Grilles de graphène multicouches sur mesure au laser pour électrodes conductrices transparentes

Introduction

Le graphène a été très apprécié comme candidat pour le TCE pour ses propriétés électriques et optiques exceptionnelles [1,2,3,4,5,6]. Le graphène à grande échelle et monocristallin déposé sur un substrat métallique par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) montre une excellente transparence (~ 97 %) et une excellente conductivité (< 100 Ω sq ⁻¹ ) [7, 8]. Cependant, la vitesse de croissance et le processus de transfert relativement faibles augmentent le coût de production massif et entravent l'application industrielle. Afin de réduire les coûts de production massifs, de grands travaux ont été réalisés pour déposer du graphène polycristallin directement sur du verre commercial et ont tenté de l'appliquer aux dispositifs thermiques électriques, à la culture cellulaire, aux fenêtres intelligentes et aux écrans tactiles [9,10,11,12,13 ]. Bien que la vitesse de croissance ait été considérablement avancée, la conductivité du graphène polycristallin diminue beaucoup par rapport au graphène monocristallin. D'une part, le film de graphène avec ~ 95 % de transmission présente une résistance de feuille jusqu'à 6,1 kΩ sq ⁻¹ , d'autre part, la transmittance sera réduite en dessous de 50 % en raison de l'augmentation d'épaisseur sur une résistance de feuille inférieure à 0,5 kΩ sq ⁻¹ [14,15,16,17]. Par conséquent, il existe toujours un grand défi pour équilibrer la concurrence entre la résistance de la feuille et la transmittance pour le film de graphène. Ici, nous avons proposé un itinéraire de personnalisation au laser pour la fabrication de grilles de graphène afin de réaliser la transparence élevée et la bonne conductivité du film de graphène multicouche (MGF). Un laser IR est appliqué pour enlever partiellement le graphène multicouche et adapter le film mince au motif souhaité. La transparence du film est remarquablement augmentée de 0,38 à 75 % tout en maintenant la résistance de la feuille à un niveau aussi bas que 350 Ω sq ⁻¹ en ajustant la taille de l'ouverture ou la largeur de la grille. Il convient de noter que le processus de personnalisation au laser est assez rapide et que la personnalisation d'un film mince de 5 cm × 5 cm peut être terminée en 1 min, ce qui garantit une large application à grande échelle dans l'industrie. Nous démontrons un désembuage efficace basé sur MGFG ainsi qu'un champ thermique local contrôlable sur le substrat grâce à la conception des motifs des grilles. Le MGFG hautement transparent et conducteur aura de grandes applications potentielles en tant qu'électrodes transparentes dans les écrans tactiles, les fenêtres intelligentes et les appareils portables.

Résultats et discussion

Initialement, des MGF avec différentes épaisseurs sont déposés sur un substrat de quartz transparent par une méthode de dépôt chimique en phase vapeur. Ici, le polystyrène (PS) est appliqué comme source de carbone qui est évaporé à 300 °C et déposé sur le substrat à 1000 °C sous Ar/H₂ atmosphère. Afin de favoriser la croissance du graphène multicouche, les ions Fe qui se coordonnent avec la polyéthylèneimine sont filés et appliqués sur un substrat servant de catalyseur (Fig. 1a). Au cours du processus de recuit, les ions Fe s'agrègent et se transforment en nanoparticules de Fe dans le film. Fichier complémentaire 1 :La figure S1 présente les différents Fe ³⁺ concentration influençant sur la morphologie et la cristallisation du MGF (Fichier supplémentaire 1 :Figure S1, Informations complémentaires). Pour garantir la qualité du MGF, 0,5 mg/ml Fe ³⁺ est optimal pour faire pousser des films de graphène à haute densité. On constate que le spectre Raman du film déposé sans catalyseur Fe (Fig. 1b) ne contient pas les bandes 2D et D+G représentatives du graphène mais de larges bandes G et D. Néanmoins, avec l'aide du catalyseur Fe sur le substrat, le spectre Raman correspondant montre une bande 2D évidente à 2684 nm et une bande D+G à 2933 nm, à l'exception de la bande D à 1342 nm, la bande G à 1592 nm, ce qui indique le dépôt mince le film est caractéristique du graphène [18, 19]. L'image au microscope électronique à balayage (MEB) de la figure 1c montre clairement une densité et une douceur élevées du MGF. MGF avec différentes épaisseurs sont fabriqués en ajustant la quantité de la quantité PS (Fig. 1d, e). On a pu voir qu'à la fois la résistance de la feuille de film et la transmittance chutent brusquement avec l'augmentation de l'épaisseur du film. Le film mince de trois nanomètres d'épaisseur a une transparence élevée avec une transmission de 80 % à 550 nm mais une faible conductivité d'une résistance de feuille de 13,5 kΩ sq ⁻¹ , tandis que la résistance du film de 0,1 kΩ sq ⁻¹ correspond à une transmittance étonnamment faible de 0,38 %. Habituellement, le facteur de qualité FoM est introduit pour évaluer la relativité entre la résistivité et la transparence du MGF en tant qu'électrodes transparentes. La FoM est calculée via l'Eq. (1) où la transmission et la résistance de la feuille sont T et R _s , respectivement.

Dépôt et caractérisation du MGF. un Illustration schématique du dépôt CVD de MGF avec Fe ³⁺ comme catalyseur. b Spectre Raman d'un film de graphène avec et sans catalyseur (à une longueur d'onde d'excitation de 633 nm). c Image SEM de MGF. d Photos de MGF déposées sur substrat de quartz avec différentes épaisseurs. e Comparaison de la résistance de la feuille et de la transmittance du MGF avec différentes épaisseurs. f Comparaison de l'épaisseur et du FoM de MGF obtenus dans ce travail

Hererin, la FoM des MGF avec une épaisseur différente de 10 nm à 350 nm pourrait être calculée de 0,1 à 0,5 sur la figure 1f, ce qui est comparable au graphite exfolié rapporté [11, 16].

Comment améliorer la FoM du MGF tel que cultivé ? La chose la plus importante est d'équilibrer la contradiction entre la transparence et la résistance de la feuille décrite ci-dessus. Ici, le laser IR a été appliqué pour enlever le MGF afin de créer des structures de micro-grilles (Fig. 2a). Le processus de personnalisation est basé sur le mécanisme selon lequel le film absorbe la puissante énergie du faisceau laser hautement focalisé et transforme l'énergie thermique très dense, entraînant une ablation instantanée sur le site de rayonnement du faisceau [20, 21]. Avec l'aide d'un système d'écriture directe au laser, le film mince de graphène multicouche pourrait être adapté en motifs arbitraires (Fichier supplémentaire 1 :Figure S2) en réglant finement la puissance laser, la vitesse de balayage et le diamètre du faisceau. La largeur de la caractéristique du tracé de personnalisation est optimisée de 25 μm à 100 μm, et la largeur minimale du motif peut atteindre 5 μm. Pour obtenir une FoM optimale, la structure de grille de la fenêtre d'écran est fabriquée sur la Fig. 2b, c. On peut voir que des microstructures bien organisées sont présentées dans des images microscopiques du MGFG fabriqué en mode de transmission et en mode de réflexion respectivement. Les micropores sur mesure sont uniformes et transparents, tandis que les grilles restantes sont connectives. Images SEM dans le fichier supplémentaire 1 :La figure S3 illustre les détails de la structure des films de graphène, y compris les micropores et les grilles. La taille des micropores est d'environ 100 μm. La figure 2d, e montre le bord droit et net de MGFG dans les images AFM et SEM. Cela prouve que le processus de confection est très efficace pour fabriquer des modèles de haute qualité. La figure 2f montre les spectres Raman des grilles sur mesure que les grilles restantes maintiennent la structure d'origine du MGFG sans détérioration après le processus de personnalisation, tandis que les flocons résiduels montrent une bande D relativement plus élevée et une bande 2D plus faible en raison du processus d'ablation laser [18]. Une étude plus approfondie de l'absorption infrarouge est réalisée avant et après l'ablation du MGFG. Il n'y a pas d'absorption évidente pour le MGFG ablaté sur la figure 2g, ce qui suggère que les couches de graphène peuvent être bien éliminées par l'ablation au laser.

Adaptation au laser du MGF et fabrication du MGFG. un Illustration schématique du processus d'ablation de grille de graphène par écriture directe par laser IR. b , c Images au microscope du MGFG fabriqué en mode de transmission et en mode de réflexion, respectivement. d , e Images AFM et SEM de bords sur mesure. f Spectre Raman de la grille et des flocons de graphène dans la zone d'ablation (à une longueur d'onde d'excitation de 633 nm). g Absorption IR du MGF avant et après ablation

Pour évaluer les influences sur la transmittance et la résistance de feuille à partir de paramètres de grilles personnalisés, nous avons effectué une série de MGFG avec un rapport d'ablation différent de celui de la Fig. 3a–h. La taille des micropores est finement ajustée de 100 μm × 100 μm à 250 μm × 250 μm, et la largeur de ligne est réglée de 180 μm à 30 μm. Lorsque le taux d'ablation augmente de 0 à 75 %, la transmittance augmente de 0,38 à 75 % et la résistance de la feuille augmente de 70 Ω sq ⁻¹ à 340 Ω m² ⁻¹ dans la figure 3i–j. De plus, différentes résistivités, tailles de micropores et largeurs de grille de MGF (Fichier supplémentaire 1 :Figure S4) sont bien menées pour étudier les résultats optimaux entre la transparence et la résistance de la feuille. Sur la figure 3k–l, on peut estimer que la transmittance a été augmentée jusqu'à 200 fois alors que la résistance de la feuille n'augmente que 5 fois et que le FoM est passé de 0,4 à 3,6. En comparant les grilles avec le MGF à une transmittance de 80 %, le FoM est d'environ 0,1 sur la figure 1e. Pendant ce temps, la résistance de couche des grilles de graphène est de 340 Ω sq ⁻¹ , qui ne représente que 2,5 % de MGF (13,5 kΩ sq ⁻¹ ). C'est-à-dire que la FoM du MGFG est augmentée jusqu'à 3,6 à partir de 0,1 de MGF sous la transmittance égale de 80 %. Par conséquent, il pourrait être fermement conclu que la transparence et la conductivité du MGFG ont été considérablement améliorées par rapport au MGF grâce à l'adaptation au micro-réseau. Pour démontrer l'effet visuel, un échantillon de MGF de 5 cm × 5 cm est présenté à la lumière naturelle. L'échantillon de la Fig. 3m est totalement opaque. Il convient de noter que la transparence de l'échantillon est considérablement améliorée après la personnalisation au laser. Le paysage clair apparaît à travers l'échantillon de MGFG sur la figure 3n.

Caractérisation de MGFG avec différents ratios d'ablation. un –h Images au microscope de MGFG avec un rapport d'ablation différent. Barres d'échelle 200 μm. je Transmission de MGFG avec un rapport d'ablation différent. j Comparaison de la résistance de la feuille et de la transmittance du MGFG avec différents rapports d'ablation. k T et R _S données pour MGFG avec un rapport d'ablation différent. l FoM de MGFG avec un rapport d'ablation différent. m , n Photographies d'un échantillon de film de graphène de 5 cm × 5 cm avant et après la couture au laser

Pour démontrer les applications du MGFG, les figures 4a, b montrent que des grilles telles que fabriquées sur un substrat de quartz sont utilisées comme désembuage électrique-thermique transparent. Les performances électrothermiques des grilles à 75% de transmittance sont étudiées à différentes tensions. Il est intéressant de voir que beaucoup de gouttes d'eau à la surface des grilles (Fig. 4a) disparaissent en 2 min lorsque l'appareil est sous tension sur la Fig. 4b. Pour identifier le processus, la carte de température de contour de MGFG sur la figure 4c est utilisée pour étudier directement le comportement électrique-thermique. La figure 4d montre que la température de surface du MGFG augmente avec le temps et la tension. On constate que la tension influence beaucoup la température du MGFG. A tension égale, la température augmente fortement au premier étage puis tend à se stabiliser. Une enquête plus approfondie révèle qu'il y a plus d'agrégation thermique autour des électrodes à deux points sur la figure 4c. Le champ thermique accumulé provient principalement de la distribution inhomogène de la densité de courant électrique. Les deux électrodes de contact ont une densité de courant plus élevée que les autres emplacements d'un désembueur, ce qui induit une température plus élevée. Sur la base de ce mécanisme, la densité de courant du désembueur pourrait être distribuée de manière homogène pour réaliser le champ thermique localisé et contrôlable sur le substrat en adaptant le MGFG en motifs souhaitables. Nous avons conçu une ceinture de MGFG en adaptant des grilles de graphène sur un substrat, comme illustré sur la figure 4e. La carte de température de contour résultante de la ceinture MGFG présente un dépôt thermique localisé sur le substrat (Fig. 4g). Par la suite, un réseau de courroies MGFG est idéalement conçu pour conduire l'électricité de manière homogène sur la figure 4h. L'expérience démontre qu'un champ thermique uniforme sur le substrat peut être obtenu sur la figure 4h en utilisant des électrodes planes et des réseaux de ceintures de grilles sur le substrat. Il est très utile de fabriquer l'appareil électro-thermique de haute qualité dans un futur proche.

Désembueur basé sur MGFG. un , b Performances de désembuage du MGFG. c Carte de température de contour concernant la surface de 5 cm × 5 cm MGFG sous 20 V. d Profils de température de 1 cm × 1 cm MGFG à différentes tensions et durées. e Illustration schématique du désembueur de courroie MGFG. f Carte de température de contour du désembueur de ceinture MGFG sous 25 V. g Illustration schématique du désembuage des matrices de ceinture MGFG à motifs. h Carte de température de contour du désembuage des matrices de ceinture MGFG sous 25 V

Conclusion

Le laser IR est utilisé pour transformer le MGF non transparent en électrodes hautement transparentes et conductrices en adaptant les structures de micro-grilles. Des motifs arbitraires de graphène multicouche pourraient être obtenus à l'aide de la conception CAO et du système d'écriture directe au laser. Il convient de noter que le processus de personnalisation est plutôt rapide pour la structure souhaitable de fabrication à grande échelle. La transparence du MGF conducteur bien entretenu pourrait être considérablement améliorée de 0 à 80 % grâce à une ablation partielle et à la création de micro-réseaux. Les applications du MGFG sont démontrées pour le dispositif électrique-thermique et le champ thermique localisé de manière contrôlable sur le substrat grâce à la conception des motifs de grille. Cette voie de fabrication de grilles de graphène est efficace pour ouvrir la possibilité au film multicouche de graphène ou même de graphite d'être directement utilisé comme électrodes transparentes sans processus d'exfoliation compliqué.

Méthodes

Le précurseur de Fe ³⁺ aqueux le catalyseur d'ions est préparé en ajoutant 2,5 g de Fecl₃ à une solution contenant 1 g de polyéthylèneimine (PEI), 1 g d'acide éthylènediaminetétraacétique (EDTA) et 30 mL d'eau. Après ultrafiltration, la concentration finale en Fe était de 28,20 mg/mL mesurée par un spectromètre d'émission atomique à plasma à couplage inductif (ICP-AES, PerkinElmer Optima 8000). La solution avec une concentration de 28,20 mg/ml Fe ³⁺ est dilué dans 0,5 mg/ml puis déposé par centrifugation sur des substrats de quartz à 5000 tr/min pendant 30 s. Les films ont été recuits à 1000 °C pendant 10 min avec du polystyrène (PS) placé sur un côté du tube comme source de carbone.

La grille de graphène est conçue par un laser IR 1064 nm (YDFLP-20-M1+-S) fourni par JPT Electronics à une vitesse de balayage de 100 mm/s, une puissance de 2 W, une fréquence de 42 Hz et une largeur d'impulsion de 100 ns.

Caractérisations

Les spectres Raman ont été collectés auprès de Horiba Jobin Yvon HR Evolution. L'analyse par microscopie électronique à balayage (MEB) a été réalisée sur un FEI Scios, fonctionnant à 10 kV. L'image optique a été obtenue à partir du microscope métallographique CMM-55E. La résistance de feuille a été testée par le testeur à quatre sondes ST2263. La transmission a été testée sur un Shimadzu UV-2450. La carte de température de contour a été mesurée par une caméra infrarouge (VarioCAM) d'InfraTec.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article.

Abréviations

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur

EDTA :

Acide éthylènediaminetétraacétique

FoM :

Chiffres du mérite

MGF :

Film graphène multicouche

MGFG :

Grilles de film de graphène multicouche

Île-du-Prince-Édouard :

Polyéthylèneimine

PS :

Polystyrène

SEM :

Microscope électronique à balayage

TCE :

Électrodes conductrices transparentes