利用泡沫铜辅助的PECVD技术直接可控制备柔性石墨烯玻璃

借助直接化学气相沉积（Direct-CVD）技术在传统钠钙玻璃等基底上生长的石墨烯从而获得功能性石墨烯玻璃复合材料方面具有重要意义。然而，目前使用的手段很难实现大面积的均匀性；而且，直接制备柔性石墨烯玻璃尚未见诸报道。基于此，本文设计了一种泡沫铜辅助、等离子体化学气相沉积技术，实现了在各种柔性玻璃基底上直接可控生长石墨烯。所获得的柔性石墨烯玻璃具有良好的柔韧性，导电性，可调的透明度以及较好的宏观均匀性。此外，利用这种方法还可实现在柔性玻璃基底上异质原子（如氮原子）的掺杂和5.5英寸大面积柔性石墨烯玻璃的快速制备。本文进一步揭示了所制备的柔性石墨烯玻璃材料作为柔性钙钛矿太阳能电池的透明导电层、以及作为非贵金属电解水析氢催化反应的活性电极的潜在应用。这对于柔性电子及储能器件的构筑具有显著意义。

近日，苏州大学能源学院、能源与材料创新研究院的孙靖宇教授、刘忠范院士以及北京大学纳米化学研究中心的张艳锋研究员（共同通讯作者）等采用泡沫铜辅助的PECVD策略，利用柔性及超薄玻璃作为生长基底，成功实现大面积制备柔性石墨烯玻璃这种新型复合材料。论文的共同第一作者为硕士研究生魏南、李秋珵博士和丛珊博士。合作者包括苏州大学能源学院的邹贵付教授等。在低温条件下生长石墨烯可以实现低能耗，低成本的生长，可能实现批量化制备。这种方法通过改变生长温度、时间、前驱体和炉体尺寸即可调控石墨烯薄膜厚度、掺杂量以及生产规模。因此，可以简单地实现杂原子掺杂（如氮原子）石墨烯的生长和5.5英寸柔性石墨烯玻璃的制备。采用制备的柔性石墨烯玻璃作为钙钛矿太阳能电池的透明导电层和电解水析氢反应的活性电极，可直接应用于下一代柔性电子和储能设备。相关成果以“Direct synthesis of flexible graphene glass with macroscopic uniformity enabled by copper-foam-assisted PECVD”为题发表在Journal of Materials Chemistry A上。

图一、泡沫铜辅助PECVD技术生长柔性石墨烯玻璃的制备工艺及样品表征

（a）泡沫铜辅助PECVD技术生长石墨烯的制备工艺示意图；

（b）在700oC, 100 sccm Ar, 30 sccm H2, 10 sccm CH4条件下：生长60 min, 120 min, 180 min的柔性石墨烯玻璃和空白玻璃的对比图；

（c-d）具有良好柔性的石墨烯玻璃实物照片；

（e）在650oC（蓝）, 700oC（红）, 750oC（绿）温度条件下生长的石墨烯薄膜拉曼光谱；

（f）静态水接触角随石墨烯生长时间的变化图（插图展示了生长石墨烯前后玻璃的亲水和疏水特性）；

（g）石墨烯玻璃的紫外可见透过光谱及其对应的面电阻值；

（h）本工作与文献报道的石墨烯玻璃面电阻及透过率的对比。

图二、等离子体化学气相沉积技术在柔性玻璃上生长石墨烯的结构表征

（a）采用泡沫铜辅助PECVD技术在柔性玻璃上生长的垂直结构石墨烯的SEM图像；

（b）将制备的石墨烯薄膜转移到SiO2/Si基底上的光学图像；

（c）在柔性玻璃上生长的垂直石墨烯的AFM图像；

（d-f）将垂直石墨烯薄膜转移到铜网上的连续放大的TEM图像。

图三、泡沫铜辅助PECVD生长的柔性石墨烯玻璃的宏观均匀性和柔性展示

（a）在700 oC, 100 sccm Ar, 30 sccm H2, 10 sccm CH4 for 60 and 180 min条件下：常规生长的石墨烯（左）和泡沫铜辅助法生长的石墨烯（右）的对比图；

（b-c）在柔性玻璃上常规生长和泡沫铜辅助生长石墨烯的面电阻mapping图；

（d）柔性石墨烯玻璃在弯曲状态下光照100 s的表面温度mapping图；

（e）直接生长的石墨烯薄膜的拉曼G峰强度的mapping图；

（f）柔性石墨烯玻璃作为柔性导电电极直接集成在LED灯的展示。

图四、 柔性钙钛矿太阳能电池的性能展示

（a）基于柔性石墨烯玻璃的钙钛矿太阳能电池结构示意图；

（b）各层对应的能级图；

（c）改性前后的石墨烯玻璃的紫外可见透射光谱（插图：改性后的透明导电电极实物图）；

（d）柔性钙钛矿太阳能电池性能图；

（e）可穿戴的柔性钙钛矿太阳能电池展示照片。

图五、在玻璃纤维上直接生长氮掺杂石墨烯的电解水析氢反应性能

（a）在玻璃纤维基底上，氮掺杂石墨烯的电阻变化随弯曲次数分布图（插图：测量样品的弯曲状态）；

（b）氮掺杂石墨烯玻璃纤维的电导率分布图；

（c-d）纯玻璃纤维，石墨烯玻璃纤维以及氮掺杂石墨烯玻璃纤维的LSV曲线及其对应的塔菲尔斜率；

（d-f）氮掺杂石墨烯玻璃纤维循环1000圈后的LSV曲线及过电位在400 mV时的循环稳定性。

本文提供了一种泡沫铜辅助PECVD技术直接制备大面积均匀的柔性石墨烯玻璃材料。通过调控生长温度，时间，载气比等生长参数及炉体尺寸，即可对所生长的石墨烯薄膜厚度，杂原子掺杂及制备规模进行调控，从而实现低温快速制备5.5英寸的柔性石墨烯玻璃。此外，还实现了在各种柔性基底（如柔性玻璃，云母，玻璃纤维等）上低温可控制备石墨烯。这种方法生长的石墨烯具有良好的导电性，均匀性和透光度，可直接应作柔性钙钛矿太阳能电池的透明导电层。在玻璃纤维上生长的氮掺杂的石墨烯可以用作电解水析氢反应的廉价活性电极。这为下一代直接集成柔性电子和储能器件的发展提供方案，且这种创新的方法可以延伸到在柔性基底上制备其他石墨烯相关材料，因此在可穿戴领域有着较为广阔的应用前景。