透明導電石墨烯紡織纖維技術(shù)

透明柔性電極廣泛用于塑料和玻璃等各種基材。然而，迄今為止，尚未探索紡織基材上的透明電極。單層石墨烯的電氣、機械和光學(xué)特性使其成為可穿戴電子產(chǎn)品應用中的透明電極。在這里，我們報告了通過(guò)銅箔上的化學(xué)氣相沉積生長(cháng)的單層石墨烯向紡織工業(yè)常用纖維的轉移。石墨烯涂層光纖的薄層電阻低至每平方~1 kΩ，相當于通過(guò)相同的轉移過(guò)程在硅基板上獲得的值，光學(xué)透明度僅降低2.3%，同時(shí)在機械應力下保持高穩定性。通過(guò)這種方法，我們成功地實(shí)現了紡織電極的第一個(gè)例子，柔性并真正嵌入紗線(xiàn)中。

通過(guò)轉移工藝用石墨烯涂覆聚丙烯纖維

以甲烷為碳源，在銅箔上通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）合成了大面積單層石墨烯薄膜.生長(cháng)后，在石墨烯/銅襯底上旋涂一層薄的聚偏丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜，以在接下來(lái)的銅蝕刻過(guò)程中機械支撐石墨烯層。銅蝕刻后將石墨烯單層片轉移到聚丙烯纖維上，隨后進(jìn)行熱丙酮清洗以去除PMMA層。圖1a說(shuō)明了用石墨烯涂覆紡織纖維的主要步驟。選擇作為基材的纖維呈現出粗糙度為10nm的表面（根據AFM測量確定，見(jiàn)圖1b），并且使用了兩種不同類(lèi)型的纖維，膠帶（PP）形式的聚丙烯單絲和聚乳酸（PLA）的生物基單絲。小心地去除PMMA層后，得到涂有連續石墨烯單層的纖維。石墨烯片與聚合物纖維直接接觸，無(wú)撕裂，符合纖維的支架結構。圖1b-e顯示了石墨烯轉移前后纖維的原子力顯微鏡（AFM）圖像。在石墨烯沉積之前，還對纖維使用了光敏氧化工藝，采用紫外線(xiàn)臭氧（UVO）處理。UVO處理通過(guò)吸收短波長(cháng)紫外線(xiàn)輻射及其與臭氧的反應來(lái)激發(fā)和解離溶劑分子，從而促進(jìn)溶劑殘留物的消除。這導致污染分子的解吸，使聚合物表面更均勻和光滑，從而獲得更好的石墨烯附著(zhù)力（圖1f-i）。即使UVO處理增加了PP和PLA纖維的總體粗糙度，我們也觀(guān)察到由于聚合過(guò)程引起的較大不規則性減少了。結果，纖維表面獲得了更均勻和均勻的結構。UVO處理時(shí)均勻性的這種增益似乎也促進(jìn)了石墨烯片的靜電粘附。事實(shí)上，只有未經(jīng)處理的纖維在石墨烯片上顯示出一些有小撕裂的區域，這很可能是由于PMMA去除過(guò)程中獨立石墨烯的損失造成的。這些可以在A(yíng)FM相位信號中看到，它清楚地呈現了與剛性和粘附性相關(guān)的兩種不同類(lèi)型的相互作用，這可能對應于石墨烯覆蓋的部分和裸露纖維表面的未覆蓋段（見(jiàn)補充信息）。在有機單晶中觀(guān)察到類(lèi)似的粘附行為，其中厚度小于1μm的晶體通過(guò)靜電力強烈地粘附到不同的基材上，例如玻璃32、無(wú)機絕緣體（如SiO2或 Al2O333）、金屬膜（例如金、鉑或鎳34）、柔性絕緣體，如聚二甲基硅氧烷 （PDMS）35和其他有機晶體36如果表面足夠平整37.

石墨烯轉移過(guò)程和AFM成像。

（a） 一般石墨烯轉移步驟：CVD在銅上的生長(cháng);聚甲基丙烯酸甲醛涂層;銅蝕刻;石墨烯轉移到纖維中并去除PMMA。AFM振幅圖像（5×5μm，比例尺為1μm）和粗糙度（Ra）相對于（b）PP（Ra = 45.10 nm）的纖維長(cháng)度在3°處拍攝;（c） 聚丙烯+重力（Ra = 8.3納米）;（d） 聚乳酸（Ra = 25納米）;（e） 聚乳酸+重力（Ra = 12.3納米）;（f） 聚丙烯紫外線(xiàn)（Ra = 8.1 nm）;（g） 聚丙烯紫外線(xiàn)+重力（Ra = 7.7納米）;（h） 聚乳酸紫外線(xiàn)（Ra = 20.1納米）;和 （i） 聚乳酸紫外線(xiàn) + G （Ra = 10.3 nm）。紫外線(xiàn)處理使纖維更粗糙，但也更均勻，促進(jìn)石墨烯粘附。圖（c）顯示石墨烯在未經(jīng)處理的纖維中的覆蓋不完整。