Jaringan Grafin Multilaprek Hasil Rekayasa Laser Menghasilkan Elektroda Ultra-Transparansi dan Resistensi Rendah

Abstrak

Aplikasi grafin sebagai elektroda konduktif transparan (TCE) telah terhambat baik oleh biaya tinggi grafin kristal tunggal maupun keseimbangan antara transparansi dan resistensi lapisan grafin policristal. Dalam karya ini, kami mengusulkan pembuatan jaringan film grafin multilaprek (MGFG) untuk meningkatkan transparansi sambil mempertahankan resistensi lapisan yang rendah melalui pemotongan laser IR. Dibuktikan bahwa transparansi MGFG dapat ditingkatkan hingga 200 kali sambil mempertahankan resistensi lapisan yang kompetitif sebesar 340 Ω sq⁻¹ melalui penyesuaian jaringan pemotongan, dan angka kelayakan (FoM) yang terkait meningkat dari 0,1 menjadi 3,6. MGFG yang dihasilkan diuji dalam menghasilkan medan termal lokal yang dapat dikontrol dan penghapusan kabut secara efisien. Strategi pemotongan jaringan laser akan sangat memajukan aplikasi grafin untuk elektroda transparan di industri.

Pendahuluan

Grafin sangat dihargai sebagai kandidat TCE karena sifat listrik dan optik yang luar biasa [1,2,3,4,5,6]. Grafin kristal tunggal dalam skala besar yang ditinggalkan pada substrat logam melalui metode deposisi kimiawi uap (CVD) menunjukkan transparansi yang luar biasa (~97%) dan konduktivitas (<100 Ω sq⁻¹) [7, 8]. Namun, kecepatan pertumbuhan yang relatif rendah dan proses pemindahan meningkatkan biaya produksi massal dan menghambat aplikasi industri. Untuk menurunkan biaya produksi massal, banyak pekerjaan telah dilakukan untuk menitipkan grafin policristal secara langsung pada kaca komersial dan mencoba menerapkannya untuk perangkat termal listrik, kultur sel, jendela cerdas, dan panel sentuh [9,10,11,12,13]. Meskipun kecepatan pertumbuhan telah sangat ditingkatkan, konduktivitas grafin policristal menurun secara signifikan dibandingkan grafin kristal tunggal. Salah satu sisi, film grafin dengan transmitansi ~95% menunjukkan resistensi lapisan hingga 6,1 kΩ sq⁻¹, di sisi lain, transmitansi akan menurun di bawah 50% karena peningkatan ketebalan saat resistensi lapisan di bawah 0,5 kΩ sq⁻¹ [14,15,16,17]. Oleh karena itu, masih ada tantangan besar untuk menyeimbangkan persaingan antara resistensi lapisan dan transmitansi untuk film grafin. Di sini, kami mengusulkan rute pemotongan laser untuk membuat jaringan grafin guna merealisasikan transparansi tinggi dan konduktivitas yang baik dari film grafin multilaprek (MGF). Laser IR digunakan untuk menghilangkan sebagian grafin multilaprek dan memotong tipis-tipis menjadi pola yang diinginkan. Transparansi film secara signifikan meningkat dari 0,38 menjadi 75% sambil mempertahankan resistensi lapisan yang rendah sebesar 350 Ω sq⁻¹ melalui penyesuaian ukuran lubang atau lebar jaringan. Perlu dicatat bahwa proses pemotongan laser sangat cepat sehingga pemotongan tipis-tipis 5 cm × 5 cm dapat selesai dalam waktu 1 menit, yang menjamin aplikasi luas untuk skala besar di industri. Kami menunjukkan penghapus kabut yang efisien berdasarkan MGFG serta medan termal lokal yang dapat dikontrol pada substrat melalui desain pola jaringan. MGFG yang sangat transparan dan konduktif akan memiliki potensi aplikasi yang besar sebagai elektroda transparan dalam panel sentuh, jendela cerdas, dan perangkat dapat dikenakan.

Hasil dan Pembahasan

Awalnya, MGF dengan ketebalan yang berbeda ditinggalkan pada substrat kaca kuarsa transparan melalui metode deposisi kimiawi uap. Di sini, poliestirena (PS) digunakan sebagai sumber karbon yang diuapkan pada 300 °C dan ditinggalkan pada substrat pada 1000 °C di bawah atmosfer Ar/H₂. Untuk membantu pertumbuhan grafin multilaprek, ion Fe yang terkoordinasi dengan polietilenimina dilapisi dan dicelup pada substrat sebagai katalis (Gambar 1a). Selama proses pengeringan, ion Fe mengagregasi satu sama lain dan bertransformasi menjadi nanopartikel Fe dalam film. Berkas tambahan 1: Gambar S1 menunjukkan pengaruh konsentrasi Fe³⁺ yang berbeda terhadap morfologi dan kristalisasi MGF (Berkas tambahan 1: Gambar S1, Informasi Pendukung). Untuk memastikan kualitas MGF, 0,5 mg/ml Fe³⁺ adalah optimum untuk menumbuhkan film grafin dengan kepadatan tinggi. Ditemukan bahwa spektrum Raman film yang ditinggalkan tanpa katalis Fe (Gambar 1b) tidak mengandung puncak representatif 2D dan D+G grafin tetapi puncak G dan D yang lebar. Namun, dengan bantuan katalis Fe pada substrat, spektrum Raman yang terkait menunjukkan puncak 2D yang jelas pada 2684 nm dan puncak D+G pada 2933 nm kecuali puncak D pada 1342 nm, puncak G pada 1592 nm, yang menunjukkan bahwa tipis-tipis yang ditinggalkan memiliki ciri grafin [18, 19]. Gambar citra mikroskopi elektron pemindai (SEM) di Gambar 1c jelas menunjukkan kepadatan dan kehalusan MGF yang tinggi. MGF dengan ketebalan yang berbeda dibuat melalui penyesuaian jumlah PS (Gambar 1d, e). Terlihat bahwa resistensi lapisan film dan transmitansi secara tajam menurun seiring peningkatan ketebalan film. Tipis-tipis tebal 3 nanometer memiliki transparansi tinggi dengan transmitansi 80% pada 550 nm tetapi konduktivitas buruk dengan resistensi lapisan 13,5 kΩ sq⁻¹, sementara resistensi film 0,1 kΩ sq⁻¹ sesuai dengan transmitansi yang luar biasa rendah sebesar 0,38%. Biasanya, faktor kualitas FoM diperkenalkan untuk mengevaluasi kaitan antara resistivitas dan transparansi MGF sebagai elektroda transparan. FoM dihitung melalui Eq. (1) di mana transmitansi dan resistensi lapisan adalah T dan Rs, masing-masing.

$$ \mathrm{FoM}=\frac{188.5}{Rs\left(\sqrt{\frac{1}{T}}-1\right)} $$ (1)

Di sini, FoM MGF dengan ketebalan yang berbeda dari 10 nm hingga 350 nm dapat dihitung dari 0,1 hingga 0,5 pada Gambar 1f, yang dapat dibandingkan dengan grafit eksfoliasi yang dilaporkan [11, 16].

Bagaimana meningkatkan FoM MGF yang ditumbuhkan? Hal terpenting adalah menyeimbangkan kontradiksi antara transparansi dan resistensi lapisan yang dijelaskan di atas. Di sini, laser IR digunakan untuk memotong MGF untuk menciptakan struktur mikro-jaringan (Gambar 2a). Proses pemotongan didasarkan pada mekanisme bahwa film menyerap energi kuat dari sinar laser yang sangat difokuskan dan mengubah energi termal yang sangat padat sehingga menghilang secara instan pada situs radiasi sinar [20, 21]. Dengan bantuan sistem penulisan laser langsung, tipis-tipis grafin multilaprek dapat dipotong menjadi pola arbitrer (Berkas tambahan 1: Gambar S2) dengan menyesuaikan dengan halus daya laser, kecepatan pemindaian, dan diameter sinar. Lebar fitur jejak pemotongan dioptimalkan dari 25 μm hingga 100 μm, dan lebar pola minimum hingga 5 μm. Untuk mendapatkan FoM optimum, struktur jaringan jendela layar dibuat pada Gambar 2b, c. Terlihat bahwa mikrostruktur yang teratur dengan baik muncul dalam citra mikroskop MGFG yang dibuat pada mode transmisi dan refleksi, masing-masing. Mikroporos yang dipotong seragam dan transparan, sementara jaringan yang tersisa terhubung. Citra SEM di Berkas tambahan 1: Gambar S3 menunjukkan detail struktur film grafin termasuk mikroporos dan jaringan. Ukuran mikroporos sekitar 100 μm. Gambar 2d, e menunjukkan tepi yang lurus dan tajam MGFG dalam citra AFM dan SEM. Ini membuktikan bahwa proses pemotongan sangat efektif untuk memproduksi pola berkualitas tinggi. Gambar 2f menunjukkan spektrum Raman jaringan yang dipotong yang jaringan yang tersisa mempertahankan struktur asli MGFG tanpa degradasi setelah proses pemotongan, sementara kerucut sisa menunjukkan puncak D yang relatif lebih tinggi dan puncak 2D yang lebih lemah karena proses ablasi laser [18]. Studi lebih lanjut tentang serapan inframerah dilakukan sebelum dan setelah ablasi MGFG. Tidak ada serapan yang jelas untuk MGFG yang diablasi pada Gambar 2g, yang menunjukkan bahwa lapisan grafin dapat dihapus dengan baik oleh ablasi laser.

Untuk mengevaluasi pengaruh parameter jaringan yang dipotong terhadap transmitansi dan resistensi lapisan, kami melakukan serangkaian MGFG dengan rasio ablasi yang berbeda dari Gambar 3a–h. Ukuran mikroporos disesuaikan secara halus dari 100 μm × 100 μm hingga 250 μm × 250 μm, dan lebar garis disesuaikan dari 180 μm hingga 30 μm. Seiring peningkatan rasio ablasi dari 0 hingga 75%, transmitansi meningkat dari 0,38 hingga 75% dan resistensi lapisan meningkat dari 70 Ω sq⁻¹ hingga 340 Ω sq⁻¹ pada Gambar 3i–j. Selain itu, resistivitas, ukuran mikroporos, dan lebar jaringan MGF yang berbeda (Berkas tambahan 1: Gambar S4) juga dilakukan untuk mempelajari hasil optimum antara transparansi dan resistensi lapisan. Pada Gambar 3k–l, dapat diperkirakan bahwa transmitansi telah meningkat sebanyak 200 kali sementara resistensi lapisan hanya meningkat 5 kali, dan FoM meningkat dari 0,4 hingga 3,6. Membandingkan jaringan dengan MGF pada transmitansi 80%, FoM sekitar 0,1 pada Gambar 1e. Sementara itu, resistensi lapisan jaringan grafin adalah 340 Ω sq⁻¹, yang hanya 2,5% dari MGF (13,5 kΩ sq⁻¹). Dengan kata lain, FoM MGFG meningkat hingga 3,6 dari 0,1 MGF pada transmitansi yang sama sebesar 80%. Oleh karena itu, dapat diputuskan dengan yakin bahwa transparansi dan konduktivitas MGFG telah ditingkatkan secara dramatis dibandingkan MGF melalui pemotongan menjadi mikro-jaringan. Untuk menunjukkan efek visual, sampel MGF 5 cm × 5 cm ditampilkan di dalam cahaya alami. Sampel pada Gambar 3m benar-benar tidak transparan. Perlu dicatat bahwa transparansi sampel secara dramatis meningkat setelah pemotongan laser. Lanskap yang jelas muncul melalui sampel MGFG pada Gambar 3n.

Untuk menunjukkan aplikasi MGFG, Gambar 4a, b menunjukkan bahwa jaringan yang dibuat pada substrat kuarsa digunakan sebagai penghapus kabut termal-listrik transparan. Kinerja termal-listrik jaringan dengan transmitansi 75% dipelajari pada tegangan yang berbeda. Menarik untuk melihat bahwa banyak titik air pada permukaan jaringan (Gambar 4a) hilang dalam waktu 2 menit saat daya dinyalakan pada Gambar 4b. Untuk mengidentifikasi prosesnya, peta suhu kontur MGFG pada Gambar 4c digunakan untuk secara langsung menyelidiki perilaku termal-listrik. Gambar 4d menunjukkan bahwa suhu permukaan MGFG meningkat seiring waktu dan tegangan. Ditemukan bahwa tegangan sangat mempengaruhi suhu MGFG. Pada tegangan yang sama, suhu meningkat tajam pada tahap pertama dan kemudian cenderung stabil. Penyelidikan lebih lanjut menemukan bahwa ada agregasi termal yang lebih banyak di sekitar dua elektroda titik pada Gambar 4c. Medan termal yang terakumulasi terutama berasal dari distribusi yang tidak homogen dari kepadatan arus listrik. Dua elektroda kontak memiliki kepadatan arus yang lebih tinggi daripada tempat lain pada penghapus kabut, yang menginduksi suhu yang lebih tinggi. Berdasarkan mekanisme ini, kepadatan arus penghapus kabut dapat didistribusikan secara homogen untuk merealisasikan medan termal lokal dan dapat dikontrol pada substrat melalui pemotongan MGFG menjadi pola yang diinginkan. Kami merancang sabuk MGFG melalui pemotongan jaringan grafin pada substrat seperti diilustrasikan pada Gambar 4e. Peta suhu kontur yang dihasilkan dari sabuk MGFG menunjukkan medan termal lokal pada substrat (Gambar 4g). Selanjutnya, satu array sabuk MGFG ideal dirancang untuk mengalkiri listrik secara homogen pada Gambar 4h. Eksperimen menunjukkan bahwa medan termal seragam pada substrat dapat diperoleh pada Gambar 4h melalui penggunaan elektroda datar dan array sabuk jaringan pada substrat. Ini sangat membantu untuk memproduksi perangkat termal-listrik berkualitas tinggi di masa depan.

Kesimpulan

Laser IR digunakan untuk mengubah MGF yang tidak transparan menjadi elektroda yang sangat transparan dan konduktif melalui pemotongan struktur mikro-jaringan. Pola grafin multilaprek arbitrer dapat diperoleh dengan bantuan desain CAD dan sistem penulisan laser langsung. Perlu dicatat bahwa proses pemotongan cukup cepat untuk manufaktur skala besar struktur yang diinginkan. Transparansi MGF konduktif yang terpelihara dengan baik dapat ditingkatkan secara signifikan dari 0 hingga 80% melalui ablasi parsial dan penciptaan mikro-jaringan. Aplikasi MGFG ditunjukkan untuk perangkat termal-listrik dan medan termal lokal yang dapat dikontrol pada substrat melalui desain pola jaringan. Rute pembuatan jaringan grafin ini efektif untuk membuka kemungkinan bagi grafin multilaprek atau bahkan film grafit untuk langsung digunakan sebagai elektroda transparan tanpa proses eksfoliasi yang rumit.

Metode

Precursor katalis ion Fe³⁺ air disiapkan dengan menambahkan 2,5 g Fecl₃ ke dalam larutan yang berisi 1 g polietilenimina (PEI), 1 g asam etilendiaminotetraasetat (EDTA), dan 30 mL air. Setelah ultrafiltracinya, konsentrasi Fe akhir adalah 28,20 mg/mL diukur dengan spektrometer emissi plasma terpasangan (ICP-AES, PerkinElmer Optima 8000). Larutan dengan konsentrasi 28,20 mg/ml Fe³⁺ dicairkan menjadi 0,5 mg/ml dan kemudian dilapisi dengan spin-coating pada substrat kuarsa pada 5000 rpm selama 30 detik. Film dipanaskan pada 1000 °C selama 10 menit dengan Polistirena (PS) ditempatkan di satu sisi tabung sebagai sumber karbon.

Jaringan grafin dipotong oleh laser IR 1064 nm (YDFLP-20-M1+-S) yang disediakan oleh JPT Electronics pada kecepatan pemindaian 100 mm/s, daya 2 W, frekuensi 42 Hz, dan lebar pulsa 100 ns.

Karakterisasi

Spektrum Raman dikumpulkan dari Horiba Jobin Yvon HR Evolution. Analisis mikroskopi elektron pemindai (SEM) dilakukan pada FEI Scios,operasi pada 10 kV. Citra optik diperoleh dari Mikroskopi Metalografi CMM-55E. Resistensi lapisan diuji dengan pengujian empat sond ST2263. Transmitansi diuji pada Shimadzu UV-2450. Peta suhu kontur diukur dengan Kamera Inframerah (VarioCAM) dari InfraTec.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini termasuk dalam artikel ini.

Singkatan

CVD:

Deposisi kimiawi uap

EDTA:

Asam etilendiaminotetraasetat

FoM:

Angka kelayakan

MGF:

Film grafin multilaprek

MGFG:

Jaringan film grafin multilaprek

PEI:

Polietilenimina

PS:

Polistirena

SEM:

Mikroskopi elektron pemindai

TCE:

Elektroda konduktif transparan