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1、10申请公布号CN104125925A43申请公布日20141029CN104125925A21申请号201280070343422申请日2012122161/57843120111221USC01B31/02200601B01J19/0820060171申请人加州大学评议会地址美国加利福尼亚州72发明人VA斯特隆MF埃尔卡迪RB卡纳74专利代理机构中国专利代理香港有限公司72001代理人周李军梁谋54发明名称互连波纹状碳基网络57摘要本发明公开一种互连波纹状碳基网络，其包括多个膨胀的和互连的碳层。在一个实施方案中，所述膨胀的和互连的碳层中的每一个均由一个原子厚的至少一个波纹状碳薄层构成。在另。
2、一个实施方案中，所述膨胀的和互连的碳层中的每一个均由各自为一个原子厚的多个波纹状碳薄层构成。所述互连波纹状碳基网络以导电率和电化学性质高度可调的高表面积为特征。30优先权数据85PCT国际申请进入国家阶段日2014082186PCT国际申请的申请数据PCT/US2012/0714072012122187PCT国际申请的公布数据WO2013/162649EN2013103151INTCL权利要求书4页说明书11页附图22页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书4页说明书11页附图22页10申请公布号CN104125925ACN104125925A1/4页21一种互连波纹状碳基。
3、网络，其包括多个膨胀的和互连的碳层。2如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述膨胀的和互连的碳层中的每一个都包括一个原子厚的至少一个波纹状碳薄层。3如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述膨胀的和互连的碳层中的每一个都包括各自为一个原子厚的多个波纹状碳薄层。4如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层产生大于约1500S/M的导电率。5如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层产生大于约1600S/M的导电率。6如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层产生约1650S/M左右的导电率。7如权利要求1所述。
4、的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层产生大于约1700S/M的导电率。8如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层产生约1738S/M左右的导电率。9如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有大于约1000平方米/克M2/G左右的表面积。10如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有大于约1500M2/G左右的表面积。11如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有约1520M2/G左右的表面积。12如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳。
5、层产生大于约1700S/M的导电率和约1500M2/G的表面积。13如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层产生约1650S/M左右的导电率和约1520M2/G左右的表面积。14如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中在所述互连波纹状碳基网络由碳基氧化物还原后，所述互连波纹状碳基网络的二阶无序2D拉曼峰值从约2730CM1左右变化为约2688CM1左右。15如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中在所述互连波纹状碳基网络由碳基氧化物还原后，所述互连波纹状碳基网络的2D拉曼峰值从约2700CM1左右变化为约2600CM1左右。16如权利要求1所述的互连波纹状碳基网。
6、络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层的平均厚度为76M左右。17如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层的厚度范围为约7M左右到约8M左右。18如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述膨胀的和互连的碳层的含氧量为约35左右。19如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述膨胀的和互连的碳层的含氧量的范围为约1左右至约5左右。权利要求书CN104125925A2/4页320如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有约2781的碳氧C/O比。21如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有范围为约1001至。
7、251左右的C/O比。22如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有在约20兆欧姆/平方左右至约80欧姆/平方左右的范围内可调的薄层电阻。23如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有约2927CM1的拉曼光谱学S3二阶峰值。24如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有范围为约2920CM1左右至约2930CM1左右的拉曼光谱学S3二阶峰值范围。25如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层中的碳层数大于约100。26如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互。
8、连的碳层中的碳层数大于约1000。27如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层中的碳层数大于约10,000。28如权利要求1所述的互连波纹状碳基网络，其中所述多个膨胀的和互连的碳层中的碳层数大于约100,000。29一种生产图案化互连波纹状碳基网络的方法，所述方法包括接收具有碳基氧化物膜的衬底；产生光束，所述光束具有足以使所述碳基氧化物膜的部分还原为导电性的多个膨胀的和互连的碳层的功率密度；以及通过计算机控制系统以预确定图案来引导所述光束横越所述碳基氧化物膜。30如权利要求29所述的方法，其进一步包括调整所述光束的所述功率密度以便调节在所述碳基氧化物膜暴露于所述光束。
9、时所生产的所述多个膨胀的和互连的碳层的导电率。31如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有在20兆欧姆/平方左右至80欧姆/平方左右的范围内可调的薄层电阻。32如权利要求29所述的方法，其中所述碳基氧化物膜是氧化石墨膜。33如权利要求32所述的方法，其中所述氧化石墨膜具有约261的C/O比。34如权利要求32所述的方法，其中所述氧化石墨膜暴露于所述光束的部分具有约2781的C/O比。35如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有范围为约1001至251左右的C/O比。36如权利要求29所述的方法，其中所述光束是激光束。37如权利要求36所述的方法，其中所述。
10、激光束是波长为780NM左右的红外激光束。38如权利要求29所述的方法，其中光束发射的范围为近红外波长至紫外线波长。39如权利要求29所述的方法，其中所述光束具有约5MW左右的功率。40如权利要求29所述的方法，其中所述光束的功率范围为约5MW左右至约350MW左右。权利要求书CN104125925A3/4页441如权利要求29所述的方法，其进一步包括在产生具有足以使所述碳基氧化物膜的部分还原为所述互连波纹状碳基网络的所述功率密度的所述光束之前，将所述衬底装载到自动激光图案化系统中。42如权利要求29所述的方法，其中使所述碳基氧化物膜暴露于所述光束以便在所述碳基氧化物膜内形成所述互连波纹状碳基。
11、网络的预确定图案在所述预确定图案的预确定部分上重复进行，以便提高石墨与碳基氧化物比。43如权利要求29所述的方法，其进一步包括使碳基氧化物溶液滴涂到所述衬底上的初始步骤。44如权利要求29所述的方法，其中所述衬底是聚对苯二甲酸乙二酯PET。45如权利要求29所述的方法，其进一步包括使所述衬底暴露于氧等离子体约三分钟左右。46如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有约1520平方米/克M2/G的表面积。47如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层中的每一个都是仅一个原子厚的单个波纹状碳薄层。48如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层产生大于约。
12、1500S/M左右的导电率。49如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层产生大于约1600S/M左右的导电率。50如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层产生约1650S/M左右的导电率。51如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层产生大于约1700S/M的导电率。52如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层产生约1738S/M左右的导电率。53如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有大于约1000M2/G左右的表面积。54如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有大于约1500M2/G左右的。
13、表面积。55如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有约1520M2/G左右的表面积。56如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层产生大于约1700S/M左右的导电率和约1500M2/G左右的表面积。57如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层产生约1650S/M左右的导电率和约1520M2/G左右的表面积。58如权利要求29所述的方法，其中在所述互连波纹状碳基网络由碳基氧化物还原后，所述互连波纹状碳基网络的二阶无序2D拉曼峰值从约2730CM1左右变化为约2688CM1左右。59如权利要求29所述的方法，其中在所述互连波纹状碳基网络由碳基氧化。
14、物还原权利要求书CN104125925A4/4页5后，所述互连波纹状碳基网络的2D拉曼峰值从约2700CM1左右变化为约2600CM1左右。60如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层的平均厚度为约76M左右。61如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层的厚度范围为约7M左右到约8M左右。62如权利要求29所述的方法，其中所述膨胀的和互连的碳层的含氧量为约35左右。63如权利要求29所述的方法，其中所述膨胀的和互连的碳层的含氧量的范围为约1左右至约5左右。64如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有约2781的C/O比。65如权利要求29所述。
15、的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有范围为约1001至251左右的C/O比。66如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有在约20兆欧姆/平方左右至约80欧姆/平方左右的范围内可调的薄层电阻。67如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有约2927CM1左右的拉曼光谱学S3二阶峰值。68如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层具有范围为约2920CM1左右至约2930CM1左右的拉曼光谱学S3二阶峰值范围。69如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层中的碳层数大于约100左右。70如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨。
16、胀的和互连的碳层中的碳层数大于约1000左右。71如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层中的碳层数大于约10,000左右。72如权利要求29所述的方法，其中所述多个膨胀的和互连的碳层中的碳层数大于约100,000左右。73如权利要求29所述的方法，其中所述预确定图案限定全有机气体传感器的导电迹线。74如权利要求73所述的方法，其中所述全有机气体传感器是物理上挠性的氧化亚氮NO2传感器。75如权利要求29所述的方法，其中所述预确定图案限定快速氧化还原活性电极。76如权利要求29所述的方法，其中所述预确定图案限定用于纳米颗粒的直接生长的支架。77如权利要求76所述的方法，其中所述。
17、纳米颗粒是铂PT纳米颗粒。权利要求书CN104125925A1/11页6互连波纹状碳基网络0001本发明是在由美国国防部国防高级研究项目局颁发的授予号HR00111030002的政府资助下完成。政府享有本发明中的某些权利。0002相关申请0003本申请要求于2011年12月21日提交的美国临时专利申请号61/578,431的权益，该临时专利申请的公开通过引用被全部并入本文。0004本公开的领域0005本发明提供互连波纹状碳基网络和用于制作、图案化以及调节所述互连波纹状碳基网络的电性质、物理性质和电化学性质的廉价过程。0006背景0007为了实现生产高质量的大批碳基装置诸如有机传感器，多种合成现。
18、在并入有石墨氧化物GO作为生成大规模碳基材料的前体。用于从石墨粉的氧化生产大量GO的廉价方法现在可用。另外，GO的水分散性结合廉价生产方法使得GO成为用于生产碳基装置的理想原材料。具体来说，GO具有水分散性质。不幸的是，给予GO其水分散性质的相同氧物种也在其电子结构中产生缺陷，并且因此GO为电绝缘材料。因此，具有优越电子性质的装置级碳基膜的形成需要这些氧物种的去除、共轭碳网络的重建以及用于可控制地图案化碳基装置特征的方法。0008使石墨氧化物还原的方法包括通过肼、肼衍生物或其它还原剂进行的化学还原、在化学还原气体和/或惰性气氛下的高温退火、溶剂热还原、化学和热还原方法的组合、闪蒸还原FLASH。
19、REDUCTION以及最近GO的激光还原。虽然这些方法中的几种方法已经证明了相对高质量的石墨氧化还原，但很多方法受到昂贵设备、高退火温度和最终产物中的氮杂质的限制。因此，在这些困难中，包括膨胀互连碳网络的高表面积和高导电率的性质组合仍然是难以捉摸的。另外，通过针对GO还原以及图案化的全包含步骤进行的大规模膜图案化已证明是困难的并且通常取决于光掩模来提供最基本的图案。因此，需要用于制作和图案化互连波纹状碳基网络的廉价过程，所述互连波纹状碳基网络具有导电率和电化学性质高度可调的高表面积。0009概述0010本发明提供一种生产互连波纹状碳基网络的方法。所生产的互连波纹状碳基网络具有包括互连碳层的膨胀。
20、网络的高表面积和高导电率的性质组合。0011在一个实施方案中，所述方法生产图案化的互连波纹状碳基网络。在所述特定实施方案中，初始步骤接收具有碳基氧化膜的衬底。一旦所述衬底被接收，那么下一个步骤涉及生成具有足以使碳基氧化膜的部分还原为互连波纹状碳基网络的功率密度的光束。另一个步骤涉及在碳基氧化膜上通过计算机控制系统以预确定图案引导光束，同时通过计算机控制系统根据与所述预确定图案相关的预确定功率密度数据来调整光束的功率密度。0012在一个实施方案中，衬底是盘形的数字多功能光盘DVD大小的塑料薄层，所述塑料薄层以可拆卸的方式粘着到包含DVD定中孔的DVD大小的板。载有盘形衬底的DVD大小的板可装载到。
21、直接光盘标记DIRECTTODISCLABELING启用的光盘驱动器。计算机控说明书CN104125925A2/11页7制系统执行的软件程序读出定义预确定图案的数据。计算机控制系统将光盘驱动器生成的激光光束引导到盘形衬底上，从而使碳基氧化膜的部分还原为导电性的互连波纹状碳基网络，所述互连波纹状碳基网络与预确定图案的数据所述的形状、尺寸和传导水平匹配。0013本领域技术人员在结合附图阅读的以下详细说明之后将了解本公开的范围并且认识到其额外方面。0014附图简述0015并入并且形成本说明书一部分的附图阐明本公开的一些方面，并且连同说明书用来解释本公开的原则。0016图1描绘现有技术的直接光盘标记类。
22、型CD/DVD光盘的标记面。0017图2是现有技术的直接光盘标记类型光盘驱动器的示意图。0018图3是用于在衬底上提供石墨氧化物GO膜的示例性过程的流程图。0019图4是用于对互连波纹状碳基网络进行激光刻划随后由互连波纹状碳基网络制造电部件的流程图。0020图5是本实施方案的互连波纹状碳基网络的样本的线条图。0021图6A是覆盖着电路的男性头部的艺术品图像。0022图6B是在图6A的艺术品图像使用本发明的激光刻划技术在GO膜上直接图案化后的所述GO膜的照片。0023图7是通过使用各种灰度等级对图6A的艺术品进行激光刻划以生产图6B的图案化的GO膜来使图6B的GO膜还原而比较导电率的图表。002。
23、4图8A是示出在对图像右侧激光处理后红外激光对GO膜的影响的扫描电子显微镜SEM图像，这与图像左侧上对齐的互连波纹状碳基网络形成对照。0025图8B是表明互连波纹状碳基网络的厚度比未处理GO膜的厚度大约10倍的SEM图像。0026图8C是示出单个激光转换互连波纹状碳基网络的截面图的SEM图像。0027图8D是示出图8C中互连波纹状碳基网络内的所选区的较大的放大率的SEM图像。0028图9比较互连波纹状碳基网络的粉末X射线衍射XRD图案与石墨和石墨氧化物衍射图案。0029图10是峰电流的LOG10对应用伏安扫描速率的LOG10的曲线图。0030图11A至图11E是与拉曼光谱学分析有关的图表。00。
24、31图12A是示出由互连波纹状碳基网络制成的、尺寸为6MMX6MM、间隔约500M的一组叉指形电极的结构图，所述叉指形电极被直接图案化到GO的薄膜上。0032图12B是示出传递到另一类型的衬底上的叉指形电极组合的结构图。0033图13示出对在干燥空气中暴露于20PPM的氧化亚氮NO2的、由互连波纹状碳基网络制成的叉指形电极的图案化挠性组合的传感器响应。0034图14A至图14D示出说明就对应于0秒、15秒、60秒和120秒的电沉积时间而言，铂PT纳米颗粒生长到由互连波纹状碳基网络制成的支架上的SEM图像。0035图15比较在50MV/S的扫描速率下，溶解于10M的KCL溶液中的5MM的K3FE。
25、CN6/K4FECN6的等摩尔混合物中，GO、石墨与由互连波纹状碳基网络制成的CV说明书CN104125925A3/11页8分布图。0036详述0037以下阐明的实施方案代表使得本领域技术人员能够实践本公开的必需信息并且说明实施本公开的最佳模式。在鉴于附图来阅读以下描述之后，本领域技术人员了解本公开的概念并且认识到在本文中未具体提出的这些概念的应用。应了解这些概念和应用属于本公开和随附权利要求书的范围内。0038本发明提供用于制作和图案化互连波纹状碳基网络的廉价过程，所述互连波纹状碳基网络对于具有导电率和电化学性质高度可调的高表面积具有严格的要求。本文所描述的实施方案不仅满足这些严格的要求，而。
26、且提供对互连波纹状碳基网络的传导率和图案化的直接控制，同时在单步骤过程中形成挠性电子装置。此外，这些互连波纹状碳基网络的生产并不需要还原剂或昂贵的设备。因此，挠性衬底上互连波纹状碳基网络的简单直接的制造简化了轻型电子装置的开发。可使互连波纹状碳基网络在各种衬底诸如塑料、金属和玻璃上同步。在本文中，展示全有机NO2气体传感器、快速氧化还原活性电极和用于铂PT纳米颗粒的直接生长的支架。0039在至少一个实施方案中，互连波纹状碳基网络是使用常见和廉价的红外激光所生产的导电膜，所述红外激光配合在致密盘/数字多功能光盘CD/DVD光学驱动器单元内部，所述光学驱动器单元提供光盘直接标记写入功能。LIGHT。
27、SCRIBE惠普公司的注册商标和LABELFLASH雅马哈公司的注册商标是将文本和图形图案化到CD/DVD光盘的表面上的示例性直接光盘标记技术。LIGHTSCRIBEDVD驱动器是20左右可商购的并且LIGHTSCRIBING过程使用标准台式计算机来控制。0040图1描绘标准直接光盘标记类型CD/DVD光盘10的标记面，所述标记面包括标记区12和围绕定中孔16的夹紧区14。染料膜18覆盖标记区12并且对通常引导到标记区12上的激光能量敏感，以便生产可包括图形20和文本22的永久可见图像。位置跟踪标志24可由光盘驱动器未示出使用来在光盘驱动器内准确地定位CD/DVD光盘10的绝对角位置，以使得可。
28、重写图形20和/或文本22来增加对比度。此外，位置跟踪标志24可由光盘驱动器使用以便允许重写其它图形和/或文本，而不会不期望地覆写图形20和/或文本22。0041图2是现有技术的直接光盘标记类型光盘驱动系统26的示意图。在这种示例性情况下，描绘CD/DVD光盘10的截面并将它装载到由CD/DVD主轴电动机30驱动的主轴组件28上。面向激光组件32示出标记区12，所述标记区包括标记写入器激光LWL34、透镜36和聚焦致动器38。LWL34通常是激光二极管。LWL34的示例性规范包括780NM发射下350MW的最大脉冲光功率和660NM发射下300MW的最大脉冲输出功率。LWL34所发射的激光光束。
29、40由透镜36聚焦，所述透镜由聚焦致动器38朝向和远离LWL34交替地平移以便维持激光光束40到CD/DVD光盘10的标记区12上的聚焦。激光光束40通常聚焦成范围为07M左右至1M左右的直径。0042激光组件32对控制系统42作出响应，所述控制系统通过光盘驱动器接口ODI46提供控制信号44。控制系统42进一步包括中央处理器CPU48和存储器50。具有实现待写入到CD/DVD光盘10的标记区12上的永久图像所需的信息的标记图像数据LID由CPU48进行处理，所述CPU进而提供使LWL34开启或切断以便加热染料膜18来实现由LID说明书CN104125925A4/11页9定义的图像的LID流信。
30、号52。0043CPU48还通过ODI46处理LID以便向径向致动器56提供位置控制信号54，所述径向致动器使激光组件32响应于LID中含有的位置信息而相对于标记区12平移。在实施方案的一些型式中，光盘驱动系统26监控激光光束40通过光学接收器未示出的聚焦，以使得ODI46可生成用于聚焦致动器38的聚焦控制信号58。ODI46还提供用于CD/DVD主轴电动机30的电动机控制信号60，所述主轴电动机在标记写入过程正在进行中时维持CD/DVD光盘10的适当旋转速度。0044在光盘驱动系统26的一些型式中，LWL34专用于直接针对CD/DVD光盘10的标记区12的标记写入并且单独的激光二极管未示出用。
31、于将数据写入到CD/DVD光盘10的数据面62和/或读出来自所述数据面的数据。在光盘驱动系统26的其它型式中，LWL34用于标记写入和数据读出和/或写入。当LWL34用于数据读出和/或写入时，CD/DVD光盘10被翻转过来以使CD/DVD光盘10的数据面62暴露于激光光束40。在LWL34还用作数据读出/写入激光的型式中，激光组件32包括光学拾取部件未示出，如光束分散镜和至少一个光学接收器。在数据读出操作期间，LWL34的输出功率通常为3MW左右。0045为了使用光盘驱动系统26实现制作和图案化具有导电率和电化学性质高度可调的高表面积的互连波纹状碳基网络的廉价过程，用碳基膜代替燃料膜18图1。。
32、在一个实施方案中，石墨氧化物GO使用一种改进的HUMMER方法由高纯度石墨粉合成。GO在水中的分散37MG/ML随后用于在各种衬底上形成GO膜。示例性衬底包括但不限于聚对苯二甲酸乙二酯PET、硝酸纤维素膜孔径大小为04M、铝箔、碳化铝、铜箔及常规影印纸。0046参照图3，过程100从提供石墨粉64开始。石墨粉64使用改进的HUMMER方法经历氧化反应以便成为GO66步骤102。然而，应理解，用于生产GO的其它氧化方法也可用并且此类方法在本发明的范围内。剥离过程生产剥离的GO68步骤104。所述剥离过程可通过超声波作用来完成。应理解，剥离的GO68由到单个GO层的部分剥离而不是完整的剥离产生。部。
33、分剥离用于形成实现快速氧化还原反应的高的可及表面积，这实现了快速的传感器响应。另外，GO68的部分剥离提供用于使金属纳米颗粒生长的高表面积，所述金属纳米颗粒随后可用于催化。衬底70载有GO膜72，所述GO膜通过使剥离的GO68沉积到衬底70上的沉积过程产生步骤106。在至少一些实施方案中，通过使GO分散体滴涂或真空过滤到衬底70上来制作GO膜72，所述衬底是CD/DVD光盘的大小。GO膜72通常被允许在环境条件下干燥24小时。然而，控制使GO膜72暴露于相对较低湿度和相对较高温度的条件将使GO膜72相对快速地干燥。术语GO在此是指石墨氧化物。0047参照图4，随后使GO膜72中的单个附着至衬底。
34、载体74，所述衬底载体具有与CD/DVD光盘10类似的尺寸图1步骤108。将具有GO膜72的载有衬底70的衬底载体74装载到光盘驱动系统26图2中，以使得GO膜72面对用于激光处理的LWL34步骤110。以这种方式，本实施方案使用GO膜72取代染料膜18图1。应理解，衬底载体74可以是上面可直接制造有GO膜72的硬质或半硬质光盘。在所述情况下，衬底载体74代替衬底70的功能。0048将用于实现电部件78的图像76以同心圆的方式图案化，从衬底载体74的中心向外移动步骤112。激光辐照过程导致氧种类的去除和SP2碳的重建。这导致具有典型电阻20M/SQ的GO膜72的传导率发生变化，以变成多个相对高。
35、度传导性的膨胀和互连说明书CN104125925A5/11页10碳层，所述多个碳层构成互连波纹状碳基网络80。GO膜72进行激光处理的导致互连波纹状碳基网络80的传导率产生显著且可控制的变化。互连波纹状碳基网络80具有包括碳层的膨胀互连网络的高表面积和高导电率的性质组合。在一个实施方案中，多个膨胀的和互连的碳层具有大于1400M2/G的表面积。在另一个实施方案中，多个膨胀的和互连的碳层具有大于1500M2/G的表面积。在又一个实施方案中，所述表面积为约1520M2/G左右。在一个实施方案中，多个膨胀的和互连的碳层产生大于约1500S/M的导电率。在另一个实施方案中，多个膨胀的和互连的碳层产生大。
36、于约1600S/M的导电率。在又一个实施方案中，多个膨胀的和互连的碳层产生大于约1650S/M左右的导电率。在另一个实施方案中，多个膨胀的和互连的碳层产生大于约1700S/M的导电率。在又一个实施方案中，多个膨胀的和互连的碳层产生大于约1738S/M左右的导电率。此外，在一个实施方案中，多个膨胀的和互连的碳层产生大于约1700S/M的导电率和大于约1500M2/G的表面积。在另一个实施方案中，多个膨胀的和互连的碳层产生约1650S/M左右的导电率和约1520M2/G左右的表面积。0049用于制造装置84的包括电极82的电部件78在达到约1738S/M左右的相对高传导率之前，激光辐照6次。激光辐。
37、照过程花费约20分钟每周期。之后，从衬底载体74上去除载有互连波纹状碳基网络80和任何剩余GO膜72的衬底70步骤114。接下来，将互连波纹状碳基网络80制造成构成装置84的电部件78步骤116。在这种示例性情况下，互连波纹状碳基网络80在衬底70上的部分被切割成矩形段以形成电部件78，所述电部件包括由互连波纹状碳基网络80形成的电极82。0050互连波纹状碳基网络80具有仅35的非常低的含氧量。在其它实施方案中，膨胀的和互连的碳层的含氧量的范围为约1左右至约5左右。图5是互连波纹状碳基网络80的样本的线条图，所述互连波纹状碳基网络由多个膨胀的和互连的碳层构成，所述碳层包括波纹状碳层诸如单个波。
38、纹状碳薄层86。在一个实施方案中，膨胀的和互连的碳层中的每一个均包括一个原子厚的至少一个波纹状碳薄层。在另一个实施方案中，膨胀的和互连的碳层中的每一个均包括各自为一个原子厚的多个波纹状碳薄层。已发现，互连波纹状碳基网络80的厚度如根据截面扫描电子显微镜术SEM和光度测定法所测为约76M左右。在一个实施方案中，构成互连波纹状碳基网络80的多个膨胀的和互连的碳层的厚度范围为7M至8M左右。0051如对图像图案化中可能的多样性的图示一样，在图6A和图6B中示出通过GO的直接激光还原所形成的复杂图像。图6A是覆盖着电路的男性头部的艺术品图像。图6B是在图6A的艺术品图像使用本发明的激光刻划技术在GO膜。
39、上直接图案化后的所述GO膜的照片。实质上，GO膜与780NM红外激光器直接接触的任何一部分被有效地还原为互连波纹状碳基网络，其中还原量受激光强度控制；因数由碰撞在GO膜上的激光光束的功率密度来确定。图6B的所产生图像是图6A的原始图像的有效印刷。然而，在这种情况下，图6B的图像由GO膜的各种还原构成。如所预期，最暗的黑色区指示暴露于最强的激光强度，而最浅的灰色区仅仅部分还原。由于不同的灰度等级与激光强度直接相关，因此可能仅通过改变图案化过程中所使用的灰度等级来在薄层电阻/SQ的五到七个数量级范围内调节所生成互连波纹状碳基网络的电性质。如图7中所示，在薄层电阻、灰度等级以及GO膜进行辐照的次数之。
40、间存在明确的关系。可能对完全绝缘GO膜典型薄层电阻值20M/SQ到传导性互连波纹状碳基网络标示约80/SQ的薄层电阻的传导率进行控制，所述传导说明书CN104125925A106/11页11率变化为约1650S/M的传导率。本方法对图7的图表中所示的相似灰度等级之间的区别足够敏感，其中灰度等级仅仅发生小的变化，薄层电阻就会发生显著变化。另外，GO膜进行激光处理的次数导致薄层电阻产生显著且可控制的变化。每一次另外的激光处理都会降低薄层电阻如图7中所见，其中就灰度等级而言，使膜激光辐照一次黑方块、两次圆以及三次三角形。因此，可通过控制所使用的灰度等级以及膜通过激光还原的次数来调节膜的薄层电阻，这是。
41、到目前为止通过其它方法仍难以控制的性质。0052扫描电子显微术SEM技术可用于通过比较互连波纹状碳基网络与未处理石墨氧化物GO膜之间的形态学差异来了解低能量红外激光对GO膜的结构性质的影响。图8A是示出在对图像右侧激光处理后红外激光对GO膜的影响的SEM图像，这与在利用红外激光还原后出现的图像左侧上对齐的互连波纹状碳基网络形成对照。所述图像不仅给出互连波纹状碳基网络与未处理GO区域之间的明确定义，而且展示在使用本方法作为图案化和还原GO的方式时可能的精度水平。互连波纹状碳基网络的区域所述区域由于激光处理而产生可通过截面SEM进一步分析。0053图8B是示出激光处理和未处理GO膜的独立膜的截面图。
42、的SEM图像，所述图像示出GO膜厚度之间的显著差异。如图8B中的白色托架所示，与未处理GO膜的厚度相比，互连波纹状碳基网络的厚度增加约10倍。此外，多个碰撞和互连的碳层的厚度范围为7M左右至8M左右。在一个实施方案中，多个膨胀的和互连的碳层的平均厚度为76M左右。增加的厚度源于激光处理期间所生成和释放的气体的快速排气与热冲击类似，这在这些气体快速地穿过GO膜时，有效地导致还原的GO膨胀和剥离。图8C是示出单个互连波纹状碳基网络的截面图的SEM图像，所述图示出膨胀结构，所述膨胀结构是本发明的互连波纹状碳基网络的特征。0054图8D是示出图8C中波纹状碳基网络内的所选区的较大的放大率的SEM图像。。
43、图8D的SEM图像允许多个膨胀和互连碳层的厚度计算为在510NM之间。然而，构成互连波纹状碳基网络的多个膨胀的和互连的碳层中的碳层数大于100。在另一个实施方案中，多个膨胀的和互连碳层中的碳层数大于1000。在又一个实施方案中，多个膨胀的和互连碳层中的碳层数大于10,000。在另一个实施方案中，多个膨胀的和互连碳层中的碳层数大于100,000。SEM分析表明，尽管红外激光发射仅仅少量地由GO吸收，但充分的功率和聚焦即，功率密度可导致产生足够的热能来使GO膜有效地还原、去氧、膨胀和剥离。此外，互连波纹状碳基网络的表面积大于约1500M2/G。0055由于碳层中的每一个都具有2630M2/G的理论。
44、表面积，因此大于1500M2/G的表面表明碳层的几乎所有表面都是可及的。互连波纹状碳基网络具有大于17S/CM的导电率。互连波纹状碳基网络在某个波长的光射到GO的表面时形成，且随后被吸收来几乎立即转化为热量，这释放了二氧化碳CO2。示例性光源包括但不限于780NM激光、绿色激光和闪光灯。所述光源的光束发射的范围可为近红光波长至紫外线波长。互连波纹状碳基网络的典型含碳量大于97，其中剩余小于3的氧。互连波纹状碳基网络的一些样本大于99的碳，即使在空气中进行激光还原过程。0056图9比较波纹状碳基网络的粉末X射线衍射XRD图案与石墨和石墨氧化物衍射图案。石墨的典型XRD图案在图9中示出，迹线A显示。
45、2278的特征峰，D间距为另一方面，GO的XRD图案图9，迹线B展示21076的单个峰，这对说明书CN104125925A117/11页12应于的层间D间距。GO的增加的D间距是由于石墨氧化物薄层中的含氧官能团所引起的，这倾向于使水分子陷入底面之间，从而导致所述薄层膨胀和分离。波纹状碳基网络的XRD图像图9，迹线C示出存在GO10762以及与的D间距相关的25972的宽石墨峰图10C。预期在波纹状碳基网络中存在GO，因为激光具有期望穿透深度，这导致膜的仅仅顶部部分还原，而底部层不受激光影响。GO的小的存在度在较厚膜中更加突出，但在较薄膜中开始减弱。另外，还可观察26662的部分阻塞峰，所述峰示。
46、出与宽的25972峰类似的强度。所述两个峰均被认为是石墨峰，与底板之间的两个不同点阵间距相关。0057先前表明，碳纳米管CNT在玻璃碳电极上的固定化将导致产生薄的CNT膜，这直接影响了CNT改性电极的伏安性能。在铁/氰亚铁酸盐氧化还原电对中，在CNT改性电极处测得的伏安电流可能具有两种类型的供量。薄层影响是伏安电流的重要因素。薄层影响源自氰亚铁酸盐离子的氧化，所述氰亚铁酸盐离子陷入在纳米管之间。其它因素由氰亚铁酸盐朝向平面电极表面的半无限扩散而引起。不幸的是，机械信息并不容易去卷积并且需要对膜厚度的了解。0058相比之下，并没有观察到与本发明的互连波纹状碳基网络有关的任何薄层效果。图10是峰电。
47、流的LOG10对应用伏安扫描速率的LOG10的曲线图。在这种情况下，没有观察到任何薄层效果，因为所述曲线图具有053的一致斜率并且是线性的。053的斜率相对接近使用由RANDLESSEVCIK等式控制的半无限扩散模型计算出的理论值，所述等式如下所示00590060拉曼光谱学用于特征化和比较通过激光处理GO膜所诱发的结构变化。图11A至图11E是与拉曼光谱学分析有关的图表。如图11A可见，在GO以及互连波纹状碳基网络中观察特征D、G、2D和S3峰。所述两种光谱中的D带的存在表明碳SP3中心在还原后仍存在。有趣的是，互连波纹状碳基网络的光谱示出在约1350CM1下D带峰的微小增加。这种未预料到的增。
48、加是由于结构性边缘缺陷的较大存在度而引起的并且指示较小石墨域GRAPHITEDOMAIN的量的整体增加。结果与SEM分析一致，其中由激光处理所导致的剥离折叠状石墨区域图5的生成形成大量边缘。然而，D带还示出显著的总体峰变窄，这表明互连波纹状碳基网络中的缺陷类型减少。G带经历了变窄和峰强度的减少以及从1585至1579CM1的峰移位。这些结果与SP2碳的重建和底板内结构缺陷的减少一致。G带的总体变化指示从非晶质碳状态到更高程度的晶质碳状态的转换。另外，在GO通过红外激光处理后看到从约2730CM1左右到约2688CM1左右的突出和移位的2D峰，从而表明GO膜的相当大的还原并且在很大程度上指出几个。
49、层的互连石墨结构的存在。在一个实施方案中，在互连波纹状碳基网络由碳基氧化物还原后，所述互连波纹状碳基网络的2D拉曼峰值从约2700CM1左右变化为约2600CM1左右。此外，由于点阵无序，DG的组合生成S3二阶峰值所述S3二阶峰值显示为约2927CM1并且如所预期在红外激光处理后，随减小的无序而减弱。在一些实施方案中，多个膨胀的和互连的碳层具有范围为约2920CM1左右至约2930CM1左右的拉曼光谱学S3二阶峰值范围。拉曼分析展示通过红外激光处理GO的效果，作为有效地且可控制地生产互连波纹状碳基网络的方式。说明书CN104125925A128/11页130061X射线光电子光谱学XPS被用来使氧官能团上的激光照射的效果相关并且用来监控GO膜上的结构变化。将GO与互连波纹状碳基网络之间的碳氧C/O比进行比较提供对使用简单的低能量红外激光所实现的还原程度的有效测量。图11B示出在对GO膜的激光处理之前和之后C/O比之间的显著差异。在激光还原之前，典型的GO膜具有约261的C/O比，这对应于约72和38的碳/氧含量。另一方面，互连波纹状碳基网络具有965的增强的含碳量和35的减弱的氧含量，从而给出2781的总体C/O比。由于激光还原过程在环境条件下发生，因此据推测，互连波纹状碳基网络膜中。