藺吉楠,萬(wàn)沈池，姜東輝，曲 佳，孫文軍

(哈爾濱師范大學(xué)，光電帶隙材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江省先進(jìn)功能材料與激發(fā)態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

Graphene/Ag NW復(fù)合體系的光學(xué)特性研究

藺吉楠,萬(wàn)沈池，姜東輝，曲 佳，孫文軍*

(哈爾濱師范大學(xué)，光電帶隙材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江省先進(jìn)功能材料與激發(fā)態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

利用FDTD軟件建立了Graphene/Ag NW復(fù)合模型并計(jì)算了不同直徑銀納米線(xiàn)對(duì)Graphene/Ag NW復(fù)合模型光透射譜的影響，理論計(jì)算表明隨著石墨烯層數(shù)的增加和Ag NW直徑的增加會(huì)導(dǎo)致Gr/Ag NW復(fù)合模型在紫外可見(jiàn)波段透射率略有下降，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)Ag NW的共振吸收峰，進(jìn)一步降低紫外波段的光透射率.利用旋涂法制備了Gr/Ag NW復(fù)合薄膜，測(cè)試結(jié)果表明，制備的Gr/Ag NW復(fù)合薄膜均勻性較高，但偶爾也會(huì)出現(xiàn)石墨烯的堆疊現(xiàn)象，且Gr/Ag NW復(fù)合薄膜的紫外可見(jiàn)波段透射譜與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，從而驗(yàn)證了理論模型的可行性.

旋涂法；Graphene/Ag NW復(fù)合薄膜；透射率； FDTD

0 引言

近年來(lái)，石墨烯因高達(dá)97.7%透光率和高的機(jī)械強(qiáng)度，化學(xué)穩(wěn)定性，電學(xué)性能等備受關(guān)注.一維結(jié)構(gòu)的銀納米線(xiàn)(Ag NW)[1]也因其具有良好耐彎曲性、高透光性、高電子電導(dǎo)率和導(dǎo)熱性而廣受青睞.但目前制備出的石墨烯中存在大量的位錯(cuò)、晶界、褶皺等，因此其方塊電阻很大.Ag NW薄膜的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性較差，容易導(dǎo)致薄膜電學(xué)性能不穩(wěn)定，從而降低器件性能.鑒于二者各自的優(yōu)缺點(diǎn)，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始采用Ag NW作為“橋梁”[2]，跨過(guò)晶界、褶皺等缺陷來(lái)改善石墨烯(Gr)的導(dǎo)電性能，同時(shí)也改善Ag NW的分散性.若將兩者復(fù)合，綜合利用其高透光性和良好的導(dǎo)電性將會(huì)是柔性透明電極氧化銦錫(ITO)的理想替代.因此研究Gr和Ag NW復(fù)合薄膜[3]的光學(xué)特性對(duì)構(gòu)造納米級(jí)光學(xué)器件有著深遠(yuǎn)的意義.

該文對(duì)于Gr/Ag NW復(fù)合薄膜的光學(xué)特性做了一系列研究.嘗試著采用不同直徑的Ag NW與Gr制備復(fù)合薄膜，尋找最佳的制備參數(shù)，進(jìn)而改善其光電特性.首先，基于時(shí)域有限差分方法建立了Gr/Ag NW復(fù)合模型.應(yīng)用FDTD Solutions[4-6]計(jì)算并分析了Ag NW直徑變化、Gr層數(shù)變化對(duì)光透射率的影響.制備了Gr/Ag NW樣品，并對(duì)樣品進(jìn)行了表征和UV-VIS測(cè)試.Gr/Ag NW復(fù)合薄膜的紫外可見(jiàn)波段透射譜與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了理論模型的可行性.

1 理論模型與計(jì)算

理論模型如圖1所示，其中Gr/Ag NW復(fù)合模型是在300 nm×300 nm×600 nm SiO2基底表面鋪設(shè)，Ag NW直徑為20 nm和40 nm，且為周期排列.Gr厚度為1～4層，面積為300 nm×300 nm.用FDTD Solutions軟件計(jì)算了以SiO2為襯底的薄層Gr光透射譜，以及Gr/Ag NW復(fù)合薄膜光透射譜.計(jì)算過(guò)程中，光源為平面波，入射方向?yàn)閦軸負(fù)方向，在z方向上采用完全匹配(PML)邊界條件，xy方向上采用周期性邊界條件.

圖1 Gr/Ag NW理論模型(a) 模型一；(b)模型二

圖2 計(jì)算結(jié)果(a)Graphene透射譜；(b), (c) Grapheme/Ag NW復(fù)合體系透射譜；(d) Ag NW共振吸收譜

計(jì)算結(jié)果如圖2所示，其中(a)為Gr的透射譜，可見(jiàn)單層Gr的紫外/可見(jiàn)透射率為94.5%以上，四層Gr的紫外/可見(jiàn)透射率也在89%以上，且透射率隨著Gr層數(shù)的增加而略顯下降.結(jié)果表明Gr對(duì)光的透過(guò)率很高，這在太陽(yáng)能敏化電池的研究方面具有重要意義[7].(b)給出了不同層數(shù)Gr與Ag NW復(fù)合后的透射譜，可見(jiàn)透射譜中有兩個(gè)吸收峰，這是由于Ag NW的共振吸收造成的，且與(d) 中Ag NW共振吸收峰一致.Gr層數(shù)的變化并不影響Ag NW共振吸收峰位，且對(duì)Gr/Ag NW的透射特性影響很小.(c)給出了單層Gr與不同直徑的Ag NW復(fù)合后的透射譜，可見(jiàn)隨著Ag NW直徑的增加，透射率在逐漸下降，且Ag NW共振吸收峰仍然存在.當(dāng)Ag NW的直徑為20 nm時(shí)，在波長(zhǎng)為300～800 nm的可見(jiàn)光范圍內(nèi)的透光率為75%以上，但當(dāng)Ag NW的直徑為50nm時(shí)，光的最大透過(guò)率為70%，相比與最大透過(guò)率而言下降了5%，但對(duì)于直徑50 nm的情況下，波長(zhǎng)的變化對(duì)光的透過(guò)率的影響較大，在500～800nm間，隨著波長(zhǎng)的增加，透過(guò)率升高了近二十個(gè)百分點(diǎn).綜上可見(jiàn)，單層Gr的獨(dú)立體系對(duì)光的透過(guò)率高達(dá)94.5%以上，當(dāng)Gr與Ag NW復(fù)合后光的透過(guò)率有所降低，并且Gr的層數(shù)和Ag NW的直徑也會(huì)對(duì)光的透過(guò)率產(chǎn)生影響，總體透光率變化在20%左右.

2 樣品制備與測(cè)試

利用旋涂法在石英襯底上制備Gr /Ag NW復(fù)合薄膜.旋涂前需將襯底在乙醇和去離子水中依次超聲清洗10 min.Gr溶液的溶劑為去離子水，Ag NW溶液的溶劑為乙醇，分別配置濃度1 mg/mL直徑為30 nm、40 nm的Ag NW溶液，用移液槍吸取配置好的各直徑Ag NW溶液200 μL，并通過(guò)旋涂法將其沉積在清洗過(guò)的襯底表面，灘膠時(shí)間和速度分別為15 s和600 r/min，勻膠時(shí)間和速度分別為30 s和2000 r/min，干燥30 min.再用同樣的方法在以涂好Ag NW的襯底上旋涂濃度為3 mg/mL的Gr溶液200 μL，攤膠時(shí)間和速度分別為15 s和600 r/min，勻膠時(shí)間和速度分別為30 s和2000 r/min，干燥30 min.樣品的表面形貌通過(guò)掃描電鏡(SEM )進(jìn)行表征，利用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-VIS Spectrophotometry)對(duì)樣品的線(xiàn)性吸收光譜進(jìn)行測(cè)試.

圖3 SEM圖(a)3 mg/ml石墨烯； (b)為(a)的局域放大圖； (c)銀納米線(xiàn)(D=40 nm)；(d) Gr/Ag NW復(fù)合薄膜

圖3的SEM圖像給出了樣品的SEM圖，可以看出整個(gè)旋涂的過(guò)程中，樣品的均勻性很高,同時(shí)可見(jiàn)Gr的交疊與褶皺現(xiàn)象.

圖4(a)為Gr在UV-VIS測(cè)試下所得到的光的透射譜，由圖可以看出濃度為3 mg/mL的薄層Gr在波長(zhǎng)范圍為300～800 nm的光照射下，對(duì)光的透過(guò)率高達(dá)95%以上.圖4 (b)是濃度為1 mg/mL的直徑分別為30 nm和40 nm的Ag NW與濃度為3 mg/mL的薄層Gr的復(fù)合薄膜的透射譜.可見(jiàn)二者復(fù)合后的總體透過(guò)率在70%左右，Ag NW直徑的增加，會(huì)使光的透過(guò)率降低2%.較單層Gr薄膜，光的透過(guò)率降低了25%左右，且由于Ag NW的共振吸收，在360 nm波長(zhǎng)附近光的透過(guò)率僅為25%.

圖4 Gr在UV-VIS測(cè)試下的光的透射譜(a) Graphene透射譜；(b) Graphene/Ag NW復(fù)合體系透射譜

理論仿真所設(shè)計(jì)的Gr/Ag NW復(fù)合模型中Ag NW的分布為周期性平行排列，Gr呈現(xiàn)為1-4層的可控形式，二者之間不會(huì)發(fā)生相互交疊的情況.在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作中，經(jīng)旋涂法覆蓋在SiO2襯底上的Ag NW是呈網(wǎng)住隨機(jī)分布，同樣經(jīng)過(guò)旋涂覆蓋在Ag NW之上的Gr薄層也會(huì)發(fā)生交疊與褶皺的情況，并且二者在復(fù)合后所形成的薄膜也不是相對(duì)分立，而是相互交匯.另外在理論計(jì)算時(shí)所選用的光源是平面波，而在實(shí)際測(cè)試中所用的光源是190～900 nm波段的可見(jiàn)光.綜上原因，這就會(huì)導(dǎo)致理論計(jì)算與測(cè)試結(jié)果有所差異，但在可見(jiàn)光波段理論計(jì)算與測(cè)試結(jié)果，也驗(yàn)證了理論模型的可行性.

3 結(jié)束語(yǔ)

該文通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究了Gr/Ag NW復(fù)合薄膜的光學(xué)特性.理論計(jì)算表明隨著Gr層數(shù)的增加，Gr/Ag NW復(fù)合薄膜的紫外可見(jiàn)波段透射率略有下降，而Ag NW直徑的變化對(duì)紫外可見(jiàn)波段透射率會(huì)產(chǎn)生細(xì)微影響，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)Ag NW的共振吸收峰，導(dǎo)致紫外波段的透射率明顯降低.測(cè)試結(jié)果表明，制備的Gr/Ag NW復(fù)合薄膜均勻性較高，但偶爾也會(huì)出現(xiàn)Gr的堆疊現(xiàn)象，且Gr/Ag NW復(fù)合薄膜的紫外可見(jiàn)波段透射譜與理論計(jì)算結(jié)果相似，數(shù)據(jù)基本吻合，從而驗(yàn)證了理論模型的可行性.

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TheResearchonOpticalPropertiesofGraphene/AgNWCompositeSystem

Lin Jinan, Wan Shenchi, Jiang Donghui, Qu Jia, Sun Wenjun

(Key Laboratory for Photonic and Electronic Bandgap Materials, Ministry of Education, School of Physics and Electronic Engineering, Harbin Normal University)

The influence of different silver nanowire diameters on the Graphene/Ag NW composite model , established by FDTD software was studied in this paper. The theoretical calculation showed that with the increase of graphene layer number and Ag NW diameter, the transmittance in the UV-visible band of Gr/Ag NW composite model would have a slight decrease. This phenomenon also leads to an absorption peak to enhance the transmittance decrease. The Gr/Ag NW composite films were prepared by spin coating method. The results showed that these Gr/Ag NW composite films had high homogeneity, but also appeared occasionally graphene stacking. The transmission spectrum of the UV visible band is consistent with the theoretical calculation almost. This indicated that our Graphene/Ag NW composite model can be used.

Spin coating method; Graphene/Ag NW composite system; Transmissivity; FDTD

李家云)

O484

A

1000-5617(2017)04-0031-04

2017-07-02

*通訊作者：swjgood0139@sina.com