超級石墨烯玻璃的應用

超級石墨烯玻璃的應用
【技術領域】
[0001]本發明屬于材料領域，涉及一種超級石墨烯玻璃的應用。
【背景技術】
[0002]石墨烯是近年來新興的一種碳材料，具有極為優良的性質，包括極高的機械強度、極高的載流子迀移率、很高的光透過率、化學穩定性、導熱性等等，其性能的發現榮獲2010年諾貝爾物理學獎。由于這些出色的性質，石墨烯在電子學器件、透明導電薄膜、等許多領域有廣泛而重要的應用前景，越來越受到人們的重視。
[0003]玻璃是一種古老而應用極為廣泛的材料。其種類繁多，成本普遍極為低廉。作為一種已經進入大眾生活中最被熟知的透明材料，它還兼有機械性能較好、易于加工等優秀的品質。然而它是一種絕緣材料，并不具備導電性能，因而在電力得到越來越廣泛應用的今天，玻璃的應用受到了一定限制。因此，將玻璃與石墨烯的優點相結合以形成成本低廉、易于加工、機械性能優秀、兼具透明性與導電性的新材料，是相關領域研究的重點之一。
[0004]現行通用的石墨烯導電玻璃制備方法包括:1)將化學氣相沉積法制備的石墨烯薄膜通過轉移的方法覆蓋在玻璃基材上。該方法對基材的平整度有較高要求，步驟繁瑣，因而成本偏高，也無法獲得粗糙表面(例如毛玻璃表面)的導電玻璃。2)采用粉體石墨烯或還原石墨氧化物的溶液涂布在玻璃基材上。該方法所用石墨烯性能普遍較差，電導率較低，對于一些場合來講難以滿足要求，同時也無法避免繁瑣的溶液相處理過程。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是提供一種超級石墨烯玻璃(也即石墨烯玻璃)的應用。
[0006]本發明提供的超級石墨烯玻璃的應用，為超級石墨烯玻璃在制備導電器件中的應用及含有超級石墨烯玻璃的導電器件。
[0007]其中，所述導電器件為透明電路板、電阻式觸摸屏的底板、電加熱元件或電致變色電極元件。
[0008]上述超級石墨烯玻璃由作為基底的玻璃和位于所述玻璃基底上的石墨烯組成；且所述石墨烯位于所述玻璃基底的一面或兩面。
[0009]上述超級石墨烯玻璃中，所述玻璃選自白玻璃、藍玻璃、綠玻璃、褐玻璃、石英玻璃、藍寶石玻璃、藍色鈷玻璃、ITO玻璃、FTO玻璃、AZO玻璃、鈉鈣玻璃、硼硅玻璃、柔性云母玻璃、硼酸鹽玻璃和磷酸鹽玻璃中的至少一種；
[0010]其中，所述白玻璃、藍玻璃、綠玻璃、褐玻璃和石英玻璃的厚度均為lmm-lOmm，具體為 4mm ；
[0011]所述石墨稀的厚度為1-100個原子層。
[0012]所述超級石墨烯玻璃也可為按照下述本發明提供的方法制備而得的產品。
[0013]所述石墨烯玻璃為按照包括如下步驟的方法制備而得:
[0014]以前述玻璃為基底，于化學氣相沉積系統中，通入碳源進行化學氣相沉積，沉積完畢降溫至室溫，得到所述超級石墨烯玻璃。
[0015]該方法使用直接生長的方法進行制備，因而能夠避免通常的轉移方法所引入的水層或高分子膜殘余物等雜質。
[0016]上述方法還包括如下步驟:在所述化學氣相沉積步驟之前，將所述基底進行清洗干燥；
[0017]所述清洗步驟中，所用清洗劑具體為超純水、異丙醇和丙酮；清洗的方法具體為超聲清洗；超聲的功率具體為70-90W，更具體為80W ;
[0018]所述清洗干燥更具體包括如下步驟:將所述基底依次用超純水、異丙醇、丙酮和超純水各清洗3-5min，再用氮氣吹干。
[0019]所述化學氣相沉積步驟中，碳源選自甲烷和乙烯中的至少一種；
[0020]沉積溫度為400°C -1lOO0C，具體為 1000°C -1020°C ；
[0021]沉積時間為30min_480min ；
[0022]所述降溫步驟為程序控制降溫或自然降溫；
[0023]所述程控降溫步驟中，由沉積溫度至600°C為自然降溫，依照玻璃冷卻成型的工藝條件，設定延緩在600°C -450°C的降溫過程，此區間內降溫時間設為2小時(通常為20分鐘)，如由600°C至450°C的降溫速率可設定為1°C /min-1.5°C /min，使其玻璃更好的成型，表面平滑，抑制液-固轉變過程中樣品內部及表面氣泡和裂紋的產生。由450°C至室溫為自然降溫
[0024]所述化學氣相沉積步驟中，沉積的方法選自常壓熱化學氣相沉積法(APCVD)、熔融熱化學氣相沉積法(molten-state APCVD)和等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)中的至少一種；
[0025]所述玻璃的軟化溫度不高于630°C時，所述沉積的方法具體選自熔融熱化學氣相沉積法(molten-state APCVD)和等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)中的至少一種；
[0026]所述玻璃的軟化溫度高于900°C時，所述沉積的方法具體為常壓熱化學氣相沉積法(APCVD) ο
[0027]所述常壓熱化學氣相沉積法(APCVD)的具體步驟包括:將玻璃基底放入常規石英管中，在常壓環境下通入載氣，基底升溫至設定爐溫，在保持載氣通入的條件下而后通入碳源氣體，高溫下碳源氣體裂解為活性基團，在基底表面沉積，實現石墨烯的直接生長；
[0028]具體的，所述常壓熱化學氣相沉積法(APCVD)中，沉積環境為I個大氣壓；載氣為由氬氣和氫氣組成的混合氣；沉積溫度為950°C -1100°C，優選1000°C -1050°C，具體為1020°C;沉積時間為 60min-480min，優選 180min ;氬氣的流量為 50-500sccm，優選 10sccm ；氫氣的流量為50-200SCCm;氬氣與氫氣的流量比為2:0.5-1.5，優選2:1 ;碳源的流量為l_50sccm，具體為 7sccm ；
[0029]所述恪融熱化學氣相沉積法(molten-state APCVD)的具體步驟包括:將切割好的玻璃基底放在特質的平整石墨模具中，然后將整個模具放入常規石英管中，基底升溫至設定爐溫，模具中的玻璃高溫軟化為熔融液態，而后通入碳源氣體，在高溫下裂解為活性基團，而熔融狀態的玻璃利于碳活性物種的迀移，降溫過程采取程控降溫模式，實現了石墨烯在熔融玻璃基底的直接生長；
[0030]所述熔融熱化學氣相沉積法(molten-state APCVD)中，載氣為由氬氣和氫氣組成的混合氣；沉積溫度為1000°C -1100°c，優選1000°C ;沉積時間為30min-480min，優選120min ；-氬氣的流量為50_500sccm，優選150sccm ;氫氣的流量為2_100sccm，具體為20sccm;氬氣與氫氣的流量比為1-100:1，優選7.5:1 ;碳源的流量為l_20sccm，優選6sccm ；
[0031]所述等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)的具體步驟包括:將玻璃基底放入等離子體增強化學氣相沉積腔體中，抽真空至0.4-170Pa的環境(具體為IPa)，通入碳源氣體，基底升溫到設定爐溫；而后開啟等離子體電源，使碳氫化合物離化裂解成活性基團，在基底表面發生反應，實現石墨烯的直接生長。
[0032]所述等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)中，沉積環境為真空度為0.4_170Pa的環境，真空度具體為IPa ;沉積溫度為400°C -600°C ;等離子體電源的功率為40-100W，優選80W ;碳源的流量為2-7sccm，優選5.5sccm ;沉積時間為30_120min，優選60min。
[0033]在上述制備超級石墨烯玻璃的方法中，所用反應裝置為常規管式爐，具體可為石英管管式爐，所用石英管管式爐中，石英管的直徑具體可為1-3英寸，優選3英寸，利于大尺寸樣品的生長。另外，在制備過程中，需保持玻璃基底位于反應裝置如管式爐的中點位置。
[0034]由于本發明中石墨烯導電玻璃的各項性能指標可在較大范圍內變化，特別地，其光透過率(波長550nm處)可從約10%到97%，面電阻率可從80 Ω.sq 1JlJ 20k Ω.sq 1O該石墨烯導電玻璃結構簡單，成本低廉，性能較為優良，適用范圍廣泛，可應用于透明印刷電路基板，電阻式觸摸屏基板，電加熱器發熱部件，電致變色窗口的部件等。
【附圖說明】
[0035]圖1為本發明所述石墨烯導電玻璃的結構示意圖和制備方法示意圖。
[0036]圖2為部分石墨烯導電玻璃樣品的實物圖。
[0037]圖3為由常壓熱化學氣相沉積生長得到的超級石墨烯玻璃的樣品表征。
[0038]圖4為使用石墨烯導電玻璃的電阻式觸摸屏實物圖。
[0039]圖5為由常壓熔融化學氣相沉積生長得到的超級石墨烯玻璃的樣品表征。
[0040]圖6為使用超級石墨烯玻璃的簡單印刷電路的實物圖。
[0041]圖7為由等離子體輔助化學氣相沉積生長得到的超級石墨烯玻璃的樣品表征。
[0042]圖8為使用超級石墨烯玻璃的電加熱器的實物圖。
[0043]圖9為使用超級石墨烯玻璃的電致變色窗口的實物演示圖。
【具體實施方式】
[0044]下面結合具體實施例對本發明作進一步闡述，但本發明并不限于以下實施例。所述方法如無特別說明均為常規方法。所述原材料如無特別說明均能從公開商業途徑獲得。
[0045]本發明提供的超級石墨烯玻璃的直接生長方法的示意圖和生長樣品石墨烯覆蓋度表征如圖1所示，編號I為玻璃基底，編號2為管式爐，編號3為石英管。
[0046]其中，圖1 (a)為生長超級石墨烯玻璃所使用的化學氣相沉積系統；
[0047]圖1 (b)為石墨烯在玻璃基底表面的長大過程，碳原子通過邊緣擴散連接至石墨烯島邊緣，而后石墨烯島拼接為石墨烯薄膜；
[0048]圖1 (c)為掃描電子顯微鏡(SEM)和光學顯微鏡(OM)表征的石墨烯生長過程，由亞單層的石墨烯片到滿層的石墨烯薄膜，顯示了對石墨烯在玻璃基底上生長的調控能力。圖1(d)為生長所得到超級石墨烯玻璃的結構示意圖。
[0049]圖2為部分超級石墨烯玻璃樣品的實物照片。其中a為普通白玻璃、b為普通彩色玻璃、c為柔性云母玻璃、d為鈷玻璃和耐高溫玻璃、e為硼玻璃、f為石英玻璃。
[0050]實施例1:
[0051]以石英玻璃為基底，利用常壓熱化學氣相沉積法(APCVD)制備超級石墨烯玻璃，然后制作觸摸屏樣品，展示其工作情況。
[0052]I)石英玻璃基底(長度為10cm，寬度為5cm，厚度為Imm)依次在超純水、異丙醇、丙酮和超純水中超聲清洗(超聲浴)各5min，超聲浴的超聲功率為80W。經超聲浴后的石英玻璃基底使用高純氮氣吹干，得到石英玻璃基底，備用。
[0053]2)將清洗后得到的石英玻璃基底放入APCVD腔體中，將Ar和比氣體流量計分別設定為10sccm和50sccm，打開Ar和H2_門，進行洗氣過程，目的是驅除反應腔內的H2O及O2，持續時間為lOmin。洗氣完畢后，APCVD腔體的氣壓為I個大氣壓，石英玻璃基底升溫至1020°C，在升溫過程中保持H2流速不變。待爐溫升至1020°C后，穩定30min，目的是穩定爐溫的同時對樣品進行退火處理，其間設定(314流量計為7sccm，隨后