Graphene/Ag NW复合体系的光学特性研究

蔺吉楠,万沈池，姜东辉，曲 佳，孙文军

(哈尔滨师范大学，光电带隙材料教育部重点实验室，黑龙江省先进功能材料与激发态重点实验室)

Graphene/Ag NW复合体系的光学特性研究

蔺吉楠,万沈池，姜东辉，曲 佳，孙文军*

(哈尔滨师范大学，光电带隙材料教育部重点实验室，黑龙江省先进功能材料与激发态重点实验室)

利用FDTD软件建立了Graphene/Ag NW复合模型并计算了不同直径银纳米线对Graphene/Ag NW复合模型光透射谱的影响，理论计算表明随着石墨烯层数的增加和Ag NW直径的增加会导致Gr/Ag NW复合模型在紫外可见波段透射率略有下降，同时会出现Ag NW的共振吸收峰，进一步降低紫外波段的光透射率.利用旋涂法制备了Gr/Ag NW复合薄膜，测试结果表明，制备的Gr/Ag NW复合薄膜均匀性较高，但偶尔也会出现石墨烯的堆叠现象，且Gr/Ag NW复合薄膜的紫外可见波段透射谱与理论计算结果基本吻合，从而验证了理论模型的可行性.

旋涂法；Graphene/Ag NW复合薄膜；透射率； FDTD

0 引言

近年来，石墨烯因高达97.7%透光率和高的机械强度，化学稳定性，电学性能等备受关注.一维结构的银纳米线(Ag NW)[1]也因其具有良好耐弯曲性、高透光性、高电子电导率和导热性而广受青睐.但目前制备出的石墨烯中存在大量的位错、晶界、褶皱等，因此其方块电阻很大.Ag NW薄膜的热稳定性和化学稳定性较差，容易导致薄膜电学性能不稳定，从而降低器件性能.鉴于二者各自的优缺点，越来越多的研究人员开始采用Ag NW作为“桥梁”[2]，跨过晶界、褶皱等缺陷来改善石墨烯(Gr)的导电性能，同时也改善Ag NW的分散性.若将两者复合，综合利用其高透光性和良好的导电性将会是柔性透明电极氧化铟锡(ITO)的理想替代.因此研究Gr和Ag NW复合薄膜[3]的光学特性对构造纳米级光学器件有着深远的意义.

该文对于Gr/Ag NW复合薄膜的光学特性做了一系列研究.尝试着采用不同直径的Ag NW与Gr制备复合薄膜，寻找最佳的制备参数，进而改善其光电特性.首先，基于时域有限差分方法建立了Gr/Ag NW复合模型.应用FDTD Solutions[4-6]计算并分析了Ag NW直径变化、Gr层数变化对光透射率的影响.制备了Gr/Ag NW样品，并对样品进行了表征和UV-VIS测试.Gr/Ag NW复合薄膜的紫外可见波段透射谱与理论计算结果基本吻合，验证了理论模型的可行性.

1 理论模型与计算

理论模型如图1所示，其中Gr/Ag NW复合模型是在300 nm×300 nm×600 nm SiO2基底表面铺设，Ag NW直径为20 nm和40 nm，且为周期排列.Gr厚度为1～4层，面积为300 nm×300 nm.用FDTD Solutions软件计算了以SiO2为衬底的薄层Gr光透射谱，以及Gr/Ag NW复合薄膜光透射谱.计算过程中，光源为平面波，入射方向为z轴负方向，在z方向上采用完全匹配(PML)边界条件，xy方向上采用周期性边界条件.

图1 Gr/Ag NW理论模型(a) 模型一；(b)模型二

图2 计算结果(a)Graphene透射谱；(b), (c) Grapheme/Ag NW复合体系透射谱；(d) Ag NW共振吸收谱

计算结果如图2所示，其中(a)为Gr的透射谱，可见单层Gr的紫外/可见透射率为94.5%以上，四层Gr的紫外/可见透射率也在89%以上，且透射率随着Gr层数的增加而略显下降.结果表明Gr对光的透过率很高，这在太阳能敏化电池的研究方面具有重要意义[7].(b)给出了不同层数Gr与Ag NW复合后的透射谱，可见透射谱中有两个吸收峰，这是由于Ag NW的共振吸收造成的，且与(d) 中Ag NW共振吸收峰一致.Gr层数的变化并不影响Ag NW共振吸收峰位，且对Gr/Ag NW的透射特性影响很小.(c)给出了单层Gr与不同直径的Ag NW复合后的透射谱，可见随着Ag NW直径的增加，透射率在逐渐下降，且Ag NW共振吸收峰仍然存在.当Ag NW的直径为20 nm时，在波长为300～800 nm的可见光范围内的透光率为75%以上，但当Ag NW的直径为50nm时，光的最大透过率为70%，相比与最大透过率而言下降了5%，但对于直径50 nm的情况下，波长的变化对光的透过率的影响较大，在500～800nm间，随着波长的增加，透过率升高了近二十个百分点.综上可见，单层Gr的独立体系对光的透过率高达94.5%以上，当Gr与Ag NW复合后光的透过率有所降低，并且Gr的层数和Ag NW的直径也会对光的透过率产生影响，总体透光率变化在20%左右.

2 样品制备与测试

利用旋涂法在石英衬底上制备Gr /Ag NW复合薄膜.旋涂前需将衬底在乙醇和去离子水中依次超声清洗10 min.Gr溶液的溶剂为去离子水，Ag NW溶液的溶剂为乙醇，分别配置浓度1 mg/mL直径为30 nm、40 nm的Ag NW溶液，用移液枪吸取配置好的各直径Ag NW溶液200 μL，并通过旋涂法将其沉积在清洗过的衬底表面，滩胶时间和速度分别为15 s和600 r/min，匀胶时间和速度分别为30 s和2000 r/min，干燥30 min.再用同样的方法在以涂好Ag NW的衬底上旋涂浓度为3 mg/mL的Gr溶液200 μL，摊胶时间和速度分别为15 s和600 r/min，匀胶时间和速度分别为30 s和2000 r/min，干燥30 min.样品的表面形貌通过扫描电镜(SEM )进行表征，利用紫外可见分光光度计(UV-VIS Spectrophotometry)对样品的线性吸收光谱进行测试.

图3 SEM图(a)3 mg/ml石墨烯； (b)为(a)的局域放大图； (c)银纳米线(D=40 nm)；(d) Gr/Ag NW复合薄膜

图3的SEM图像给出了样品的SEM图，可以看出整个旋涂的过程中，样品的均匀性很高,同时可见Gr的交叠与褶皱现象.

图4(a)为Gr在UV-VIS测试下所得到的光的透射谱，由图可以看出浓度为3 mg/mL的薄层Gr在波长范围为300～800 nm的光照射下，对光的透过率高达95%以上.图4 (b)是浓度为1 mg/mL的直径分别为30 nm和40 nm的Ag NW与浓度为3 mg/mL的薄层Gr的复合薄膜的透射谱.可见二者复合后的总体透过率在70%左右，Ag NW直径的增加，会使光的透过率降低2%.较单层Gr薄膜，光的透过率降低了25%左右，且由于Ag NW的共振吸收，在360 nm波长附近光的透过率仅为25%.

图4 Gr在UV-VIS测试下的光的透射谱(a) Graphene透射谱；(b) Graphene/Ag NW复合体系透射谱

理论仿真所设计的Gr/Ag NW复合模型中Ag NW的分布为周期性平行排列，Gr呈现为1-4层的可控形式，二者之间不会发生相互交叠的情况.在实际的实验操作中，经旋涂法覆盖在SiO2衬底上的Ag NW是呈网住随机分布，同样经过旋涂覆盖在Ag NW之上的Gr薄层也会发生交叠与褶皱的情况，并且二者在复合后所形成的薄膜也不是相对分立，而是相互交汇.另外在理论计算时所选用的光源是平面波，而在实际测试中所用的光源是190～900 nm波段的可见光.综上原因，这就会导致理论计算与测试结果有所差异，但在可见光波段理论计算与测试结果，也验证了理论模型的可行性.

3 结束语

该文通过理论计算与实验测试研究了Gr/Ag NW复合薄膜的光学特性.理论计算表明随着Gr层数的增加，Gr/Ag NW复合薄膜的紫外可见波段透射率略有下降，而Ag NW直径的变化对紫外可见波段透射率会产生细微影响，同时会出现Ag NW的共振吸收峰，导致紫外波段的透射率明显降低.测试结果表明，制备的Gr/Ag NW复合薄膜均匀性较高，但偶尔也会出现Gr的堆叠现象，且Gr/Ag NW复合薄膜的紫外可见波段透射谱与理论计算结果相似，数据基本吻合，从而验证了理论模型的可行性.

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TheResearchonOpticalPropertiesofGraphene/AgNWCompositeSystem

Lin Jinan, Wan Shenchi, Jiang Donghui, Qu Jia, Sun Wenjun

(Key Laboratory for Photonic and Electronic Bandgap Materials, Ministry of Education, School of Physics and Electronic Engineering, Harbin Normal University)

The influence of different silver nanowire diameters on the Graphene/Ag NW composite model , established by FDTD software was studied in this paper. The theoretical calculation showed that with the increase of graphene layer number and Ag NW diameter, the transmittance in the UV-visible band of Gr/Ag NW composite model would have a slight decrease. This phenomenon also leads to an absorption peak to enhance the transmittance decrease. The Gr/Ag NW composite films were prepared by spin coating method. The results showed that these Gr/Ag NW composite films had high homogeneity, but also appeared occasionally graphene stacking. The transmission spectrum of the UV visible band is consistent with the theoretical calculation almost. This indicated that our Graphene/Ag NW composite model can be used.

Spin coating method; Graphene/Ag NW composite system; Transmissivity; FDTD

李家云)

O484

A

1000-5617(2017)04-0031-04

2017-07-02

*通讯作者：swjgood0139@sina.com