光雕法制备石墨烯薄膜及其特性研究

刘富杨　查小婷　黄昊　张渟　杨文耀

【摘 要】石墨烯是一种性能优良的电极材料，如何将石墨烯应用于柔性电子器件中是目前研究的热点之一。本文采用滴涂法制备了柔性氧化石墨烯薄膜，通过光雕法对其进行照射，在还原氧化石墨烯的同时完成了电极的图形化。再通过调整激光强度，在不同激光强度下制备了多种叉指电极，并对其结构和导电性能性能进行了表征。结果发现：当激光强度为25时，氧化石墨烯的还原及图形化效果最好。

【关键词】石墨烯；光雕；还原；激光强度；叉指电极

中图分类号： O613.71 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）03-0039-002

Preparation and Characterization of Graphene Film by Photolithography

LIU Fu-yang CHA Xiao-ting HUANG Hao ZHANG Yang YANG Wen-yao*

（Chongqing University of Arts and Sciences， Institute of New Energy Storage Devices and Applications Engineering， Chongqing University of Arts and Sciences， Chongqing 402160， China）

【Abstract】Graphene is an excellent electrode material. How to use graphene in flexible electronic devices is one of the hot topics at present. In this paper， a flexible graphene oxide thin film was prepared by using a drop-coating method and irradiated by a light-scoring method to complete the patterning of the electrode while reducing the graphene oxide. Then by adjusting the laser intensity， a variety of interdigital electrodes were prepared under different laser intensities， and their structure and conductivity properties were characterized. The results show that when the laser intensity is 25， the graphene oxide has the best reduction and patterning effect.

【Key words】Graphene； Light sculpture； Reduction； Laser intensity； Interdigital electrodes

0 引言

近年來，随着易弯曲、可穿戴器件等概念的提出，实现柔性成为了电极研究工作的重点，石墨烯是碳原子以sp2杂化轨道结合的材料，其独特的二维结构使其具有优异的光学和电学性质[1，2]，是制备柔性电极的一种优良材料。

众多科学家就石墨烯柔性化进行了多样化的研究[2]，2009年，Krauss利用拉曼激光辐射石墨烯薄膜，发现了激光与石墨烯之间的相互作用[3]；Gao[4]等利用飞秒激光将氧化石墨烯薄膜还原成石墨烯薄膜，并完成复杂图案设计；刘璇[5]利用1064nm波长的皮秒激光还原石墨烯薄膜，在激光输出功率为75mW时，获得石墨烯的最小电阻值为2.32kΩ/sq；林喆[6]采用飞秒激光切割石墨烯，能量密度为0.8 J/cm2时，石墨烯被完全去除；赖婷[7]使用波长约780nm，输出功率200mW的激光笔对氧化石墨烯照射还原，成功得到石墨烯；以上实验虽然使用光雕法成功的得到了石墨烯，但缺少对激光强度的研究，因为激光强度对石墨烯的还原效果影响较大，所以本文拟用光雕法还原氧化石墨烯制备叉指电极，并调整激光强度，研究不同激光强度下石墨烯的特性。

1 实验

1.1 试剂与仪器

1.1.1 试剂

氧化石墨烯粉末、柔性ITO薄膜、去离子水、无水乙醇、丙酮。

1.1.2 仪器

电子天平、超声波清洗机、高速离心机、真空可编程干燥箱、真空泵、桌面小型激光雕刻机、数字移动显微镜、四探针测试仪、扫描电子显微镜。

1.2 激光还原氧化石墨烯的制备

1.2.1 氧化石墨烯薄膜的制备

秤取30～60mg 氧化石墨烯（GO）加入到30～60ml去离子水中，超声1～3小时；再将溶液离心 15～30min，取上层清液得到GO分散液，将GO分散液抽真空半小时备用。

将柔性ITO薄膜（边长为8cm）依次用乙醇、丙酮、去离子水清洗干净，放到真空可编程干燥箱烘干。取10ml上述的GO分散液滴涂于柔性ITO薄膜不导电面处，非真空烘干备用。

1.2.2 激光还原氧化石墨烯薄膜的制备

将已设计好的叉指电极图片导入计算机软件中，激光头调焦照射到GO薄膜上，调节激光雕刻机激光强度分别为10、15、20、25、30五个等级，进行GO薄膜的还原和图案化处理，获得具有一定图形的激光还原氧化石墨烯薄膜（LSG）。

2 实验结果与分析

2.1 LSG的方块电阻表征

我们利用四探针测试仪测试了GO薄膜和各LSG薄膜的方块电阻，表1展示了电阻和激光强度的关系，由图可知：当激光强度小于20时GO还原不透彻，电阻超出测试仪量程；而激光强度达到20 以上，LSG的电阻变小，这是由于GO含有大量的含氧官能团，这些含氧官能团破坏了石墨烯芳香族的结构，导致GO绝缘，当激光照射的强度足够时，GO吸收激光能量，祛除了含氧基团，使GO被还原，导电性恢复。随着激光强度越大，还原效果越好，当强度为30时，其方块电阻最小，为1117Ω□-1。

利用激光雕刻机将GO还原后，得到的LSG，对此进行显微镜观察，观察到被还原的区域由黄色变为黑色，叉指电极图案清晰明显。而激光雕刻机选择的强度不同，GO还原效果不同。图1（a）（b）（c）中展示了激光强度分别为为20、25、30时的还原效果图。由图可知三种强度下，GO都被还原，并生成了叉指电极。从图1（a）2X放大图片中可以看出GO和LSG存在明显的分割线，说明GO还原不透彻；而图1（c）2X图中，已经很难发现GO和LSG分界线，说明还原效果较好，但是亮点较多，这表明激光强度太大导致GO被打穿，光线透过衬底形成亮点；而图1（b）还原面积较大，亮点也较少，說明25的激光强度较为合适。

2.3 LSG薄膜的SEM表征

为进一步研究GO的还原效果，我们分别表征激光扫描前后薄膜的SEM图：图2所示为GO薄膜和LSG薄膜的SEM图，对比可知，两图具有明显的差别，图2（a）是平面铺展的GO薄膜，而图2（b）存在明显的褶皱和断裂层，这是由于在激光的照射下，GO吸收了热量，在驱除含氧基团，由GO转化为LSG的同时，发生了膨胀，由二维形貌转化为了三维结构。

3 结论

本文采用光雕法既实现了氧化石墨烯的还原，又实现了石墨烯的图案化。并研究了不同激光强度下的还原效果，结果表明：激光强度越大，GO被还原的面积也增大，且薄膜方块电阻越小，还原效果越好；但是当强度达到30的时候，氧化石墨烯被打透。因此，我们认为激光强度为25时，LSG的还原及图形化效果最好。

【参考文献】

[1]杨丽君，吕雪梅， 秦丽惠.氮掺杂石墨烯量子点的制备及其荧光性质[J].重庆文理学院学报，2016，35（5）：75-78.

[2]吴婕.氧化石墨烯还原方法的研究进展[J].化工进展，2013， 32（6）：1352-1356.

[3]姜娟，黄婷，钟敏霖，等.激光与石墨烯相互作用的研究现状及发展趋势[J].中国激光，2013，40（2）：13-26.

[4]Gao W， Singh N， Song L， et al. Direct laser writing of micro-supercapacitors on hydrated graphite oxide films[J].Nature Nanotechnology， 2011， 6（8）：496-500.

[5]刘璇，王鹏波，李必奎，等.皮秒激光直写还原石墨烯氧化物薄膜的研究[J].光电子·激光，2017（10）：1096-1100.

[6]林喆，叶晓慧，韩金鹏，等.基于飞秒激光切割的石墨烯图案化研究[J].中国激光，2015，42（7）：85-89.

[7]赖婷，林碧敏，刘小波，等.激光还原石墨烯材料制备及应用综合型实验设计[J].实验技术与管理，2017，34（2）：62-65.

[8]赵扬，曲良体.借激光之力，筑石墨烯集成之梦[J].中国基础科学，2016，18（5）.1-10.