基于铆定效应的图形化石墨烯的自生长及其复合电极的研究

Transparent conductive layer (TCL) is one of the key factors for optoelectronic devices. Graphene is believed to have promising application as the TCL Due to the excellent performance. In this project, in order to avoid the defects and impurities during transfer and improve the interface transport performance of graphene TCL, we propose the study on fabrication of transfer-free patterned graphene and conjugation electrode based on anchoring effect and utilizing GaN based LED as the verifying device:1) Utilizing the low-melting-metal as the catalyst and optimizing the fabrication process fulfill the low temperature deposition of patterned graphene by PECVD; 2) Combining the control of hydrophilic-hydrophobic property of etching solution and the thickness of catalyst, etch the catalyst by hot acid to fulfill the transfer-free graphene fabrication, and fulfill the doping of graphene at the same time to reduce the barrier potential;3) Taking full advantage of the excellent adhesion effect of ZnO to GaN wafer and solder pad made by metal, use thin film ZnO to anchor the patterned graphene to improve the double interface characteristics of graphene electrode; 4) Analyze the influence factor and mechanism of graphene electrode, combing annealing at specific atmosphere and UV treatment to fulfill high efficiency ohmic contact of graphene conjugation electrode. It is expected that the work not only can solve the key scientific problem of controllable fabrication of transfer-free patterned graphene and high efficiency graphene-based TCL, but also can offer some theory background for the understanding of interface transport mechanism of graphene conjugation electrode and provide experimental reference for its application as transparent electrode.

透明导电薄膜(TCL)对能源光电器件至关重要，石墨烯优异的性能使其作为一种新型TCL的潜力得到广泛认同。为避免石墨烯电极转移过程引入缺陷与杂质，提升界面接触特性，本项目提出基于铆定效应的图形化石墨烯的自生长及其复合电极的研究：1)采用低熔点金属作为催化剂，通过PECVD工艺优化实现高质量图形化石墨烯的低温制备；2)结合溶液亲疏水特性与催化剂厚度的控制，通过热酸腐蚀催化剂实现石墨烯的自生长，同步实现石墨烯的化学掺杂以调控其光电特性；3)利用ZnO与半导体及金属焊盘良好的附着特性，采用图形化石墨烯结合薄层ZnO铆定的方式改善界面接触特性；4)研究影响复合电极界面传输性能的关键因素与机制，结合特定氛围退火、UV处理等手段实现高效石墨烯电极欧姆接触的制备。预期该工作不仅可解决图形化石墨烯的自生长与高效石墨烯电极制备过程中的关键科学问题，也可为石墨烯透明电极的应用提供一定的理论依据与实验基础。

透明导电薄膜(TCL)对能源光电器件至关重要，石墨烯优异的性能使其作为一种新型TCL的潜力得到广泛认同。本项目为解决石墨烯电极制备及转移过程引入的缺陷与杂质，提升界面接触特性，提出图形化石墨烯的可控生长及其复合电极的研究。本项目执行过程中主要开展了如下三方面的研究：.1）CVD石墨烯制备转移及后处理关键影响因素及影响机制.主要开展了石墨烯的制备、转移优化及后处理研究。首先通过电化学抛光预处理铜基底、生长及转移过程关键工艺参数的优化，明显减少石墨烯的多层区域和破损褶皱，并有效去除铜的刻蚀残留，得到连续均匀洁净的石墨烯薄膜。其次，采用UV处理石墨烯，分析其中的物化反应及其对石墨烯性能的影响，有效改善了石墨烯的质量并实现了对功函数的可控调制，获得了连续均匀洁净的单层石墨烯；.2）石墨烯复合电极的制备及其界面传输机制研究.石墨烯的透光性与导电性是其作为透明电极应用的两大重要指标，单层石墨烯往往方阻过高，多层石墨烯或掺杂石墨烯会引入稳定性差、透光率降低等问题。石墨烯与二维纳米材料的复合电极理论上可以实现两者优势的互补。本项目主要研究了石墨烯/银纳米线，石墨烯/碳纳米管复合电极制备的关键影响因素及其影响机制，进一步提高了石墨烯透明电极的综合性能，为石墨烯电极应用于能源光电器件打下了良好的基础。.3）图案化石墨烯批量制备关键技术研究.图案化石墨烯的精准、批量制备是其走向光电子器件终端应用的必经之路。目前，已经发展了多种自上而下加工、剪裁大面积石墨烯图形的方法，其中，光刻是一种重要的批量制备手段，但是石墨烯表面光刻胶的残留，严重影响了基于石墨烯的器件的性能，是限制其进一步应用发展的瓶颈之一。针对这一实际问题，本项目探讨了光刻胶和石墨烯表面的相互作用，通过在石墨烯和光刻胶之间插入一层金属，再利用刻蚀液去除插入层，以达到不损失刻蚀精度的前提下，清除石墨烯表面光刻胶残留，获得干净整洁的石墨烯图案。