劉富楊　查小婷　黃昊　張渟　楊文耀

【摘 要】石墨烯是一種性能優(yōu)良的電極材料，如何將石墨烯應(yīng)用于柔性電子器件中是目前研究的熱點(diǎn)之一。本文采用滴涂法制備了柔性氧化石墨烯薄膜，通過光雕法對其進(jìn)行照射，在還原氧化石墨烯的同時完成了電極的圖形化。再通過調(diào)整激光強(qiáng)度，在不同激光強(qiáng)度下制備了多種叉指電極，并對其結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性能性能進(jìn)行了表征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)激光強(qiáng)度為25時，氧化石墨烯的還原及圖形化效果最好。

【關(guān)鍵詞】石墨烯；光雕；還原；激光強(qiáng)度；叉指電極

中圖分類號： O613.71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）03-0039-002

Preparation and Characterization of Graphene Film by Photolithography

LIU Fu-yang CHA Xiao-ting HUANG Hao ZHANG Yang YANG Wen-yao*

（Chongqing University of Arts and Sciences， Institute of New Energy Storage Devices and Applications Engineering， Chongqing University of Arts and Sciences， Chongqing 402160， China）

【Abstract】Graphene is an excellent electrode material. How to use graphene in flexible electronic devices is one of the hot topics at present. In this paper， a flexible graphene oxide thin film was prepared by using a drop-coating method and irradiated by a light-scoring method to complete the patterning of the electrode while reducing the graphene oxide. Then by adjusting the laser intensity， a variety of interdigital electrodes were prepared under different laser intensities， and their structure and conductivity properties were characterized. The results show that when the laser intensity is 25， the graphene oxide has the best reduction and patterning effect.

【Key words】Graphene； Light sculpture； Reduction； Laser intensity； Interdigital electrodes

0 引言

近年來，隨著易彎曲、可穿戴器件等概念的提出，實現(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；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，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，石墨烯被完全去除；賴婷[7]使用波長約780nm，輸出功率200mW的激光筆對氧化石墨烯照射還原，成功得到石墨烯；以上實驗雖然使用光雕法成功的得到了石墨烯，但缺少對激光強(qiáng)度的研究，因為激光強(qiáng)度對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 實驗

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)字移動顯微鏡、四探針測試儀、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；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10ml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)計好的叉指電極圖片導(dǎo)入計算機(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、30五個等級，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 實驗結(jié)果與分析

2.1 LSG的方塊電阻表征

我們利用四探針測試儀測試了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GO還原不透徹，電阻超出測試儀量程；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，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，其方塊電阻最小，為1117Ω□-1。

利用激光雕刻機(jī)將GO還原后，得到的LSG，對此進(jìn)行顯微鏡觀察，觀察到被還原的區(qū)域由黃色變?yōu)楹谏?，叉指電極圖案清晰明顯。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。

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，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現(xiàn)了氧化石墨烯的還原，又實現(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的時候，氧化石墨烯被打透。因此，我們認(rèn)為激光強(qiáng)度為25時，LSG的還原及圖形化效果最好。

【參考文獻(xiàn)】

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