基本信息
- 項目名稱：
- 基于石墨烯導電薄膜的有機電存儲器件制備與性能初探
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 石墨烯導電薄膜在電子器件方面的應(yīng)用對于電子信息工業(yè)革命有著重大意義，其成為顯示、存儲等領(lǐng)域新興材料并有望代替其他信息材料（Si，ITO等）。我們應(yīng)用低溫肼還原和高溫熱退火方法制備還原的氧化石墨烯薄膜，將還原的氧化石墨烯導電薄膜和體異質(zhì)結(jié)概念應(yīng)用到電存儲器件中，制備出結(jié)構(gòu)rGO/P3HT:PCBM /Al的體異質(zhì)結(jié)聚合物存儲器，該半導體器件呈現(xiàn)一次寫入多次讀?。╓ORM）的存儲功能。
- 詳細介紹：
- 石墨烯由于獨特二維平面結(jié)構(gòu)和電學特性成為近年來物理與化學領(lǐng)域的熱點之一，其優(yōu)異的電子遷移率和導電率等物理特性讓其在有機電子及微電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。當前，石墨烯及其導電薄膜的制備與性能研究成為科學家的一個主要研究方向，氧化石墨烯因具有宏量制備、產(chǎn)率高、功能多樣化，合成路徑簡單的優(yōu)點，基于還原氧化石墨烯及其薄膜的制備、性能及應(yīng)用研究倍受人們的關(guān)注。結(jié)合當前化學還原氧化石墨烯薄膜制備石墨烯導電薄膜技術(shù)的優(yōu)缺點，提出低溫肼濕潤還原法和多層疊加技術(shù)得到高導電的石墨烯薄膜；應(yīng)用高溫熱退火法和剝離轉(zhuǎn)移技術(shù)得到高透明，柔性的石墨烯導電薄膜。廉價，透明，穩(wěn)定性高以及柔性的導電薄膜在光電功能器件領(lǐng)域有著潛在應(yīng)用。我們首次將rGO導電薄膜和體異質(zhì)結(jié)概念應(yīng)用到有機電存儲器件中，設(shè)計和制備一種結(jié)構(gòu)為rGO/P3HT:PCBM/Al體異質(zhì)結(jié)聚合物電存儲器件。該器件的電流電壓曲線呈現(xiàn)電學雙穩(wěn)態(tài)特性，它具有一次寫入多次讀取功能。該器件具有十萬的開關(guān)比和0.5-1.2V的電轉(zhuǎn)換電壓，它們的值取決于rGO電極的方塊電阻。當前有機電存儲器而言，具備熱穩(wěn)定性高并具有優(yōu)異電雙穩(wěn)態(tài)或多階存儲特性，通過器件設(shè)計實現(xiàn)了WORM功能, 很好地豐富和突顯有機電存儲的技術(shù)優(yōu)勢和成本優(yōu)勢。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 1.設(shè)計發(fā)明目的和基本思路 有機電存儲器作為當代新興存儲技術(shù)之一，具有低成本、易加工、小體積、快響應(yīng)、低功率、高存儲密度等優(yōu)點。而傳統(tǒng)的金屬氧化物電極材料資源少，價格高和脆性等問題限制有機電存儲器的應(yīng)用。石墨烯具有獨特的電學性能、優(yōu)異的力學性能和機械延展性、良好的熱穩(wěn)定性與化學穩(wěn)定性，是制備高性能導電薄膜的理想替代者。本著低價格、高產(chǎn)率及性能優(yōu)的設(shè)計宗旨，應(yīng)用低溫肼濕潤還原法和高溫熱退火法得到石墨烯導電薄膜。廉價，透明，穩(wěn)定性高以及柔性的導電薄膜在光電功能器件領(lǐng)域有著潛在應(yīng)用。 2.創(chuàng)新點 1）發(fā)展一種低溫肼濕潤高效還原氧化石墨烯薄膜技術(shù)，并提出“有效還原深度”的概念，用于評價肼還原的能力，由此發(fā)展多層疊加還原技術(shù)。同時，采用高溫熱退火與剝離轉(zhuǎn)移方法制備高透明石墨烯導電薄膜，該薄膜制備技術(shù)具有環(huán)境友好，制備簡單，低成本及宏量制備的優(yōu)點，適合大面積推廣。 2）我們將rGO薄膜和體異質(zhì)結(jié)概念應(yīng)用于有機電存儲器中，構(gòu)建rGO/P3HT:PCBM/Al三明治型聚合物電存儲器件。 3.技術(shù)關(guān)鍵和主要指標 低溫肼濕潤高效還原氧化石墨烯薄膜的電導率高達2600S/m，同時，采用高溫熱退火與剝離轉(zhuǎn)移方法制備高透明柔性石墨烯導電薄膜的方塊電阻約為3.9k ohm/sq 時透光率為75%（550nm），而且基于PET的石墨烯薄膜在大的彎曲角度下依然保持較高的導電性能。電流電壓曲線顯示該器件具有WORM存儲功能，并具有十萬級的電流開關(guān)比和低至0.5-1.2V開關(guān)閾值電壓。
科學性、先進性
- ⑴ 本項目采用肼潤濕法還原氧化石墨烯薄膜。在成膜工藝方面，氧化石墨烯薄膜利用真空抽濾而成，該方法具有成膜均勻、薄膜厚度精確可控的優(yōu)點。在還原方法上，相比于肼蒸氣法，肼潤濕法還原程度更高；相比于薄膜沉浸溶劑中還原，肼潤濕后薄膜與襯底之間不易產(chǎn)生剝離現(xiàn)象；相比于高溫熱退火還原，肼潤濕法的還原溫度僅為100℃，可用于柔性襯底的石墨烯薄膜制備，對實驗室條件要求更低。 ⑵ 本項目中采用旋涂工藝和高溫熱退火方法成功制備高透明柔性石墨烯導電薄膜，并通過剝離轉(zhuǎn)移技術(shù)獲得柔性高透明導電薄膜。該方法具有薄膜制備過程簡單，薄膜面積可調(diào)控，不涉及有毒溶劑及材料，安全綠色環(huán)保，適合大面積推廣。 ⑶ 設(shè)計器件結(jié)構(gòu)為rGO/P3HT:PCBM/Al，該器件呈現(xiàn)一次寫入多次讀取存儲功能，該半導體器件具有十萬的電流開關(guān)比和0.5-1.2V開關(guān)閾值電壓。該有機電存儲器的非易失性及不可擦除功能使得它在數(shù)據(jù)存儲方面有潛在的應(yīng)用價值。另外，WORM功能也讓其在電子標簽以及射頻識別方面有著誘人的前景。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 期刊論文 1.Bulk Heterojunction Polymer Memory Devices with Reduced Graphene Oxide as Electrodes. ACS NANO 2010, 4(7),3987-3992.(IF=7.493) 2.Multilayer Stacked Low-Temperature-Reduced Graphene Oxide Films: Preparation, Characterization, and Application in Polymer Memory Devices. Small 2010,6(14), 1536-1542.(IF=6.171) 2010年11月獲本?！皠?chuàng)新杯”學生課外學術(shù)科技作品競賽一等獎。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場演示，樣品，圖片
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 1) 有效地針對石墨烯薄膜的導電性，創(chuàng)新性的使用肼潤濕還原法，在實驗室溫和條件下有效地降低薄膜的表面方阻，與傳統(tǒng)高溫退火等方法相比，能耗少、效率高。 2) 高溫熱還原GO薄膜并通過剝離轉(zhuǎn)移法將rGO薄膜轉(zhuǎn)移到PET襯底,從而制得柔性、透明石墨烯導電薄膜，實現(xiàn)了柔性導電薄膜的突破。 3) 當前市場對于電子產(chǎn)品需求量大，對電極的要求越來越高，與ITO相比，石墨烯原料資源豐富、價廉物美，制備工藝簡單;其作為柔性透明導電薄膜，在太陽能電池、有機顯示、觸摸屏等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景,有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導電材料（ITO）。 4) 將石墨烯導電薄膜與體異質(zhì)結(jié)概念應(yīng)用于有機電存儲中，結(jié)構(gòu)為rGO/P3HT:PCBM/Al的有機電存儲器呈現(xiàn)WORM特性，其結(jié)構(gòu)簡單低成本、易加工、小體積、高電流開關(guān)比、低的閾值電壓，在電子標簽和射頻識別有著潛在應(yīng)用價值。值得關(guān)注的是，該器件在柔性存儲方面有著潛在應(yīng)用前景。
同類課題研究水平概述
- 1. 有機電存儲 有機半導體器件具有質(zhì)量輕，可柔性制備、性能可設(shè)計性強以及價格便宜等優(yōu)點，在能源轉(zhuǎn)換與降耗、綠色環(huán)保以及低碳經(jīng)濟領(lǐng)域有著極其誘人的應(yīng)用。有機電存儲器的一般結(jié)構(gòu)為三明治型二極管即金屬電極/有機功能層/金屬電極。目前，具有電雙穩(wěn)態(tài)特性的有機功能材料主要可以分為有機小分子材料、聚合物、金屬有機配合物以及有機無機納米雜化材料四種類型，廣泛應(yīng)用于二極管的兩個對稱或非對稱電極材料只要有Al、Cu、銦錫氧化物（ITO）、p或n型攙雜硅。作為電子給受體體系之一，基于P3HT:PCBM體異質(zhì)結(jié)型材料被廣泛應(yīng)用于光電能量轉(zhuǎn)換，然而體異質(zhì)結(jié)型材料電雙穩(wěn)態(tài)特性的研究還少見報道。在另一方面，基于傳統(tǒng)電極材料的金屬或金屬氧化物，由于存在脆性，成本高以及相關(guān)稀有金屬含量有限的不足，研發(fā)一種可替代電極對于制備二極管型電存儲器件意義重大。 2. 石墨烯導電薄膜 2.1 石墨烯的制備方法 當前制備石墨烯的方法包括微機械剝離、外延生長、溶劑熱、液相分離及還原氧化，在這些方法中，微機械剝離法存在著薄膜形狀難控、薄膜均勻性差與制備效率低等不足。相對機械剝離法，外延生長法不僅成膜質(zhì)量高，薄膜的電導率和石墨具有可比性，同時薄膜的形狀和厚度也可以進行控制。但是，該方法的不足之處在于薄膜的制備過程復雜，成膜成本比較高。還原氧化石墨烯方法具有產(chǎn)率高與成本低的突出優(yōu)點，適合在任意襯底表面制備大面積且厚度可調(diào)的導電薄膜，倍受人們青睞。 2.2 氧化石墨烯薄膜的還原方法 通常利用化學試劑還原和高溫熱退火還原高導電石墨烯薄膜。對于肼蒸汽還原時還原溫度溫和，適合低溫制備石墨烯導電薄膜，特別是基于柔性襯底的石墨烯薄膜，但其還原后薄膜的整體導電性能提高不明顯。對于肼液還原，常溫下還原效果不明顯，,此外肼液還原還會產(chǎn)生薄膜剝離。高溫退火通過超高溫對氧化石墨烯進行石墨化，具有還原程度高及薄膜導電性好的突出優(yōu)點，但高溫退火的超高溫條件不適合柔性聚合物襯底薄膜的制備，而且這種超高溫度對實驗條件要求苛刻，不適合大范圍的推廣。 綜上所述，制備大面積、低成本、高質(zhì)量石墨烯導電薄膜（特別是柔性石墨烯透明導電薄膜）將是今后導電薄膜領(lǐng)域的研究重點之一。
