酮、去離子水清洗干凈，放到真空可編程干燥箱烘干。取10m l上述的GO分散液滴涂于柔性ITO薄膜不導(dǎo)電面處，非真空烘干備用。

1.2.2激光還原氧化石墨烯薄膜的制備

將已設(shè)計(jì)好的叉指電極圖片導(dǎo)入計(jì)算機(jī)軟件中，激光頭調(diào)焦照射到GO薄膜上，調(diào)節(jié)激光雕刻機(jī)激光強(qiáng)度分別為 10、15、20、25、30五個(gè)等級(jí)，進(jìn)行 GO薄膜的還原和圖案化處理，獲得具有一定圖形的激光還原氧化石墨烯薄膜(LSG)。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　LSG的方塊電阻表征

我們利用四探針測(cè)試儀測(cè)試了GO薄膜和各LSG薄膜的方塊電阻，表1展示了電阻和激光強(qiáng)度的關(guān)系，由圖可知：當(dāng)激光強(qiáng)度小于20時(shí)GO還原不透徹，電阻超出測(cè)試儀量程；而激光強(qiáng)度達(dá)到20以上，LSG的電阻變小，這是由于GO含有大量的含氧官能團(tuán)，這些含氧官能團(tuán)破壞了石墨烯芳香族的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致GO絕緣，當(dāng)激光照射的強(qiáng)度足夠時(shí)，GO吸收激光能量，祛除了含氧基團(tuán)，使GO被還原，導(dǎo)電性恢復(fù)。隨著激光強(qiáng)度越大，還原效果越好，當(dāng)強(qiáng)度為30時(shí)，其方塊電阻最小，為 1117Ω□-1。

表1　不同激光強(qiáng)度下，叉指電極的方塊電阻

圖1　不同激光強(qiáng)度下，叉指電極的顯微鏡放大圖

利用激光雕刻機(jī)將GO還原后，得到的LSG，對(duì)此進(jìn)行顯微鏡觀察，觀察到被還原的區(qū)域由黃色變?yōu)楹谏嬷鸽姌O圖案清晰明顯。而激光雕刻機(jī)選擇的強(qiáng)度不同，GO還原效果不同。圖1(a)(b)(c)中展示了激光強(qiáng)度分別為為20、25、30時(shí)的還原效果圖。由圖可知三種強(qiáng)度下，GO都被還原，并生成了叉指電極。從圖1(a)2X放大圖片中可以看出GO和LSG存在明顯的分割線，說明GO還原不透徹；而圖1(c)2X圖中，已經(jīng)很難發(fā)現(xiàn)GO和LSG分界線，說明還原效果較好，但是亮點(diǎn)較多，這表明激光強(qiáng)度太大導(dǎo)致GO被打穿，光線透過襯底形成亮點(diǎn)；而圖1(b)還原面積較大，亮點(diǎn)也較少，說明25的激光強(qiáng)度較為合適。

圖2　GO薄膜和LSG薄膜的SEM圖

2.3　LSG薄膜的SEM表征

為進(jìn)一步研究GO的還原效果，我們分別表征激光掃描前后薄膜的SEM圖：圖2所示為GO薄膜和LSG薄膜的SEM圖，對(duì)比可知，兩圖具有明顯的差別，圖2(a)是平面鋪展的 GO薄膜，而圖 2(b)存在明顯的褶皺和斷裂層，這是由于在激光的照射下，GO吸收了熱量，在驅(qū)除含氧基團(tuán)，由GO轉(zhuǎn)化為LSG的同時(shí)，發(fā)生了膨脹，由二維形貌轉(zhuǎn)化為了三維結(jié)構(gòu)。

3　結(jié)論

本文采用光雕法既實(shí)現(xiàn)了氧化石墨烯的還原，又實(shí)現(xiàn)了石墨烯的圖案化。并研究了不同激光強(qiáng)度下的還原效果，結(jié)果表明：激光強(qiáng)度越大，GO被還原的面積也增大，且薄膜方塊電阻越小，還原效果越好；但是當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到30的時(shí)候，氧化石墨烯被打透。因此，我們認(rèn)為激光強(qiáng)度為25時(shí)，LSG的還原及圖形化效果最好。

【參考文獻(xiàn)】

［1］楊麗君,呂雪梅,秦麗惠.氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)的制備及其熒光性質(zhì)[J].重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào),2016,35(5)：75-78.

［2］吳婕.氧化石墨烯還原方法的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2013,32(6)：1352-1356.

［3］姜娟,黃婷,鐘敏霖,等.激光與石墨烯相互作用的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國激光,2013,40(2)：13-26.

［4］Gao W,Singh N,Song L,et al.Direct laser writing of micro-supercapacitors on hydrated graphite oxide films[J].Nature Nanotechnology,2011,6(8)：496-500.

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［6］林喆,葉曉慧,韓金鵬,等.基于飛秒激光切割的石墨烯圖案化研 究[J].中 國 激 光 ,2015,42(7)：85-89.

［7］賴婷,林碧敏,劉小波,等.激光還原石墨烯材料制備及應(yīng)用綜合型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2017,34(2)：62-65.

［8］趙揚(yáng),曲良體.借激光之力,筑石墨烯集成之夢(mèng)[J].中國基礎(chǔ)科學(xué),2016,18(5).1-10.