Small:水助力高质量石墨烯玻璃的制备及透明热致变色显示应用

石墨烯玻璃是新型二维材料石墨烯和传统玻璃相结合的新型复合材料。“石韫玉而山辉,水怀珠而川媚”。石墨烯玻璃有望将玻璃与石墨烯的优异特性(例如透明度和导电性)结合起来,作为一种良好的载体, 拓展石墨烯的应用方向。然而,直接在没有金属催化剂辅助的玻璃表面制备高质量的石墨烯薄膜面临非常大的挑战。由于玻璃表面具有非常低的催化碳氢裂解的活性,碳碎片在其表面的迁移势垒高,表面扩散速率低等问题,获得的石墨烯存在晶畴尺寸非常小、生长速率低、易形成无定型碳杂质等问题。此外,获得的石墨烯薄膜中存在多层核、高密度的晶界和缺陷等问题,导致石墨烯薄膜的面电阻相对比较高、光学透过率低,严重阻碍了石墨烯玻璃在透明导电薄膜以及透明加热等领域的应用。因此,发展玻璃表面低面电阻、高光学透过率的石墨烯制备方法具有重要意义。

近期,北京大学、北京石墨烯研究院刘忠范-张艳锋课题组通过在化学气相沉积法(CVD)中引入微量水,直接在玻璃表面获得了低面电阻、高光学透过率的高质量石墨烯薄膜, 以石墨烯玻璃为透明加热器,开发了高性能的透明热致变色显示器件。研究发现, 高温下微量的水会引发碳的弱氧化反应:C(s/g) + H2O(g) = CO(g) +H2(g),从而刻蚀反应过程中形成的碳碎片。由此,水能够有效抑制无定型碳的形成,获得高质量、几乎没有无定形碳吸附的石墨烯薄膜;此外,他们发现,通过调节水的浓度可以平衡石墨烯的生长和蚀刻过程,实现合适的成核密度和较大的晶畴尺寸。最终,所获得的透过率为~93%(550 nm)的石墨烯玻璃的面电阻为~1170 Ω/sq,这个数值仅为传统的没有水辅助CVD法获得的石墨烯玻璃面电阻的~20%。他们发现高质量、低面电阻的石墨烯玻璃可以在透明加热方面表现出很好的性能。通过对石墨烯薄膜进行图案化并结合透明热致变色薄膜(可逆热致变色染料与透明PDMS的复合材料),开发了高性能的透明热致变色显示器,实现了数字0-9的功能显示。

研究者相信,此项研究将会拓展玻璃上直接制备高质量石墨烯的方法,为发展多功能透明加热器件奠定基础。该工作以“H2O-Etchant Promoted Synthesis of High-Quality Graphene on Glass and Its Application in See-Through Thermochromic Displays”为题发表在Small(DOI:10.1002/smll.201905485)上。