Kisi Grafena Multilayer yang Disesuaikan dengan Laser untuk Elektroda Konduktif Transparan

Hasil dan Diskusi

Awalnya, MGF dengan ketebalan yang berbeda diendapkan pada substrat kuarsa transparan melalui metode deposisi uap kimia. Di sini, polistirena (PS) diterapkan sebagai sumber karbon yang diuapkan pada 300 °C dan diendapkan ke substrat pada 1000 °C di bawah Ar/H₂ suasana. Untuk membantu pertumbuhan graphene multilayer, ion Fe yang berkoordinasi dengan polietilenimin dipintal dan dilapisi pada substrat yang berfungsi sebagai katalis (Gbr. 1a). Selama proses annealing, ion Fe beragregasi satu sama lain dan berubah menjadi nanopartikel Fe dalam film. File tambahan 1:Gambar S1 menyajikan Fe ³⁺ yang berbeda konsentrasi berpengaruh pada morfologi dan kristalisasi MGF (Berkas tambahan 1:Gambar S1, Informasi pendukung). Untuk mengamankan kualitas MGF, 0,5 mg/ml Fe ³⁺ optimal untuk menumbuhkan film graphene berdensitas tinggi. Ditemukan bahwa spektrum Raman dari film yang diendapkan tanpa katalis Fe (Gbr. 1b) tidak mengandung pita 2D dan D+G yang representatif dari graphene tetapi pita G dan D yang luas. Namun demikian, dengan bantuan katalis Fe pada substrat, spektrum Raman yang sesuai menunjukkan pita 2D yang jelas pada 2684 nm dan pita D+G pada 2933 nm kecuali untuk pita D pada 1342 nm, pita G pada 1592 nm, yang menunjukkan endapan tipis film adalah karakteristik graphene [18, 19]. Gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM) pada Gambar 1c dengan jelas menunjukkan kepadatan dan kehalusan MGF yang tinggi. MGF dengan ketebalan yang berbeda dibuat melalui penyesuaian kuantitas kuantitas PS (Gbr. 1d, e). Dapat dilihat bahwa resistansi lembaran film dan transmitansi turun tajam dengan bertambahnya ketebalan film. Film tipis setebal tiga nanometer memiliki transparansi tinggi dengan transmisi 80% pada 550 nm tetapi konduktivitas yang buruk dari resistansi lembaran 13,5 kΩ sq ⁻¹ , sedangkan resistansi film 0,1 kΩ sq ⁻¹ sesuai dengan transmitansi yang sangat rendah yaitu 0,38%. Biasanya, faktor kualitas FoM diperkenalkan untuk mengevaluasi relativitas antara resistivitas dan transparansi MGF sebagai elektroda transparan. FoM dihitung melalui Persamaan. (1) di mana transmitansi dan resistansi lembaran T dan R _s , masing-masing.

Deposisi dan karakterisasi MGF. a Ilustrasi skema pengendapan CVD MGF dengan Fe ³⁺ sebagai katalis. b Spektrum Raman dari film graphene dengan dan tanpa katalis (pada panjang gelombang eksitasi 633 nm). c Gambar SEM dari MGF. d Foto-foto MGF yang diendapkan pada substrat kuarsa dengan ketebalan yang berbeda. e Perbandingan resistansi lembaran dan transmitansi MGF dengan ketebalan yang berbeda. f Perbandingan ketebalan dan FoM MGF yang diperoleh pada penelitian ini

Hererin, FoM MGF dengan ketebalan yang berbeda dari 10 nm hingga 350 nm dapat dihitung dari 0,1 hingga 0,5 pada Gambar. 1f, yang sebanding dengan grafit terkelupas yang dilaporkan [11, 16].

Bagaimana cara meningkatkan FoM MGF saat tumbuh? Yang paling penting adalah menyeimbangkan kontradiksi antara transparansi dan resistensi lembaran yang dijelaskan di atas. Di sini, laser IR diterapkan untuk mengikis MGF untuk membuat struktur jaringan mikro (Gbr. 2a). Proses penjahitan didasarkan pada mekanisme bahwa film menyerap energi yang kuat dari sinar laser yang sangat terfokus dan mengubah energi panas yang sangat padat yang menghasilkan ablasi secara instan di situs radiasi sinar [20, 21]. Dengan asisten sistem penulisan langsung laser, film tipis graphene multilayer dapat disesuaikan ke dalam pola arbitrer (File tambahan 1:Gambar S2) dengan menyetel secara halus daya laser, kecepatan pemindaian, dan diameter sinar. Lebar fitur jejak jahitan dioptimalkan dari 25 μm hingga 100 μm, dan lebar pola minimum hingga 5 m. Untuk mendapatkan FoM yang optimal, struktur kisi jendela layar dibuat pada Gambar 2b, c. Dapat dilihat bahwa struktur mikro yang terorganisir dengan baik disajikan dalam gambar mikroskopis dari MGFG yang dibuat masing-masing pada mode transmisi dan mode refleksi. Pori-pori mikro yang disesuaikan seragam dan transparan, sedangkan kisi-kisi yang tersisa adalah penghubung. Gambar SEM dalam file tambahan 1:Gambar S3 mengilustrasikan detail struktur film graphene termasuk mikropori dan kisi-kisi. Ukuran mikropori sekitar 100 μm. Gambar 2d, e menunjukkan tepi MGFG yang lurus dan tajam pada gambar AFM dan SEM. Ini membuktikan proses menjahit sangat efektif untuk menghasilkan pola berkualitas tinggi. Gambar 2f menunjukkan spektrum Raman dari kisi-kisi yang disesuaikan bahwa kisi-kisi yang tersisa mempertahankan struktur asli MGFG tanpa kerusakan setelah proses penjahitan, sedangkan serpihan sisa menunjukkan pita D yang relatif lebih tinggi dan pita 2D yang lebih lemah karena proses ablasi laser [18]. Studi lebih lanjut tentang penyerapan inframerah dilakukan sebelum dan sesudah ablasi MGFG. Tidak ada penyerapan yang jelas untuk MGFG terablasi pada Gambar 2g, yang menunjukkan bahwa lapisan graphene dapat dihilangkan dengan baik oleh ablasi laser.

Penjahitan laser MGF dan fabrikasi MGFG. a Ilustrasi skema proses ablasi grid graphene dengan penulisan langsung laser IR. b , c Gambar mikroskop dari MGFG yang dibuat pada mode transmisi dan mode refleksi, masing-masing. d , e Gambar AFM dan SEM dari tepi yang disesuaikan. f Spektrum Raman dari grid graphene dan serpihan di area ablasi ( pada panjang gelombang eksitasi 633 nm). g Penyerapan IR MGF sebelum dan sesudah ablasi

Untuk mengevaluasi pengaruh pada transmitansi dan resistansi lembaran dari parameter grid yang disesuaikan, kami melakukan serangkaian MGFG dengan rasio ablasi yang berbeda dari Gambar 3a–h. Ukuran mikropori disesuaikan secara halus dari 100 μm × 100 μm hingga 250 μm × 250 μm, dan lebar garis disetel dari 180 μm hingga 30 μm. Saat rasio ablasi meningkat dari 0 menjadi 75%, transmitansi meningkat dari 0,38 menjadi 75% dan resistansi lembaran meningkat dari 70 Ω sq ⁻¹ hingga 340 Ω sq ⁻¹ pada Gambar. 3i–j. Selain itu, resistivitas yang berbeda, ukuran mikropori, dan lebar grid MGF (File tambahan 1:Gambar S4) dilakukan dengan baik untuk mempelajari hasil optimal antara transparansi dan ketahanan lembaran. Pada Gambar 3k–l, dapat diperkirakan bahwa transmitansi telah meningkat sebanyak 200 kali sedangkan resistansi lembaran hanya meningkat 5 kali, dan FoM meningkat dari 0,4 menjadi 3,6. Membandingkan grid dengan MGF pada transmitansi 80%, FoM sekitar 0,1 pada Gambar 1e. Sementara itu, resistansi lembaran kisi-kisi graphene adalah 340 Ω sq ⁻¹ , yang hanya 2,5% dari MGF (13,5 kΩ sq ⁻¹ ). Artinya, FoM dari MGFG meningkat setinggi 3,6 dari 0,1 MGF di bawah transmisi yang sama 80%. Oleh karena itu, dapat disimpulkan dengan tegas bahwa transparansi dan konduktivitas MGFG telah ditingkatkan secara dramatis daripada MGF melalui penyesuaian ke jaringan mikro. Untuk mendemonstrasikan efek visual, sampel MGF 5 cm × 5 cm disajikan dalam cahaya alami. Sampel pada Gambar. 3m benar-benar buram. Perlu dicatat bahwa transparansi sampel meningkat secara dramatis setelah penjahitan laser. Lanskap yang jelas muncul melalui sampel MGFG pada Gambar. 3n.

Karakterisasi MGFG dengan rasio ablasi yang berbeda. a –h Gambar mikroskop MGFG dengan rasio ablasi yang berbeda. Bilah skala 200 μm. saya Transmisi MGFG dengan rasio ablasi yang berbeda. j Perbandingan resistansi lembaran dan transmitansi MGFG dengan rasio ablasi yang berbeda. k T dan R _S data untuk MGFG dengan rasio ablasi yang berbeda. l FoM MGFG dengan rasio ablasi yang berbeda. m , n Foto sampel film graphene 5 cm × 5 cm sebelum dan sesudah penjahitan laser

Untuk mendemonstrasikan aplikasi MGFG, Gambar 4a, b menunjukkan bahwa kisi-kisi buatan pada substrat kuarsa digunakan sebagai pelindung kabut termal-listrik transparan. Kinerja listrik-termal dari grid dengan 75% transmitansi dipelajari pada tegangan yang berbeda. Sangat menarik untuk melihat bahwa banyak tetesan air di permukaan jaringan (Gbr. 4a) hilang dalam waktu 2 menit saat listrik menyala pada Gbr. 4b. Untuk mengidentifikasi proses, peta suhu kontur MGFG pada Gambar 4c digunakan untuk menyelidiki secara langsung perilaku listrik-termal. Gambar 4d menunjukkan bahwa suhu permukaan MGFG meningkat dengan bertambahnya waktu dan tegangan. Ditemukan bahwa tegangan banyak mempengaruhi suhu MGFG. Pada tegangan yang sama, suhu meningkat tajam pada tahap pertama dan kemudian cenderung stabil. Penyelidikan lebih lanjut menemukan bahwa ada lebih banyak agregasi termal di sekitar elektroda dua titik pada Gambar. 4c. Akumulasi medan termal terutama muncul dari distribusi kerapatan arus listrik yang tidak homogen. Kedua elektroda kontak memiliki kerapatan arus yang lebih tinggi daripada tempat defogger lainnya, yang menginduksi suhu lebih tinggi. Berdasarkan mekanisme ini, densitas defogger saat ini dapat didistribusikan secara homogen untuk mewujudkan medan termal yang terlokalisasi dan dapat dikontrol pada substrat melalui penyesuaian MGFG ke dalam pola yang diinginkan. Kami merancang sabuk MGFG dengan menyesuaikan kisi-kisi graphene pada substrat seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 4e. Peta suhu kontur yang dihasilkan dari sabuk MGFG menunjukkan lapisan termal lokal pada substrat (Gbr. 4g). Selanjutnya, satu susunan sabuk MGFG dirancang secara ideal untuk menghantarkan listrik secara homogen pada Gambar 4h. Eksperimen menunjukkan medan termal yang seragam pada substrat dapat diperoleh pada Gambar 4h melalui pemanfaatan elektroda planar dan susunan sabuk kisi pada substrat. Akan sangat membantu untuk membuat perangkat termal-listrik dengan kualitas tinggi di masa mendatang.

Defogger berbasis MGFG. a , b Kinerja defogging MGFG. c Peta suhu kontur mengenai permukaan 5 cm × 5 cm MGFG di bawah 20 V. d Profil suhu 1 cm × 1 cm MGFG pada tegangan dan waktu yang berbeda. e Ilustrasi skema defogger sabuk MGFG. f Peta suhu kontur defogger sabuk MGFG di bawah 25 V. g Ilustrasi skema defogger susunan sabuk MGFG berpola. h Peta suhu kontur defogger susunan sabuk MGFG di bawah 25 V