透明導電石墨烯紡織纖維技術

透明導電石墨烯紡織纖維技術

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，我們報告了通過銅箔上的化學氣相沉積生長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，相當于通過相同的轉移過程在硅基板上獲得的值，光學透明度僅降低2.3%，同時在機械應力下保持高穩(wěn)定性。通過這種方法，我們成功地實現(xiàn)了紡織電極的第一個例子，柔性并真正嵌入紗線中。

通過轉移工藝用石墨烯涂覆聚丙烯纖維

以甲烷為碳源，在銅箔上通過化學氣相沉積（CVD）合成了大面積單層石墨烯薄膜.生長后，在石墨烯/銅襯底上旋涂一層薄的聚偏丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜，以在接下來的銅蝕刻過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，隨后進行熱丙酮清洗以去除PMMA層。圖1a說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(xiàn)出粗糙度為10nm的表面（根據(jù)AFM測量確定，見圖1b），并且使用了兩種不同類型的纖維，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(xù)石墨烯單層的纖維。石墨烯片與聚合物纖維直接接觸，無撕裂，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，采用紫外線臭氧（UVO）處理。UVO處理通過吸收短波長紫外線輻射及其與臭氧的反應來激發(fā)和解離溶劑分子，從而促進溶劑殘留物的消除。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，我們也觀察到由于聚合過程引起的較大不規(guī)則性減少了。結果，纖維表面獲得了更均勻和均勻的結構。UVO處理時均勻性的這種增益似乎也促進了石墨烯片的靜電粘附。事實上，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(qū)域，這很可能是由于PMMA去除過程中獨立石墨烯的損失造成的。這些可以在AFM相位信號中看到，它清楚地呈現(xiàn)了與剛性和粘附性相關的兩種不同類型的相互作用，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（見補充信息）。在有機單晶中觀察到類似的粘附行為，其中厚度小于1μm的晶體通過靜電力強烈地粘附到不同的基材上，例如玻璃32、無機絕緣體（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.

石墨烯轉移過程和AFM成像。

（a） 一般石墨烯轉移步驟：CVD在銅上的生長;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（Ra = 8.1 nm）;（g） 聚丙烯紫外線+重力（Ra = 7.7納米）;（h） 聚乳酸紫外線（Ra = 20.1納米）;和 （i） 聚乳酸紫外線 + G （Ra = 10.3 nm）。紫外線處理使纖維更粗糙，但也更均勻，促進石墨烯粘附。圖（c）顯示石墨烯在未經(jīng)處理的纖維中的覆蓋不完整。