超级石墨烯玻璃的应用

超级石墨烯玻璃的应用
【技术领域】
[0001]本发明属于材料领域，涉及一种超级石墨烯玻璃的应用。
【背景技术】
[0002]石墨烯是近年来新兴的一种碳材料，具有极为优良的性质，包括极高的机械强度、极高的载流子迀移率、很高的光透过率、化学稳定性、导热性等等，其性能的发现荣获2010年诺贝尔物理学奖。由于这些出色的性质，石墨烯在电子学器件、透明导电薄膜、等许多领域有广泛而重要的应用前景，越来越受到人们的重视。
[0003]玻璃是一种古老而应用极为广泛的材料。其种类繁多，成本普遍极为低廉。作为一种已经进入大众生活中最被熟知的透明材料，它还兼有机械性能较好、易于加工等优秀的品质。然而它是一种绝缘材料，并不具备导电性能，因而在电力得到越来越广泛应用的今天，玻璃的应用受到了一定限制。因此，将玻璃与石墨烯的优点相结合以形成成本低廉、易于加工、机械性能优秀、兼具透明性与导电性的新材料，是相关领域研究的重点之一。
[0004]现行通用的石墨烯导电玻璃制备方法包括:1)将化学气相沉积法制备的石墨烯薄膜通过转移的方法覆盖在玻璃基材上。该方法对基材的平整度有较高要求，步骤繁琐，因而成本偏高，也无法获得粗糙表面(例如毛玻璃表面)的导电玻璃。2)采用粉体石墨烯或还原石墨氧化物的溶液涂布在玻璃基材上。该方法所用石墨烯性能普遍较差，电导率较低，对于一些场合来讲难以满足要求，同时也无法避免繁琐的溶液相处理过程。

【发明内容】

[0005]本发明的目的是提供一种超级石墨烯玻璃(也即石墨烯玻璃)的应用。
[0006]本发明提供的超级石墨烯玻璃的应用，为超级石墨烯玻璃在制备导电器件中的应用及含有超级石墨烯玻璃的导电器件。
[0007]其中，所述导电器件为透明电路板、电阻式触摸屏的底板、电加热元件或电致变色电极元件。
[0008]上述超级石墨烯玻璃由作为基底的玻璃和位于所述玻璃基底上的石墨烯组成；且所述石墨烯位于所述玻璃基底的一面或两面。
[0009]上述超级石墨烯玻璃中，所述玻璃选自白玻璃、蓝玻璃、绿玻璃、褐玻璃、石英玻璃、蓝宝石玻璃、蓝色钴玻璃、ITO玻璃、FTO玻璃、AZO玻璃、钠钙玻璃、硼硅玻璃、柔性云母玻璃、硼酸盐玻璃和磷酸盐玻璃中的至少一种；
[0010]其中，所述白玻璃、蓝玻璃、绿玻璃、褐玻璃和石英玻璃的厚度均为lmm-lOmm，具体为 4mm ；
[0011]所述石墨稀的厚度为1-100个原子层。
[0012]所述超级石墨烯玻璃也可为按照下述本发明提供的方法制备而得的产品。
[0013]所述石墨烯玻璃为按照包括如下步骤的方法制备而得:
[0014]以前述玻璃为基底，于化学气相沉积系统中，通入碳源进行化学气相沉积，沉积完毕降温至室温，得到所述超级石墨烯玻璃。
[0015]该方法使用直接生长的方法进行制备，因而能够避免通常的转移方法所引入的水层或高分子膜残余物等杂质。
[0016]上述方法还包括如下步骤:在所述化学气相沉积步骤之前，将所述基底进行清洗干燥；
[0017]所述清洗步骤中，所用清洗剂具体为超纯水、异丙醇和丙酮；清洗的方法具体为超声清洗；超声的功率具体为70-90W，更具体为80W ;
[0018]所述清洗干燥更具体包括如下步骤:将所述基底依次用超纯水、异丙醇、丙酮和超纯水各清洗3-5min，再用氮气吹干。
[0019]所述化学气相沉积步骤中，碳源选自甲烷和乙烯中的至少一种；
[0020]沉积温度为400°C -1lOO0C，具体为 1000°C -1020°C ；
[0021]沉积时间为30min_480min ；
[0022]所述降温步骤为程序控制降温或自然降温；
[0023]所述程控降温步骤中，由沉积温度至600°C为自然降温，依照玻璃冷却成型的工艺条件，设定延缓在600°C -450°C的降温过程，此区间内降温时间设为2小时(通常为20分钟)，如由600°C至450°C的降温速率可设定为1°C /min-1.5°C /min，使其玻璃更好的成型，表面平滑，抑制液-固转变过程中样品内部及表面气泡和裂纹的产生。由450°C至室温为自然降温
[0024]所述化学气相沉积步骤中，沉积的方法选自常压热化学气相沉积法(APCVD)、熔融热化学气相沉积法(molten-state APCVD)和等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)中的至少一种；
[0025]所述玻璃的软化温度不高于630°C时，所述沉积的方法具体选自熔融热化学气相沉积法(molten-state APCVD)和等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)中的至少一种；
[0026]所述玻璃的软化温度高于900°C时，所述沉积的方法具体为常压热化学气相沉积法(APCVD) ο
[0027]所述常压热化学气相沉积法(APCVD)的具体步骤包括:将玻璃基底放入常规石英管中，在常压环境下通入载气，基底升温至设定炉温，在保持载气通入的条件下而后通入碳源气体，高温下碳源气体裂解为活性基团，在基底表面沉积，实现石墨烯的直接生长；
[0028]具体的，所述常压热化学气相沉积法(APCVD)中，沉积环境为I个大气压；载气为由氩气和氢气组成的混合气；沉积温度为950°C -1100°C，优选1000°C -1050°C，具体为1020°C;沉积时间为 60min-480min，优选 180min ;氩气的流量为 50-500sccm，优选 10sccm ；氢气的流量为50-200SCCm;氩气与氢气的流量比为2:0.5-1.5，优选2:1 ;碳源的流量为l_50sccm，具体为 7sccm ；
[0029]所述恪融热化学气相沉积法(molten-state APCVD)的具体步骤包括:将切割好的玻璃基底放在特质的平整石墨模具中，然后将整个模具放入常规石英管中，基底升温至设定炉温，模具中的玻璃高温软化为熔融液态，而后通入碳源气体，在高温下裂解为活性基团，而熔融状态的玻璃利于碳活性物种的迀移，降温过程采取程控降温模式，实现了石墨烯在熔融玻璃基底的直接生长；
[0030]所述熔融热化学气相沉积法(molten-state APCVD)中，载气为由氩气和氢气组成的混合气；沉积温度为1000°C -1100°c，优选1000°C ;沉积时间为30min-480min，优选120min ；-氩气的流量为50_500sccm，优选150sccm ;氢气的流量为2_100sccm，具体为20sccm;氩气与氢气的流量比为1-100:1，优选7.5:1 ;碳源的流量为l_20sccm，优选6sccm ；
[0031]所述等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)的具体步骤包括:将玻璃基底放入等离子体增强化学气相沉积腔体中，抽真空至0.4-170Pa的环境(具体为IPa)，通入碳源气体，基底升温到设定炉温；而后开启等离子体电源，使碳氢化合物离化裂解成活性基团，在基底表面发生反应，实现石墨烯的直接生长。
[0032]所述等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)中，沉积环境为真空度为0.4_170Pa的环境，真空度具体为IPa ;沉积温度为400°C -600°C ;等离子体电源的功率为40-100W，优选80W ;碳源的流量为2-7sccm，优选5.5sccm ;沉积时间为30_120min，优选60min。
[0033]在上述制备超级石墨烯玻璃的方法中，所用反应装置为常规管式炉，具体可为石英管管式炉，所用石英管管式炉中，石英管的直径具体可为1-3英寸，优选3英寸，利于大尺寸样品的生长。另外，在制备过程中，需保持玻璃基底位于反应装置如管式炉的中点位置。
[0034]由于本发明中石墨烯导电玻璃的各项性能指标可在较大范围内变化，特别地，其光透过率(波长550nm处)可从约10%到97%，面电阻率可从80 Ω.sq 1JlJ 20k Ω.sq 1O该石墨烯导电玻璃结构简单，成本低廉，性能较为优良，适用范围广泛，可应用于透明印刷电路基板，电阻式触摸屏基板，电加热器发热部件，电致变色窗口的部件等。
【附图说明】
[0035]图1为本发明所述石墨烯导电玻璃的结构示意图和制备方法示意图。
[0036]图2为部分石墨烯导电玻璃样品的实物图。
[0037]图3为由常压热化学气相沉积生长得到的超级石墨烯玻璃的样品表征。
[0038]图4为使用石墨烯导电玻璃的电阻式触摸屏实物图。
[0039]图5为由常压熔融化学气相沉积生长得到的超级石墨烯玻璃的样品表征。
[0040]图6为使用超级石墨烯玻璃的简单印刷电路的实物图。
[0041]图7为由等离子体辅助化学气相沉积生长得到的超级石墨烯玻璃的样品表征。
[0042]图8为使用超级石墨烯玻璃的电加热器的实物图。
[0043]图9为使用超级石墨烯玻璃的电致变色窗口的实物演示图。
【具体实施方式】
[0044]下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
[0045]本发明提供的超级石墨烯玻璃的直接生长方法的示意图和生长样品石墨烯覆盖度表征如图1所示，编号I为玻璃基底，编号2为管式炉，编号3为石英管。
[0046]其中，图1 (a)为生长超级石墨烯玻璃所使用的化学气相沉积系统；
[0047]图1 (b)为石墨烯在玻璃基底表面的长大过程，碳原子通过边缘扩散连接至石墨烯岛边缘，而后石墨烯岛拼接为石墨烯薄膜；
[0048]图1 (c)为扫描电子显微镜(SEM)和光学显微镜(OM)表征的石墨烯生长过程，由亚单层的石墨烯片到满层的石墨烯薄膜，显示了对石墨烯在玻璃基底上生长的调控能力。图1(d)为生长所得到超级石墨烯玻璃的结构示意图。
[0049]图2为部分超级石墨烯玻璃样品的实物照片。其中a为普通白玻璃、b为普通彩色玻璃、c为柔性云母玻璃、d为钴玻璃和耐高温玻璃、e为硼玻璃、f为石英玻璃。
[0050]实施例1:
[0051]以石英玻璃为基底，利用常压热化学气相沉积法(APCVD)制备超级石墨烯玻璃，然后制作触摸屏样品，展示其工作情况。
[0052]I)石英玻璃基底(长度为10cm，宽度为5cm，厚度为Imm)依次在超纯水、异丙醇、丙酮和超纯水中超声清洗(超声浴)各5min，超声浴的超声功率为80W。经超声浴后的石英玻璃基底使用高纯氮气吹干，得到石英玻璃基底，备用。
[0053]2)将清洗后得到的石英玻璃基底放入APCVD腔体中，将Ar和比气体流量计分别设定为10sccm和50sccm，打开Ar和H2_门，进行洗气过程，目的是驱除反应腔内的H2O及O2，持续时间为lOmin。洗气完毕后，APCVD腔体的气压为I个大气压，石英玻璃基底升温至1020°C，在升温过程中保持H2流速不变。待炉温升至1020°C后，稳定30min，目的是稳定炉温的同时对样品进行退火处理，其间设定(314流量计为7sccm，随后