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麻省理工:新的卷对卷工艺可制备高质量的大片石墨烯

发出时间:2020-06-19

近日消息,麻省理工学院的研究人员已经开发出了一种新的卷对卷生产工艺,用于生产大片高质量的石墨烯,该团队表示,这项新技术将使得超轻、柔性的太阳能电池,以及新型的发光设备和其他薄膜电子产品成为可能。
 
该团队表示,新的制造工艺比较容易放大到工业生产规模,它涉及到一个中间的"缓冲"材料层,这是该技术成功的关键。缓冲层可以让厚度不到一纳米(十亿分之一米)的超薄石墨烯片很容易地从基底上掀开,从而实现快速的卷对卷制造。
 
近年来,寻找一种方法来制造在日常环境下保持稳定的大面积透明薄膜电极是薄膜电子学领域的一个挑战,用于光电设备的各种应用--这些东西要么发射光,比如计算机和智能手机屏幕,要么采集光,比如太阳能电池。当今此类应用的标准是氧化铟锡(ITO),这是一种基于稀有和昂贵化学元素的材料。
 
许多研究小组一直致力于寻找ITO的替代品,重点关注有机和无机候选材料。石墨烯在这一角色上有很大的潜力,但要将CVD生长的石墨烯从其原生铜基底上转移出来是非常棘手的。
 
这种被称为石墨烯转移过程的释放,往往会导致片材出现网状的撕裂、皱纹和缺陷,破坏了薄膜的连续性,因此大大降低了其导电性。但麻省理工学院团队表示,有了新技术,"现在我们能够可靠地制造大面积石墨烯片,将其转移到任何我们想要的基底上,而且我们转移的方式不会影响原始石墨烯的电气和机械性能。"
 
麻省理工团队解决这个问题的关键是缓冲层,是由一种名为聚对二甲苯的高分子材料制成的,它在原子水平上与部署在其上的石墨烯片相一致。与石墨烯一样,聚对二甲苯也是通过CVD生产的,这简化了制造过程和可扩展性。
 
作为这项技术的演示,该团队制作了概念验证太阳能电池,采用薄膜聚合物太阳能电池材料,以及新形成的石墨烯层作为电池的两个电极之一,对位素层也作为器件基板。他们测得石墨烯薄膜在可见光下的光学透过率接近90%。
 
与基于ITO的最先进设备相比,基于石墨烯的太阳能电池原型提高了大约36倍的单位重量输送功率。它的单位面积材料用量也是透明电极的1/200。而且,与ITO相比,还有一个根本性的优势:"石墨烯几乎是免费的。"麻省理工学院的团队指出。
 
缓冲材料聚对二甲苯在微电子行业中被广泛使用,通常用于封装和保护电子设备。因此,使用该材料的供应链和设备已经很普遍。在现有的三种聚对二甲苯中,该团队的测试显示,其中一种含有较多氯原子的聚对二甲苯是迄今为止最有效的应用。
 
当各层石墨烯夹在一起时,富含氯的聚对二甲苯与底层石墨烯的原子接近,为石墨烯提供了一种"掺杂",终于为大面积石墨烯的电导率改善提供了一种更可靠、更无损的方法,这与迄今为止的许多其他测试和报道不同。
 
"石墨烯和聚对二甲苯薄膜总是面对面的,"研究人员说。"所以基本上,掺杂作用总是存在,因此优势是永久性的。"
 
资料来源:烯碳资讯
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