摻雜石墨烯的電磁屏蔽特性研究

1、摻雜石墨烯的電磁屏蔽特性研究摻雜石墨烯的電磁屏蔽特性研究引言石墨烯是一種由sp2雜化碳原子組成的二維碳材料，獨(dú)特的六角晶格構(gòu)造賦予其獨(dú)特的光電、力學(xué)性能。理想單層石墨烯的禁帶寬度為零，載流子遷移速率高達(dá)2000002/Vs，在可見(jiàn)及近紅外波段的透過(guò)率約為97.7%。這些優(yōu)異性質(zhì)使其可作為光學(xué)透明窗口外表的電磁屏蔽材料1-2。目前，利用化學(xué)氣相沉積VD法已可實(shí)現(xiàn)大面積、高質(zhì)量、層數(shù)可控、帶隙可調(diào)石墨烯薄膜的制備。2022年Li等3利用VD法在銅箔外表制備出大面積單層石墨烯，同年REina等4也在122的多晶Ni膜上利用熱VD法合成了單層至多層石墨烯，并成功轉(zhuǎn)移到多種基底外表。但上述方法制備的石墨

2、烯薄膜通常存在晶界效應(yīng)及載流子濃度過(guò)低方面的缺乏，使其電導(dǎo)率還不能滿足實(shí)際屏蔽需求。本文以VD法制備了單層石墨烯透明導(dǎo)電薄膜，分析了Aul3摻雜對(duì)改善石墨烯的載流子濃度及電導(dǎo)率影響。同時(shí)，利用傳輸線理論建立石墨烯各向異性介質(zhì)的電磁屏蔽模型，并根據(jù)詳細(xì)參數(shù)對(duì)透光薄膜進(jìn)展寬波段屏蔽效能計(jì)算。最后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值進(jìn)展比較，分析二者存在差異的原因。1Aul3摻雜石墨烯薄膜制備大面積石墨烯的制備是利用現(xiàn)已報(bào)道過(guò)的VD法。反響以甲烷為碳源，選用25厚的銅箔為基底。反響時(shí)將高溫退火過(guò)的銅箔置于直徑本文由論文聯(lián)盟.Ll.搜集整理22的石英反響室中央，以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)300l/in的速度通入氬氣和氫氣，同時(shí)以1l/

3、in的速度通入甲烷。反響時(shí)間為10in，期間石英反響室的溫度保持在1000。反響完畢后經(jīng)快速降溫，將樣品冷卻到室溫，期間持續(xù)通入保護(hù)氣體。通過(guò)改變冷卻速度可控制生長(zhǎng)石墨烯層的厚度，實(shí)驗(yàn)得到的石墨烯薄膜大部分為12層。為方便石墨烯屏蔽效能測(cè)試，需將石墨烯轉(zhuǎn)移至聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯PET基底外表。石墨烯轉(zhuǎn)移是利用聚甲基丙烯酸甲酯PA轉(zhuǎn)移法：將PA膠均勻涂在石墨烯層外表，將基底面在150加熱15in。第一次刻蝕，將樣品放入0.1g/l的FeN33溶液腐蝕2h，使u與石墨烯/PA基底別離。第二次刻蝕，去除石墨烯外表剩余的u層，將石墨烯/PA樣品放入10%Hl刻蝕液中1h，石墨烯/PA將漂浮在刻蝕液外表

4、。利用已準(zhǔn)備好的PET基底將石墨烯/PA膜撈起，利用退火法或丙酮刻蝕可將石墨烯外表的PA去除。Aul3常用于導(dǎo)電高聚合物的摻雜，假設(shè)將石墨烯看作是擁有共軛電子的聚合物，那么其Aul3摻雜機(jī)理將與上述聚合物類似。將Aul3溶解在不同的配位體溶劑中，會(huì)形成不同的離子構(gòu)象，既可存在平面正方形幾何構(gòu)造Aul-4離子也可存在Aul-2。本文中利用硝基甲烷溶劑作為配位體，此時(shí)將發(fā)生以下反響實(shí)驗(yàn)時(shí)在石墨烯層面涂覆2.510-3l/L的Aul3的硝基甲烷溶液，用離心機(jī)使其旋涂均勻，枯燥，最終形成Aul3摻雜石墨烯薄膜，如圖1所示。圖2為Aul3摻雜前后石墨烯的拉曼光譜圖，測(cè)試時(shí)分別選擇樣品外表的不同區(qū)域以證明

5、石墨烯薄膜的連續(xù)性。摻雜后石墨烯的拉曼譜6仍然存在D峰、G峰、2D峰：D峰較摻雜前有少許進(jìn)步，說(shuō)明摻雜對(duì)晶格構(gòu)造影響較小；G峰與2D峰的峰值比I2D/IG=1.61，石墨烯層數(shù)小于兩層；同時(shí)G峰、2D峰都有相對(duì)10-1的藍(lán)移，說(shuō)明Aul3對(duì)石墨烯的摻雜類型為P型；摻雜后6天再次對(duì)樣品進(jìn)展表征，拉曼譜沒(méi)有明顯的變化。利用四探針?lè)y(cè)量摻雜前后石墨烯的面電阻值分別為560/和165/，說(shuō)明摻雜對(duì)石墨烯導(dǎo)電性有明顯進(jìn)步。2石墨烯傳輸線理論推導(dǎo)根據(jù)各向異性介質(zhì)的傳輸線理論，建立石墨烯平面波作用模型7，如圖3所示。圖3平面波作用在石墨烯外表等效模型以TE波為例，并將等效為零來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算，此時(shí)V0=1+Vi，

6、其中反射系數(shù)為Y0-Ybth/Y0+Ybth，Ybth=Y1+Y0+Y2。根據(jù)屏蔽效能的計(jì)算公式：SE=-20lgE/Ei，TE波的屏蔽效能可以寫(xiě)成如下形式：T0=2/2+0D12同理可證T波與TE波結(jié)果一致。3薄膜樣品電磁屏蔽性能分析參照GJBA6190-2022中的屏蔽室法12，對(duì)尺寸大小為300300的Aul3摻雜石墨烯薄膜樣品進(jìn)展屏蔽效能檢測(cè)。在一樣鼓勵(lì)源的條件下，通過(guò)對(duì)參加可視屏蔽介質(zhì)前后接收天線信號(hào)的差值進(jìn)展比較，得到屏蔽材料的屏蔽效能。實(shí)驗(yàn)中由RSSR微波信號(hào)源提供118GHz的連續(xù)波，AgilentESA-E頻譜分析儀作為接收端，完成寬波段范圍內(nèi)的掃頻測(cè)試。測(cè)試時(shí)需對(duì)窗口材料邊

7、緣做導(dǎo)電處理，其測(cè)試示意圖如圖6所示。利用文獻(xiàn)13中化學(xué)勢(shì)與載流子濃度的關(guān)系，得到室溫300K下本征石墨烯與摻雜石墨烯的分別為0.02eV與0.07eV，將其代入式10與式12中得到118GHz的屏蔽效能曲線，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，PET基底對(duì)118GHz波段的連續(xù)波平均屏蔽效能在零左右，幾乎沒(méi)有屏蔽作用，如圖8a所示。在PET基底外表鍍制本征石墨烯及摻雜石墨烯薄膜后，屏蔽效能有顯著進(jìn)步，如圖8b所示。單層的本征石墨烯薄膜在118GHz波段屏蔽效能較為平坦，其平均屏蔽效能為2.3dB左右，與Hng等14測(cè)量結(jié)果相符。但在814GHz有略微升高，通過(guò)與摻雜后的曲線進(jìn)展比較，認(rèn)為這是測(cè)試系統(tǒng)受外界干擾造成。對(duì)單層本征石墨烯薄膜進(jìn)展Aul3摻雜，可以有效增加薄膜的載流子濃度，從而進(jìn)步化學(xué)勢(shì)。薄膜面電阻由560/減低至165/，同時(shí)平均屏蔽效能也由2.3dB左右進(jìn)步到6.3dB左右，可以看出屏蔽室法得到的測(cè)試值與圖7的理論值有較好的匹配。4結(jié)論石墨烯的導(dǎo)電透光特性使其可作為光學(xué)透明窗口的導(dǎo)電透明材料，但目前VD法制備的石墨烯薄膜因多晶效應(yīng)等因素，其導(dǎo)電性無(wú)法滿足屏蔽要求。本文對(duì)VD法制備的寡層小于2層石墨烯進(jìn)展Aul3摻雜，增加其載流子濃度，大大改善了其導(dǎo)電性能，實(shí)測(cè)的面電阻降低了70%。利用傳輸線理論建立石墨烯各向異性介質(zhì)的電磁屏蔽模型，考慮化學(xué)勢(shì)對(duì)石墨烯高頻