打开文本图片集

摘要：以现有几种经典氧化石墨烯薄膜制备方法为基础，通过对薄膜干燥阶段温度、分散液浓度、表面空气流动速度、干燥时间等变量的控制，提出一种能够更加省时、抗环境干扰的氧化石墨烯薄膜制备方法，并通过光雕光驱对该方法制备的薄膜进行还原，实现在该膜上的二维电路刻画。研究结果表明，新方法薄膜干燥阶段的时间节约率可达85%以上，且所制得的薄膜成功经光雕光驱图形化还原。该方法能够有效地增加氧化石墨烯薄膜制备阶段的效率，并节省激光还原阶段的时间与成本。

关键词：氧化石墨烯，薄膜制备，激光还原

0 引言

石墨烯是一种由碳原子以 sp2 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有优异的光学、电学、力学特性，比如物理结构稳定、比表面积大、电阻率极低、延展性极好等[1]，这使得它在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，如在建筑领域中应用的石墨烯地暖、石墨烯混凝土、石墨烯玻璃等，电子信息领域中对氧化铟锡（ITO）的替代、制备以纸张塑料为基底的低成本二维柔性电子元器件等[2]。但直接制备大面积的石墨烯在技术上存在困难且成本偏高，所以人们将目光望向了价格更低廉、更易制得的石墨烯衍生物——氧化石墨烯（GO），旨在通过还原GO来获得可控的还原氧化石墨烯（rGO）纹路，由此，各类基于还原氧化石墨烯薄膜的研究出现在人们的视野，目前常见的获得GO薄膜的方法有刮涂法[3]、真空抽滤法[4]、自然干燥法等[5]，但在各类GO薄膜的制备方法中，都存在着一个问题：如果想要获取较好性质的大面积的GO薄膜，就需要花费数十小时等待溶剂挥发，同时又易受到温度、湿度、环境气体氛围、空气洁净度等的影响，不确定因素很多;如果想要节省时间，则得到的GO薄膜性质往往不佳，并且不利于后期的加工操作。本文选择在自然干燥法的基础上进行研究和试验、总结，提出一种能够快速有效制得大面积良好性质的氧化石墨烯薄膜的方法——加温干燥法，并利用光雕光驱在该法制得的GO膜表面实现二维电路的刻制。

1 加温干燥法制备氧化石墨烯薄膜

1.1 分散液的制备

在经典的薄膜制备法中，一张GO薄膜的制备过程大致可分为：GO分散液的制备、滴铸以及干燥制膜。本实验前两项准备工作与经典方法大致相同，其中分散液制备主要步骤如下：

药品准备：南京先丰纳米公司代制备的GO固体粉末（片径0.5～5μm，厚度0.8～1.2nm）。

分散液浓度选择：1.6mg/ml。

（1）秤取0.4gGO粉末加入装有250ml去离子水的烧杯中;

（2）将烧杯静置15min待GO粉末充分与水浸润，以提升GO在水中的分散效果;

（3）超声震荡2 h，控制温度在24℃以下，每隔40min取出烧杯用磁力搅拌机搅拌5min，转速600r/min，搅拌机温度20℃，最后得到均匀GO水分散液。

薄膜的滴铸阶段可根据后续用途的不同选择垫加诸如PET一类的基底，需要确保控制基底厚度在0.1mm以内，否则会影响后期光雕光驱的刻录。

1.2 薄膜制备及干燥条件的确定

加温干燥法与自然干燥法的最大区别在于增加了薄膜干燥阶段的温度，但与此同时其他相关条件诸如分散液浓度、滴铸用量、干燥时间等都会产生变化，因此需要通过大量实验进行对比，最终确定相关条件，大致实验步骤如下：

（1）制膜：直接在光雕光盘表面进行GO薄膜的铸造（图1a），预留出中心的光雕位置识别码区域，用胶头滴管吸取不同条件的GO水分散液滴铸于光盘上，调平后静置送入烘箱干燥，通过对比确定适宜的分散液浓度（1.6mg/ml）以及分散液的体积（20ml）;

（2）寻找干燥条件：设置多组实验，改变烘箱温度，记录干燥所用时间以及制得的薄膜性质（图1b、表1），通过对比计算确定最佳条件。

表1和图1b中，0#样品为室温下进行自然干燥的对照组，而增温操作后的1#样品与之相比，在保证薄膜质量的同时，时间上节约了近85%，后续当干燥温度升高时，干燥时间随之降低，且总体上降低的速度逐渐变慢，与此同时，最终得到的GO膜的质量也随着干燥温度的增加而迅速下降，因此需要从中找出薄膜质量和制膜速度的平衡点，在进行了大量对比试验后，最终总结出制备GO薄膜的加温干燥法的具体参数如下：选用单层GO粉末在50Hz频率下超声震荡2h，制备浓度为1.6mg/ml的GO水分散液，取GO分散液20ml，用胶头滴管直接滴铸至Light-Scribe光盘表面，预留出中心光雕识别码区域，调平后送入鼓风式烘箱35℃烘干5h左右，待观察到表面液体消散后取出，得到表面平整，质量良好的GO薄膜。

2 激光直写还原

材料及硬件：惠普-LS光雕光盘、威宝LS光雕光盘、惠普-DVD-557S光雕刻录仪[6]。

软件准备：Nero burn 10、Nero Cover Designer、Light-Scribe。

（1）打开Nero burn 10软件后选取CD-ROM（ISO）进行新建刻录文件，在多重区段选择“继续多重区段光盘”并在刻录设置中选择“轨道一次刻录”;

（2）在Light-Scribe选项中导入Nero Cover Designer中设置好的预选图形，选择“总是执行Light-Scribe”选项;

（3）回到烧刻界面，选取文件拖入左侧空白区域后，点击立即刻录按钮进行刻录;

（4）文件导入完毕，光驱自动弹出，将铸有GO膜的一面向下放入光驱，进行Light-Scribe烧刻产生rGO，如图2a、2b所示。

等待时间根据图形面积有所区别，经测算每平方厘米的图形用时在1～3min左右，刻录精度在0.1mm以内。

（5）利用未被还原的原GO膜作为电介质，刻录还原产生的rGO作为导体，组成二维平面电容器：通过Nero Cover Designer软件编程设计几种电容纹案图样（圆形、回形、板型、掌型等），调整预选位置后导入Nero burn 10软件进行烧刻，得到平面电路如图3。

3 总结

本文综合分析了目前常见的几类制备GO薄膜的方法，结合自然干燥法的后期操作简便的优点，针对其薄膜干燥阶段易受到多种环境因素的影响，且需要耗费25h以上时间的缺陷进行了改进，通过大量试验和研究提出了一种新的GO薄膜的制备方法——加温干燥法，在保证薄膜性质的同时节省了约85%的时间，极大提高了GO薄膜的制备效率，并利用光驱刻录软件进行编程，使GO被光驱激光还原，实现了在低成本、易操作的情况下生成图形化、路径可控的rGO，同时基于该技术设计刻画了二维平面电路。后续在此薄膜制备方法的基础上亦可通过对GO的激光直写还原研究有关于石墨烯的量子电容器、超级电容器或是高响应的红外探测器等电子元器件，也可以通过对rGO缺陷的掺杂进行进一步深入的研究，从而开发多用途的具有柔性微纳结构的二维传感器。

参考文献

[1]  钟雨嘉，朱宏伟.石墨烯的结构、性能及潜在应用[J].物理，2018，47（11）：704-714.

[2]  高岩，苏东艳.石墨烯电子应用的发展与挑战[J].江苏科技信息，2017（12）：52-55.

[3]  邹卫武. 氧化石墨烯薄膜的制备及其大气净化机制研究[D].河北科技大学，2019.

[4]  Eda Goki，Fanchini Giovanni，Chhowalla Manish. Large-area ultrathin films of reduced graphene oxide as a transparent and flexible electronic material.[J]. Nature nanotechnology，2008，3（5）：270-274.

[5]  Tian He，Yang Yi，Xie Dan，et al.Wafer-scale integration of graphene-based electronic，optoelectronic&electroacoustic devices.[J]. Scientific Reports，2014，4（1）：1-9.

[6]  Rui Feng， Laigui Hu，Youwei Zhang，et al.Direct laser writing of vertical junctions in graphene oxide films for broad spectral position-sensitive detectors [J]. Nanophotonics， 2018， 7（9）：1563-1570.

基金项目：浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）2020R442009

通信作者：谢建平，博士，副教授，研究方向：薄膜物理、低维纳米材料光电性质