摘 要

透明导电薄膜作为柔性光电子器件的主要组成部分，有着不可或缺的作用。石墨烯自问世以来，就以独特的二维晶体结构和优异的电学、力学、热学等性能吸引化学、材料等各个领域科研者引发广泛的研究，其作为光电器件中的透明导电电极具有巨大的优势。通过对纳米粒子表面修饰引入柔性有机长链制成的碳纳米管类流体，不仅保留了碳纳米管的优良性能，还解决了纯碳纳米管难以通过旋涂工艺成膜的问题。本文以碳纳米管类流体和石墨烯为材料，以玻璃片为基底，旋涂法制备透明导电薄膜，为新型透明导电薄膜的研究提供了依据。

本课题主要研究内容和结果如下：

（1）采用二元溶剂通过物理搅拌对石墨进行剥离制备石墨烯。借助原子力显微镜对制备的石墨烯进行结构表征。

（2）利用离子萃取法合成碳纳米管类流体。用傅里叶变换红外光谱(FTIR)对碳纳米管类流体的结构进行了分析。

（3）旋涂法制备复合薄膜。通过光学显微镜观察薄膜的微观形貌，利用紫外可见分光光度计和四探针测试仪表征薄膜的透过率和方阻。当石墨烯浓度为39.5 mg/ml、碳纳米管类流体的浓度为40mg/ml、PVP浓度为0.2mg/ml，以环己烷和氯仿作为混合溶剂，复合薄膜的透过率和方阻分别为63.24%（500nm）、405kΩ/sq。

关键词：石墨烯；碳纳米管类流体；旋涂；透明导电薄膜

Abstract

Transparent conductive films play an indispensable role as the main components of flexible optoelectronic device. Since it come out, graphene has attracted scientists in chemical, materials and other fields to do extensive researches due to its unique two-dimensional crystal structure and excellent electrical, mechanical, thermal and other properties, which have a great advantage as a transparent conductive electrode for photovoltaic device. Solvent-free carbon nanotubes fluid, which is obtained by introduce flexible organic long chains by surface modification on nanoparticles, it not only retains the excellent properties of carbon nanotubes but also solve the problem that the pure carbon nanotube is difficult to form film by spin coating process. In this paper, carbon nanotubes fluid and graphene are teken as the main materials, glass is taken as the substrate. Transparent conductive film is prepared by spin coating. This work provides basis for the new transparent conductive film research.

The main contents and results of this thesis were listed as follows:

1. A binary solvent system was used to exfoliate graphite into graphene under mechanical stirring. The structure of graphene was characterized by atomic force microscopy.
2. The solvent-free carbon nanotubes liquid was synthesized by ion extraction. We verified the chemical composition of the product by using FT-IR spectroscopy analysis.
3. Hybrid thin films were prepared using spin-coating. The micromorphologys of the films were observed by optical microscopy, the transmittance and sheet resistance of the hybrid thin films were characterized by UV-visible spectroscope and four-point probe analyzer. The two parameters were found to be 63.24% (500nm) and 405kΩ/sq, respectively, as the concertration of the graphene reaching 39.5mg/ml and carbon nanotubes reaching 40mg/ml and PVP reaching 0.2mg/ml, which were dispersed in chlorobenzene and cyclohexane.

Key Words: graphene; solvent-free carbon nanotube fluid; spin coating; transparent conductive films

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 石墨烯 1

1.1.1 石墨烯的结构 1

1.1.2 石墨烯的性能和应用 2

1.1.3 石墨烯的制备 3

1.2 无溶剂纳米类流体 3

1.2.1 纳米类流体的简介 3

1.2.2 纳米类流体的结构 4

1.2.3 纳米类流体的研究进展 4

1.2.4 本文中碳纳米管类流体的制备原理 5

1.3 透明导电薄膜 6

1.3.1 透明导电薄膜简介 6

1.3.2 透明导电薄膜的制备 6

1.4 本文研究目的、意义和主要研究内容 8

1.4.1 研究目的、意义 8

1.4.2 本文主要研究内容 8

第2章 实验过程及表征方法 9

2.1 实验原料及仪器 9

2.1.1实验原料 9

2.1.2实验仪器 9

2.2 石墨烯的制备 10

2.3 碳纳米管类流体的制备 10

2.4 旋涂溶液的制备 11

2.5 透明导电薄膜的制备 12

2.5.1 基片的预处理 12

2.5.2 旋涂法制备透明导电薄膜 12

2.5.3 薄膜的热处理 13

2.6 测试与表征 13

2.6.1 结构表征 13

2.6.2 薄膜微观形貌表征和性能表征 13

第3章 结果与讨论 14

3.1 碳纳米管类流体的化学结构 14

3.2 石墨烯的结构分析 15

3.2.1 AFM分析 15

3.3旋涂溶液溶剂选择 15

3.4 薄膜表征 16

3.4.1 薄膜微观形貌-光学显微镜分析 16

3.4.2 复合薄膜的透过性和方阻分析 18

第四章 结论 20

参考文献 21

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 石墨烯

1.1.1 石墨烯的结构

石墨烯是到目前为止发现的唯一仅由单原子构成的单层片状二维材料^[1]。在石墨烯平面内，以碳六元环为基本结构周期性规整重复排列而形成高度有序的晶格，具有较高的结晶度，如图1-1所示。碳原子之间以键长为0.142 nm的碳-碳σ键相互连接，键角为120⁰，每个晶格内有三个键，σ键的强度极大，赋予石墨烯良好的力学性能^[2]。理想的石墨烯结构是平行六边形点阵，而其他多边形的存在会形成缺陷，影响晶体结构的规整性。石墨烯具有异常稳定的晶体结构。构成石墨烯的每个碳原子均与相邻的其他三个碳原子共价结合，S杂化轨道和两个P杂化轨道组成sp²杂化结构。每个碳原子有四个电子，每个碳原子提供一个未参加杂化的p轨道上的电子在垂直于石墨烯平面上形成类似于苯环的大π键，所以石墨烯的稳定性好。π键上电子云离域范围大，使得π电子能在很大范围内自由移动，从而赋予石墨烯良好的导电性能。石墨烯在垂直于平面方向上仅有一个碳原子厚度，单层石墨稀厚度仅为0.335 nm。因此，它也被认为是目前世上存在的最薄的材料。