[发明专利]一种大面积多功能石墨烯薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及到一种大面积多功能石墨烯薄膜的制备方法。

背景技术

导电薄膜可作为电极或一些半导体静电材料，在有机电制发光显示（OLED）、太阳能电池、发光二极管、光电显示和有机存储器件等方面具有广泛的应用价值。当前，常用的半导体器件电极是利用传统无机材料的稀土金属铟锡氧化物薄膜制备的，如ITO、IZO等，然而随着稀有金属的日渐匮乏，价格日趋昂贵，导电电极脆性不足等原因，限制其在光电领域的大规模应用，特别是在柔性、大面积的有机光电功能材料电极器件方面。因此，开发出一种原材料丰富、价格低廉、柔性好和稳定性高的导电薄膜对未来半导体行业及光电功能器件的发展具有经济效益和战略意义。

目前，同时具有柔性与导电功能的材料主要有导电聚合物和碳纳米管。相对无机金属导电薄膜，传统导电聚合物材料导电性较差，如PANI、PPy，而新型导电聚合物导电性较高，如PEDOT、PSS，但是价格很高，因此，导电聚合物不利于大批量生产。碳纳米管具有出色的电化学性能以及优异的机械性能，是制备柔性导电薄膜的理想材料之一，但是碳纳米管的纯化过程中产率较低、分离困难且低效，使得薄膜的制备过程复杂，成本高而限制了其大面积的工业应用。

石墨烯作为一种新型的碳二维纳米结构材料，具有较高的迁移率、独特的量子霍尔效应、优良的导电性能以及机械性能成为近年来的研究热点，基于石墨烯制成的薄膜成为新一代理想的导电薄膜。目前，石墨烯薄膜的制备方法主要有加热SiC法、外延生长法、化学气相沉积法和氧化成膜后再还原法等。其中氧化石墨烯成膜后还原技术弥补了氧化石墨烯薄膜导电性不足，还原后薄膜的导电性能提升，具有效率高、产量大、成本低的特点倍受企业以及研发机构的关注。

发明内容

本发明目的在于提出了一种大面积多功能石墨烯薄膜的制备方法，其具体步骤为：

1. 氧化石墨烯掺杂导电聚合物的制备

取一定量的氧化石墨溶于浓度为0.5 M~2.5 M的酸性溶液中，超声0.5~4 h后，加入一定量的导电聚合物单体，在常温下搅拌，将溶液放置在冰浴条件下，缓慢加入少量的氧化剂引发反应，搅拌反应4-18 h，待反应完全后，将溶液放置滤斗中抽滤，将抽滤后得到的掺杂导电聚合物的氧化石墨烯溶于水中，将其放置在60℃~200℃的真空干燥箱中烘干，便得到掺杂导电聚合物的氧化石墨烯。

上述所述的酸性溶液为HCl、HBr、HI、H₂SO₄、H₃PO₄、H₂SO₃中的任意一种。

上述所述的导电聚合物单体为苯胺、乙炔、吡咯、噻吩、环氧乙烷、环氧丙烷、丁二酸乙二醇酯、癸二酸乙二醇、乙二醇亚胺、4-乙撑二氧噻吩、乙烯磺酸盐中任意一种。导电聚合物的单体用量与氧化石墨的用量之比为1:4~5:1。

上述所述的氧化剂为过硫酸铵、FeCl₃ 、高氯酸铁、过氧化氢和硫酸铁中的任意一种。氧化剂的用量为导电聚合物用量的25 wt%~200 wt%。

2. 多层掺杂不同性能导电聚合物的氧化石墨烯薄膜的制备

（1）在一个带有阀门的水槽中，槽底阀门关闭，将基板放入槽内，基板与槽面的倾斜角度为0~90℃，向槽内加入槽体积1/2~4/5超纯水，将称取一定量的掺杂导电聚合物的氧化石墨烯超声分散在体积比为1:10~1:2的有机溶剂/超纯水的50 ~200 mL混合液中，再将溶液滴加（4s/滴~20s/滴）在槽中水表面上；

（2）掺杂导电聚合物的氧化石墨烯在有机溶剂的作用下，均匀分布于液体表面，待有机溶剂挥发后，控制槽内超纯水的流出，通过移动基板，速度控制在0.1~5 mm/min，掺杂导电聚合物的氧化石墨烯便附着于基板表面上，形成单层掺杂导电聚合物的氧化石墨烯薄膜；

（3）将单层掺杂导电聚合物的氧化石墨烯薄膜的基板，放在30~100 ℃的烘箱里烘干，得到单层的掺杂导电聚合物的氧化石墨烯薄膜。再将烘干后的单层掺杂导电聚合物的氧化石墨烯薄膜作为基板，进行二次或多次沉积和烘干薄膜，每次沉积掺杂不同性能的导电聚合物的氧化石墨烯溶液，便可形成多层掺杂不同性能的导电聚合物的氧化石墨烯薄膜。