石墨烯觸摸屏技術(shù)應(yīng)用初探

王敏

【摘要】石墨烯憑借其高導(dǎo)電性、高韌度、高強(qiáng)度、高透明度、超大比表面積等優(yōu)勢成為新興產(chǎn)業(yè)中的新興材料，技術(shù)含量高，應(yīng)用前景廣，可以大幅提升原產(chǎn)品的優(yōu)異性能。由石墨烯替代ITO制作而成的柔性觸摸屏能夠?qū)崿F(xiàn)手機(jī)與平板電腦的完美統(tǒng)一，將帶來消費(fèi)電子領(lǐng)域劃時代的變革。但觸摸屏對石墨烯的面積要求大，目前大規(guī)模制備技術(shù)尚不成熟，且成本較高。本文分析了石墨烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，給出了石墨烯觸摸屏的制備流程、工作機(jī)理、性能及發(fā)展現(xiàn)狀。我們期待隨著對其研究的深入，降低制備成本，提高生產(chǎn)效率，加快商業(yè)化進(jìn)程。

【關(guān)鍵詞】石墨烯;觸摸屏;CVD;ITO;電阻式;電容式;發(fā)展現(xiàn)狀

1.引言

人類對石墨烯的認(rèn)識有一個發(fā)展變化的過程。傳統(tǒng)理論曾一度錯誤地認(rèn)為“石墨烯是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)穩(wěn)定地存在”。直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫兩位物理學(xué)家成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實石墨烯可以單獨(dú)存在，并非假設(shè)性的結(jié)構(gòu)。兩人也因此項杰出研究成果共同榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯從此進(jìn)入大眾視野，成為新材料家族中耀眼的明珠，甚至有人預(yù)言石墨烯將成為“改變21世紀(jì)的材料”。

近年來，眾多科研人員對石墨烯的應(yīng)用開展了廣泛而深入的研究。由石墨烯替代ITO制作而成的柔性觸摸屏能夠?qū)崿F(xiàn)手機(jī)與平板電腦的完美統(tǒng)一，使人機(jī)交互更加人性化。在不久的將來，如能實現(xiàn)石墨烯的低成本批量生產(chǎn)，石墨烯觸摸屏將會憑借其優(yōu)異的性能和適中的價格進(jìn)入市場走向千家萬戶，將帶來消費(fèi)電子領(lǐng)域劃時代的變革。

2.石墨烯概述

2.1 結(jié)構(gòu)

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的二維納米新材料，是由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，看上去近似一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面，如圖1所示。

圖1

2.2 機(jī)械特性

石墨烯是迄今為止世界上已知的最薄、最堅硬的二維納米材料，比鉆石還要堅硬，強(qiáng)度比世界上最優(yōu)質(zhì)的鋼材還要高上百倍。石墨烯因其擁有完美的對稱正六邊形結(jié)構(gòu)，非常穩(wěn)定，而且各個碳原子之間的連接很柔韌，所以即使受到外力的沖擊，也可以通過彎曲變形來維持穩(wěn)定。

2.3 光學(xué)特性

石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。由于石墨烯實質(zhì)上是一種透明的優(yōu)良導(dǎo)體，故適合用來制造透明觸控屏幕、光板，甚至是太陽能電池等。

2.4 熱學(xué)性能

石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石。

2.5 電學(xué)性能

石墨烯具有獨(dú)特的線性電子能帶結(jié)構(gòu)，其傳導(dǎo)電子是無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子。電子在石墨烯中運(yùn)動幾乎沒有什么阻力，電子遷移率超過15000 cm2/V·s，比納米碳管或硅晶體高，是迄今為止世界上已知的電阻率最小的材料。因其具有電阻率極低、電子遷移率極高的特點，人類迫切期待利用石墨烯研發(fā)更輕更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。

2.6 表征

制備出來的石墨烯的形貌結(jié)構(gòu)、質(zhì)量由透射電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）等進(jìn)行表征。

2.6.1 透射電子顯微鏡（TEM）

透射電子顯微鏡可以實現(xiàn)微區(qū)物相分析，具有高的圖像分辨率（0.1～0.2nm），可以獲得立體豐富的信息。相對于石墨烯的其他表征手段而言，高分辨透射電子顯微鏡表征是唯一能夠直觀地數(shù)出石墨烯層數(shù)的方法，此外，通過層結(jié)構(gòu)的連續(xù)性還能夠判斷石墨烯材料的質(zhì)量。

2.6.2 原子力顯微鏡（AFM）

原子力顯微鏡是具有原子級高分辨率的表面觀測儀器。當(dāng)原子間距離減小到一定程度以后，原子間的作用力將迅速上升。因此，由顯微探針受力的大小就可以直接換算出樣品表面的高度，從而獲得樣品表面形貌的信息。

如果圖片顏色均一，則說明制備的石墨烯厚度非常均一。如果存在褶皺，原因可能是石墨烯生長完后的降溫過程中，由于銅和石墨烯的熱膨脹系數(shù)不一樣而導(dǎo)致的，并且在將石墨烯從銅上轉(zhuǎn)移到基底上的時候也可能引起褶皺。

3.石墨烯觸摸屏的制備和工作原理

3.1 石墨烯的制備和轉(zhuǎn)移

通常情況下，制備的石墨烯是黏附在金屬表面的，這樣無法對石墨烯進(jìn)行很好的表征，并且對石墨烯在器件方面的實用化來說也是一個阻礙，所以還需要將石墨烯從金屬上轉(zhuǎn)移到高分子薄膜基底上。

3.1.1 石墨烯制備方法概述

石墨烯的制成需要有尖端的制備工藝，目前世界上大約研究出五六種石墨烯制備方法，各有其優(yōu)缺點。微機(jī)械剝離法可以制備出高質(zhì)量的石墨烯，但存在制備成本高、產(chǎn)出率低這一先天性的不足，無法滿足工業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)的要求，目前這種方法只能用于實驗室小規(guī)模制備;氧化還原法工藝雖然較為簡單，但大量制備容易帶來廢液污染，有違綠色發(fā)展的理念;溶劑剝離法雖然可以制備高質(zhì)量的石墨烯，但是產(chǎn)出率也很低;溶劑熱法雖然可以實現(xiàn)石墨烯的規(guī)?；苽?，但電導(dǎo)率很低;化學(xué)氣相沉積法（CVD）操作過程相對簡單易行，以含碳化合物為碳源，高溫下在基底上催化分解，所制備的石墨烯結(jié)晶度高，較易于轉(zhuǎn)移到多種基底上使用，最有可能實現(xiàn)低成本、高產(chǎn)出、規(guī)?；訑?shù)可控、大面積制備高質(zhì)量石墨烯，因此該方法被廣泛用于制備透明導(dǎo)電電極用的石墨烯薄膜材料。

3.1.2 CVD法制備石墨烯

由于碳在1000攝氏度時會蒸發(fā)，而且碳在銅中的可溶性非常低，碳原子將一個接一個地排列在幾厘米寬的銅箔上，同時，其在多晶銅機(jī)制上可以達(dá)到大的結(jié)晶尺寸的能力。因此，利用銅箔可以進(jìn)行大面積石墨烯的制造。如圖2所示，把一塊銅箔盤繞在一個圓柱體上，并將其放置在高溫爐中。碳原子攜帶著被加熱了的氫原子和甲烷流，沉淀在銅箔上而成為一個統(tǒng)一的單層，即石墨烯。生長在銅箔上的石墨烯首先和熱剝離型膠帶（藍(lán)色透明部分）粘在一起，然后用化學(xué)的方法把銅箔溶解掉，最后用加熱的方法把石墨烯轉(zhuǎn)移到聚對苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜上。

圖2

上述方法在轉(zhuǎn)移過程中可能會破壞和污染石墨烯，因此我們來討論另外一種轉(zhuǎn)移方法。如圖3所示，制造一種金屬面夾心板，使石墨烯沉淀在金屬的兩面而不像原來一樣只在一面。將夾心板附著在一塊玻璃上。剝離金屬和石墨烯，石墨烯就直接留在了玻璃上， 這種方法大幅提升了轉(zhuǎn)移過程的效率。

圖3

3.2 石墨烯觸摸屏的分類及工作原理

3.2.1 觸摸屏分類

觸摸屏是目前最簡便、自然的一種人機(jī)交互方式，賦予了多媒體嶄新的面貌。根據(jù)觸摸屏的工作原理，可將其分為以下幾類：（1）紅外線技術(shù)觸摸屏。這種觸摸屏價格低廉，但其外框易碎，容易產(chǎn)生光干擾，曲面情況下失真。（2）表面聲波觸摸屏。這種觸摸屏清晰且不容易被損壞，適于各種場合，但缺點是屏幕表面如果有水滴和塵土?xí)?dǎo)致觸摸屏變得遲鈍，甚至不工作。（3）電阻式觸摸屏。這種觸摸屏容易被刮傷，使用壽命較短;透光率不佳，增加了耗電量;反應(yīng)速度較慢;價格較高。（4）電容式觸摸屏。這種觸摸屏分為表面電容式和投射電容式。后者性能更好，但成本也較高。

石墨烯作為一種透明的導(dǎo)電材料充當(dāng)電極，是觸摸屏的核心組成部分。目前研發(fā)的石墨烯觸摸屏主要是電阻式觸摸屏和電容式觸摸屏。

3.2.2 電阻式石墨烯觸摸屏原理

圖4

如圖4所示，石墨烯上適當(dāng)?shù)奈恢糜∮秀y電極，這些銀電極把材料劃分成若干區(qū)域，區(qū)域內(nèi)絕緣點陣規(guī)則排布。觸摸屏由上下兩層粘在PET薄膜上的石墨烯構(gòu)成，沒有接觸的情況下，兩層石墨烯被下層上放置的絕緣點陣阻隔而互不接觸。當(dāng)外界壓力存在的時候，PET薄膜和石墨烯在壓力下發(fā)生形變，這樣上下兩層石墨烯接觸后因?qū)щ姸斐呻娮璧淖兓＝佑|的位置不同，器件邊緣電極收集到的電信號也不一樣，通過對電信號的分析，就可以確定是觸摸屏上的哪個位置發(fā)生了接觸。（下轉(zhuǎn)第81頁）（上接第79頁）

3.2.3 電容式觸摸屏原理

電容式觸控技術(shù)原理類似電阻式，但使用電容值而非電阻值作為計算量以決定觸摸位置。

如圖5所示，表面電容式觸摸屏使用上下兩電極作為電容，當(dāng)手指觸摸屏表面時，就會有一定量的電荷轉(zhuǎn)移到人體。為了恢復(fù)這些電荷損失，電荷從屏幕的四角補(bǔ)充進(jìn)來，各方向補(bǔ)充的電荷量和觸摸點的距離成比例，可以由此推算出觸摸點的位置。

圖5

如圖6所示，投射電容式觸摸屏以蝕刻方式將上下電極細(xì)分成X軸、Y軸交叉分布的電容矩陣，使得觸碰時除了表面會形成電容之外，也會造成XY軸交會處之間電容值的變化。因此通過掃描X、Y軸即可偵測到觸碰位置的電容變化，進(jìn)而計算觸摸點所在的位置。

圖6

4.石墨烯觸摸屏的性能及發(fā)展

4.1 傳統(tǒng)材料：氧化銦錫（ITO）

氧化銦錫主要的特性是其電學(xué)傳導(dǎo)和光學(xué)透明的組合，因此可以用來制作觸摸屏。薄膜沉積時，高濃度電荷載流子將會增加材料的電導(dǎo)率，但會降低它的透明度，這就需要進(jìn)行權(quán)衡。

氧化銦錫要用到銦，這是一種稀土材料，而且這種材料質(zhì)地脆、延展性差、易碎、有毒、難以回收，并且制作電極過程中需要在真空中層沉積，致命缺點多，且成本比較高。

4.2 新材料：石墨烯

石墨烯觸摸屏與ITO相比具有“一低、一高、兩更”的諸多優(yōu)勢，：（1）低成本。石墨烯主要是由碳、氫、氧這些常見的元素組成，在資源上幾乎可以說是“取之不盡，用之不竭”，而且石墨烯制備較ITO成本低。（2）高性能。石墨烯只有0.34納米厚，它只吸收約2.3%的光，能做到幾乎完全透光，并且具有很高的電導(dǎo)率。（3）更柔韌。石墨烯具備很好的柔性，在一定程度上可以彎曲折疊，不會對屏幕造成損害。（4）更環(huán)保。石墨烯觸摸屏合成對環(huán)境無害，需要的資源少，符合可持續(xù)發(fā)展、綠色發(fā)展的理念。

總而言之，石墨烯觸摸屏透光率更高、功耗更低、性能更穩(wěn)定，而且更輕更薄。

5.石墨烯觸摸屏發(fā)展面臨的問題

5.1 大面積、高質(zhì)量的制備

目前批量生產(chǎn)石墨烯的方式主要是兩種：一種是利用化學(xué)氣相沉積法在金屬表面生長出單層率很高、面積很大的石墨烯薄膜材料;一種是將天然石墨通過物理或者化學(xué)的方法粉碎，形成石墨烯粉體，看起來就是很細(xì)的黑色粉末。要想實現(xiàn)石墨烯制備的產(chǎn)業(yè)化，前提是必須通過廣泛、深入的研究，實現(xiàn)石墨烯低成本、大批量、高質(zhì)量的生產(chǎn)。

5.2 快速高效的轉(zhuǎn)移

生產(chǎn)石墨烯以及把石墨烯從銅箔上取下來，總體來說是一個復(fù)雜的過程，每一道工序都要在無塵的環(huán)境中完成。如果能夠建成生產(chǎn)流水線并且找到更快更好的轉(zhuǎn)移方法，那么就可以大大提高生產(chǎn)效率。

5.3 “3D版本的石墨烯”——砷化鎘

雖然石墨烯優(yōu)點突出，但其獨(dú)特的單層原子結(jié)構(gòu)也為原料的大規(guī)模生產(chǎn)和實用產(chǎn)品的制造設(shè)置了障礙。2014年，牛津大學(xué)、美國斯坦福大學(xué)等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)砷化鎘在電氣性能上可以被看作是石墨烯的3D版，更易用于構(gòu)建復(fù)雜的硬件，也易于制備和工作。當(dāng)然，未來砷化鎘能否在某些應(yīng)用領(lǐng)域取代石墨烯還是未知的，我們須且研究且探索。

6.總結(jié)

每一種新材料創(chuàng)新和改進(jìn)的背后都充滿了豐富的想象力和無盡的挑戰(zhàn)。我們需要在探索前進(jìn)的過程中，不斷發(fā)展大規(guī)模、低成本、大面積、結(jié)構(gòu)與性能可調(diào)控的制備技術(shù)，努力開拓石墨烯應(yīng)用的光明前景，不斷譜寫石墨烯應(yīng)用的華麗篇章。

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