还原氧化石墨烯电路及其制备方法

还原氧化石墨烯电路及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种还原氧化石墨帰电路，更具体地，涉及一种制备送种还原氧化石 墨帰电路的方法。
【背景技术】
[0002]石墨帰是一种紧密堆积成二维（2D)蜂窝结构的SP2杂化的碳原子的扁平单层。由 于其具有匹敌石墨的显著的面内值（分别是~3000W/mK、8000S/m和lOOOGPa)的优越的 导热性、导电性和机械强度，它吸引了越来越多的关注。
[0003]此外，石墨帰是零带隙半导体，具有k点附近的线性带结构。在高光强度下，光生 载流子阻止进一步的吸收。石墨帰中的狄拉克费米子的高频导电率应该是等于e2/4h的 普适常数。送种独特的性质赋予了石墨帰通用的2. 3 %的线性光吸收，尽管它具有高的导电 性，送样的线性光吸收也使其透明。
[0004]自从其在2004年通过微机械剥离首次产生，人们就在其制备上付出了很多努力。 除了微机械剥离之外，研究的制备方法还包括热化学气相沉积技术、等离子体增强化学气 相沉积法、化学法、SiC热分解、剖开CNT等。
[0005]CN103508447公开了一种制备石墨帰的方法。该方法包括W下步骤：获得氧化石 墨帰和衬底；制备氧化石墨帰的糊状物并且在衬底的表面上涂覆该糊状物；W及通过激光 还原法制备石墨帰。然而，送种方法在激光还原过程中需要一个特殊的气体环境，致使生产 成本增加。此外，形成的石墨帰很容易从衬底上剥离。
[0006]W02012128748公开了一种制备图案化的石墨氧化膜的方法。该方法包括W下步 骤：选择石墨氧化膜，其中石墨氧化膜是独立的石墨氧化膜；在石墨氧化膜上形成图案，W 形成图案化的石墨氧化膜，其中该图案是通过将一部分石墨氧化膜还原成导电的还原石墨 氧化物而形成的；和形成包括图案化的石墨氧化膜的器件，并从带状物切割图案。然而，为 了器件形成，通过使用带状物将独立的石墨氧化膜附着在其它部件上是复杂且不安全的。
[0007]CN101723310公开了一种利用微纳米结构光处理制备导电氧化石墨帰的方法。该 方法包括W下步骤：通过旋涂、浸涂或滴涂在衬底上形成氧化石墨帰；建立纳米制备激光 系统；和将衬底上的氧化石墨帰还原成石墨帰。激光系统工作在双光束干涉模式下，并应用 干涉条纹。然而，在送样的系统下，图案化的尺寸很小巧0x50μm)，为微米（μm)规模，且加 工效率低。此外，由于点对点和干扰激光扫描系统用于制备微纳米结构，从而制备表面在本 质上是离散的，所W限制了表面质量（也称为产品的表面细节）。
[0008]因此，有一个未满足的需要是W高效的方式制备用于不同应用的导电氧化石墨帰 器件或电路的方法。

【发明内容】

[0009] 因此，当前要求保护的发明的第一方面是提供一种还原氧化石墨帰电路。
[0010] 根据当前要求保护的发明的实施方式，一种还原氧化石墨帰电路包括；衬底；形 成在该衬底上的亲水层；形成在亲水层上的氧化石墨帰（GO)层；和形成在氧化石墨帰层上 的还原氧化石墨帰（rGO)图案。
[0011] 当前要求保护的发明的第二方面是提供一种制备还原氧化石墨帰电路的方法。
[0012] 根据当前要求保护的发明的实施方式，一种制备还原氧化石墨帰电路的方法包括 W下步骤：提供衬底；在该衬底上形成亲水层；在亲水层上形成氧化石墨帰层；和通过激光 将一部分氧化石墨帰层还原成还原氧化石墨帰，W在该氧化石墨帰层上形成还原氧化石墨 帰图案。
[0013] 形成氧化石墨帰层的步骤进一步包括：提供氧化石墨帰溶液；在亲水层上旋涂氧 化石墨帰溶液；和干燥亲水层上的氧化石墨帰溶液。
[0014] 优选地，纳砂激光（248nm)用于选择性还原氧化石墨帰，W制备预定的还原氧化 石墨帰图案。
[0015] 根据当前要求保护的发明的实施方式，与光刻蚀刻工艺相比，激光图案化工艺 适于制备具有良好透明度（光透射率=83% (在波长=555皿时））、高导电率（0 = 7. 142X103S/m(在12. 2nm的层厚度时））和高疏水性（最大的接触角=115° )的还原氧 化石墨帰电路。
[0016]另外，本发明的方法提供了许多优点，包括；快速原型制作、减少了技术步骤、高吞 吐量、没有化学药品、环保、高产量、高分辨率和精密度。
【附图说明】
[0017] 在下文中参考附图更详细地描述本发明的实施方式，其中：
[0018]图1是根据当前要求保护的发明的实施方式的还原氧化石墨帰电路的截面图；
[0019] 图2是示出根据当前要求保护的发明的实施方式的还原氧化石墨帰电路的制备 方法的步骤的流程图；
[0020] 图3是示出根据当前要求保护的发明的实施方式的还原氧化石墨帰微电路的制 备方法的步骤的示意图；
[0021] 图4示出了根据当前要求保护的发明的不同实施方式的通过用食人鱼溶液处理 衬底形成的多个亲水表面；
[002引图5A和图5B分别示出了根据当前要求保护的发明的具有不同旋转速度的GO和rGO层的静态水接触角；
[0023] 图6示出了根据当前要求保护的发明的实施方式的作为旋转速度函数的rGO层的 导电率；
[0024] 图7示出了根据当前要求保护的发明的实施方式的作为旋转速度函数的rGO层的 厚度；
[002引图8是根据当前要求保护的发明的实施方式的Η点上的rGO层的紫外-可见0JV/vis)透射光谱；和
[002引图9是根据当前要求保护的发明的实施方式的用不同能量密度（60-100mJ/cm2) 激光图案化之前和之后的GO层的拉曼光谱。
【具体实施方式】
[0027]在下面的描述中，作为优选实例提出了还原的氧化石墨帰电路和制备方法的相应 实施方式。对于本领域技术人员显而易见的是，可在不脱离本发明的范围和精神的前提下 进行包括增加和/或替换的修改。可省略具体细节W免使本发明难W理解；然而，写入该公 开W使本领域技术人员能够实践本文的教导而没有进行过度试验。
[0028] 图1是根据当前要求保护的发明的实施方式的还原石墨帰电路的截面图。还原石 墨帰电路包括衬底11、亲水层12、氧化石墨帰层13和还原氧化石墨帰的图案14。亲水层 12形成在衬底11的表面上。氧化石墨帰层13形成在亲水层12的表面上。还原氧化石墨 帰的图案14形成在氧化石墨帰层13上。
[0029]图2是根据当前要求保护的发明的实施方式的用于制造还原氧化石墨帰电路的 方法步骤的流程图。在步骤201中，提供衬底。在步骤202中，在衬底的表面上形成亲水层。 在步骤203中，在亲水层的表面上形成氧化石墨帰层。在步骤204中，通过激光将一部分氧 化石墨帰层还原成还原氧化石墨帰，W图案化该还原氧化石墨帰电路。
[0030]图3是示出根据当前要求保护的发明的实施方式的用于制备还原氧化石墨帰微 电路的方法步骤的示意图。通过纳砂激光，通过氧化石墨帰的还原图案化该还原氧化石墨 帰微电路，W用于电传导。
[0031] 在步骤301中，通过食人鱼溶液清洗玻璃衬底W形成布置在玻璃衬底表面上的亲 水层。在步骤302中，在清洗的玻璃衬底上涂覆电极。在步骤303中，通过旋涂在亲水层上 涂覆GO层。在步骤304中，通过纳砂激光使一部分GO层还原成rGOW形成微电路的图案。 如图3所示，GO层上的黑色线代表rGO。
[0032] 在步骤301中，为了提高玻璃衬底的亲水性，用食人鱼溶液处理该玻璃衬底，食人 鱼溶液可W通过使浓硫酸与过氧化氨溶液W2:1的体积比反应生成。在处理过的玻璃衬底 上图案化GO层可W减少rGO厚度并且增加其电导率。食人鱼溶液中的氨离子可W与玻璃表 面上的娃发生反应W形成如图4所示的娃焼醇基团、Si-OH。由于处理后的玻璃衬底表面上 的娃石是非晶娃，它有随机排列的键结构，在整个材料上造成打开的、活性的或悬挂键。在 娃石的表面，在空气中送些键处形成娃焼醇基团。居基基团（-0H)使得娃焼醇基团很活泼。 娃焼醇基团是亲水性的，导致形成水层。有机和无机分子和原子可W在环境条件下物理地、 化学地或者静电地接合到水分子或娃焼醇基团本身。因为娃焼醇基团是极性基团，通过在 娃焼醇基团和水分子之间形成氨键可W使水更好地粘附到表面。
[0033] 因此，亲水层可W包括李基团、连位无水基团、连位含水基团或其组合。优选地，亲 水层的厚度为约0.Inm。
[0034] 因此，该衬底不限于玻璃。其他的透明衬底是可应用的。还可W使用娃衬底。
[0035] 在步骤303中，分散在水中的GO使用按重量计79%的碳和20%的氧并且浓度为 500mg^的组合物。薄片尺寸在0. 5-5. 0μm的范围内。通过匀胶机W范围从400到70化pm 的旋转速度在亲水层上旋涂GO溶液60砂。在95°C烘干涂覆在亲水层上的GO溶液30分 钟。通过纳砂激光进一步处理作为预制备的GO层。
[0036]在步骤 304 中，通过使用波长为 248nm的GSILumonicsPulseMasterPM-848KrF 受激准分子激光（20ns的脉冲宽度和200μm/s的扫描速度）来进行GO的激光还原。利用 投影光束线W接近30:1的还原使300x300μm2的孔径成像到样品上，并且在GO层上产生~ 10x10μm2尺寸的矩形光点。受激准分子激光能够选择性地还原GO层上的GOW制备预定 的还原氧化石墨帰图案。为了观察作为激光能量函数的GO层电阻的变化，wmz的重复速 率操作激光，并且将其输出能量密度控制在60到100mJ/cm2的范围内。