[发明专利]一种在玻璃上低温直接生长石墨烯的技术

说明书

示例性实施例涉及一种在玻璃上低温直接生长石墨烯的方法和/或相关的制品/器件。在示例性实施例中，玻璃基板具有形成在其上的含有镍的层。通过注入氦使含有镍的层具有预工程应力。在此也可以通过退火和/或类似方式进行预处理。采用远程等离子体辅助化学气相沉积技术在含镍薄膜上下都形成石墨烯。该含镍薄膜和顶部石墨烯可通过胶带和/或类似物除去，将石墨烯留在基板上。选择性地，含硅层可以形成在含镍层和基板之间。在此还设想包括该制品的产品和/或制备该制品的方法。

本申请要求2015年8月19日提交的美国申请No.62/207,132，其全部内容被纳入此处作为参考。

本申请还将美国公开No.2014/0261998、美国公开No.2011/0033688和美国专利No.8,808,810的每一个的全部内容纳入此处作为参考。

本发明的示例性实施例涉及一种在玻璃上低温直接生长石墨烯的技术和/或相关的制品/器件。更具体地，本发明的示例性实施例涉及一种在应力工程的含有镍的膜与涂有硅氧化物(例如SiO₂或其他适当的化学计量比)的玻璃基板之间的界面处生长石墨烯的技术，其温度远低于苏打石灰硅玻璃的熔点。

发明背景及发明内容

氧化铟锡(ITO)和氟掺杂氧化锡(FTO或SnO:F)涂层被广泛用作光电器件中的窗电极。这些透明导电氧化物(TCOs)在各种应用中都取得了巨大的成功。然而由于若干原因，ITO和FTO的使用出现许多问题。例如，这些问题包括：地球上可使用元素铟的数量有限、TCOs在酸或碱存在时不稳定、其对从离子导电层的离子扩散具敏感性、其在近红外区域中透明度有限(例如，富功率光谱可能有益于一些光伏器件)、FTO结构缺陷引起的高泄漏电流等。ITO的脆性和较高的沉积和/或加工温度也限制了ITO的应用。此外，SnO₂:F中的表面凹凸不平可能会在一些应用中引起问题。

因此，在本技术中需要一种具有良好稳定性、高透明度和优良导电性的光滑、可加图案的电极材料。

目前正在研究一种具良好稳定性、高透明度、导电性好的新型电极材料。该研究的一个方面涉及到找出替代传统TCOs的可行办法。在此，本发明的发明者开发了一种可行的基于碳的透明导电涂层(TCC)，更具体地说，基于石墨烯。

石墨烯一词一般指石墨的一个或多个原子层，例如单个石墨层或SGL可扩展到n层石墨(例如，n可约高达10层，优选是约5层)。石墨烯最近的发现和隔离(通过切割结晶石墨)是在电子学中趋向将电路元件的尺寸降到纳米尺度的时候。在此，石墨烯出乎意料地引导出独特的光电特性的新世界，在标准电子材料中没有被发现。这是从线性色散关系(Evs.k)中出现的，导致石墨烯中的电荷载体具有零静息质量，并表现出类似相对论粒子的行为。离域电子的相对论类行为在碳原子周围移动是由于其与石墨烯蜂巢晶格的周期势相互作用而产生的，并产生新的准粒子，这些粒子在低能(E<1.2eV)下经(2+1)维狄拉克方程被精确描述，其光的有效速率为v_F≈c/300＝10⁶ms^–1。因此，量子电动力学(QED)的成熟技术(涉及光子)可以在石墨烯的研究中发挥作用。另一个有利的方面是这种效应在石墨烯中被放大了300倍。例如，石墨烯中的普适耦合常数α接近2，而在真空中为1/137。此外，石墨烯没有电子带隙，这将为新型光电应用打开大门。

尽管石墨烯只有一个原子厚度(至少)但其具化学和热稳定性(尽管石墨烯有时在300摄氏度下会被表面氧化)，从而可成功地制备出能够承受环境和潜在苛刻条件的基于石墨烯的器件。高质量石墨片最初通过采用块状石墨微机械解理法被制备。同样的技术正在被微调以提供达到100μm²尺寸的高质量石墨烯微晶。该尺寸对于微电子领域的大多数研究目的是足够的。因此，到目前为止开发的大多数技术，主要是在大学，更多地侧重于显微样品，同样也普遍侧重于器件的制备和表征而不是扩大规模。