透明導(dǎo)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(jī)械和光學(xué)特性使其成為可穿戴電子產(chǎn)品應(yīng)用中的透明電極。在這里，我們報(bào)告了通過銅箔上的化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)的單層石墨烯向紡織工業(yè)常用纖維的轉(zhuǎn)移。石墨烯涂層光纖的薄層電阻低至每平方~1 kΩ，相當(dāng)于通過相同的轉(zhuǎn)移過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(jī)械應(yīng)力下保持高穩(wěn)定性。通過這種方法，我們成功地實(shí)現(xiàn)了紡織電極的第一個(gè)例子，柔性并真正嵌入紗線中。

通過轉(zhuǎn)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(xué)氣相沉積（CVD）合成了大面積單層石墨烯薄膜.生長(zhǎng)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)的銅蝕刻過程中機(jī)械支撐石墨烯層。銅蝕刻后將石墨烯單層片轉(zhuǎn)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(xiàn)出粗糙度為10nm的表面（根據(jù)AFM測(cè)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(wú)撕裂，符合纖維的支架結(jié)構(gòu)。圖1b-e顯示了石墨烯轉(zhuǎn)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(duì)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(zhǎng)紫外線輻射及其與臭氧的反應(yīng)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(dǎo)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(jié)果，纖維表面獲得了更均勻和均勻的結(jié)構(gòu)。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(qū)域，這很可能是由于PMMA去除過程中獨(dú)立石墨烯的損失造成的。這些可以在AFM相位信號(hào)中看到，它清楚地呈現(xiàn)了與剛性和粘附性相關(guān)的兩種不同類型的相互作用，這可能對(duì)應(yīng)于石墨烯覆蓋的部分和裸露纖維表面的未覆蓋段（見補(bǔ)充信息）。在有機(jī)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(qiáng)烈地粘附到不同的基材上，例如玻璃32、無(wú)機(jī)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(jī)晶體36如果表面足夠平整37.

石墨烯轉(zhuǎn)移過程和AFM成像。

（a） 一般石墨烯轉(zhuǎn)移步驟：CVD在銅上的生長(zhǎng);聚甲基丙烯酸甲醛涂層;銅蝕刻;石墨烯轉(zhuǎn)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(duì)于（b）PP（Ra = 45.10 nm）的纖維長(zhǎng)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(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。