石墨烯触摸屏技术应用初探

【摘要】石墨烯凭借其高导电性、高韧度、高强度、高透明度、超大比表面积等优势成为新兴产业中的新兴材料，技术含量高，应用前景广，可以大幅提升原产品的优异性能。由石墨烯替代ITO制作而成的柔性触摸屏能够实现手机与平板电脑的完美统一，将带来消费电子领域划时代的变革。但触摸屏对石墨烯的面积要求大，目前大规模制备技术尚不成熟，且成本较高。本文分析了石墨烯的结构和性质，给出了石墨烯触摸屏的制备流程、工作机理、性能及发展现状。我们期待随着对其研究的深入，降低制备成本，提高生产效率，加快商业化进程。

【关键词】石墨烯;触摸屏;CVD;ITO;电阻式;电容式;发展现状

1.引言

人类对石墨烯的认识有一个发展变化的过程。传统理论曾一度错误地认为“石墨烯是假设性的结构，无法单独稳定地存在”。直至2004年，英国曼彻斯特大学安德烈・海姆和康斯坦丁・诺沃肖洛夫两位物理学家成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实石墨烯可以单独存在，并非假设性的结构。两人也因此项杰出研究成果共同荣获2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯从此进入大众视野，成为新材料家族中耀眼的明珠，甚至有人预言石墨烯将成为“改变21世纪的材料”。

近年来，众多科研人员对石墨烯的应用开展了广泛而深入的研究。由石墨烯替代ITO制作而成的柔性触摸屏能够实现手机与平板电脑的完美统一，使人机交互更加人性化。在不久的将来，如能实现石墨烯的低成本批量生产，石墨烯触摸屏将会凭借其优异的性能和适中的价格进入市场走向千家万户，将带来消费电子领域划时代的变革。

2.石墨烯概述

2.1 结构

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的二维纳米新材料，是由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，看上去近似一张六边形网格构成的平面，如图1所示。

图1

2.2 机械特性

石墨烯是迄今为止世界上已知的最薄、最坚硬的二维纳米材料，比钻石还要坚硬，强度比世界上最优质的钢材还要高上百倍。石墨烯因其拥有完美的对称正六边形结构，非常稳定，而且各个碳原子之间的连接很柔韧，所以即使受到外力的冲击，也可以通过弯曲变形来维持稳定。

2.3 光学特性

石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。由于石墨烯实质上是一种透明的优良导体，故适合用来制造透明触控屏幕、光板，甚至是太阳能电池等。

2.4 热学性能

石墨烯的导热系数高达5300 W/m・K，高于碳纳米管和金刚石。

2.5 电学性能

石墨烯具有独特的线性电子能带结构，其传导电子是无质量的狄拉克费米子。电子在石墨烯中运动几乎没有什么阻力，电子迁移率超过15000 cm2/V・s，比纳米碳管或硅晶体高，是迄今为止世界上已知的电阻率最小的材料。因其具有电阻率极低、电子迁移率极高的特点，人类迫切期待利用石墨烯研发更轻更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。

2.6 表征

制备出来的石墨烯的形貌结构、质量由透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）等进行表征。

2.6.1 透射电子显微镜（TEM）

透射电子显微镜可以实现微区物相分析，具有高的图像分辨率（0.1～0.2nm），可以获得立体丰富的信息。相对于石墨烯的其他表征手段而言，高分辨透射电子显微镜表征是唯一能够直观地数出石墨烯层数的方法，此外，通过层结构的连续性还能够判断石墨烯材料的质量。

2.6.2 原子力显微镜（AFM）

原子力显微镜是具有原子级高分辨率的表面观测仪器。当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升。因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息。

如果图片颜色均一，则说明制备的石墨烯厚度非常均一。如果存在褶皱，原因可能是石墨烯生长完后的降温过程中，由于铜和石墨烯的热膨胀系数不一样而导致的，并且在将石墨烯从铜上转移到基底上的时候也可能引起褶皱。

3.石墨烯触摸屏的制备和工作原理

3.1 石墨烯的制备和转移

通常情况下，制备的石墨烯是黏附在金属表面的，这样无法对石墨烯进行很好的表征，并且对石墨烯在器件方面的实用化来说也是一个阻碍，所以还需要将石墨烯从金属上转移到高分子薄膜基底上。

3.1.1 石墨烯制备方法概述

石墨烯的制成需要有尖端的制备工艺，目前世界上大约研究出五六种石墨烯制备方法，各有其优缺点。微机械剥离法可以制备出高质量的石墨烯，但存在制备成本高、产出率低这一先天性的不足，无法满足工业化和规模化生产的要求，目前这种方法只能用于实验室小规模制备;氧化还原法工艺虽然较为简单，但大量制备容易带来废液污染，有违绿色发展的理念;溶剂剥离法虽然可以制备高质量的石墨烯，但是产出率也很低;溶剂热法虽然可以实现石墨烯的规模化制备，但电导率很低;化学气相沉积法（CVD）操作过程相对简单易行，以含碳化合物为碳源，高温下在基底上催化分解，所制备的石墨烯结晶度高，较易于转移到多种基底上使用，最有可能实现低成本、高产出、规模化、层数可控、大面积制备高质量石墨烯，因此该方法被广泛用于制备透明导电电极用的石墨烯薄膜材料。

3.1.2 CVD法制备石墨烯

由于碳在1000摄氏度时会蒸发，而且碳在铜中的可溶性非常低，碳原子将一个接一个地排列在几厘米宽的铜箔上，同时，其在多晶铜机制上可以达到大的结晶尺寸的能力。因此，利用铜箔可以进行大面积石墨烯的制造。如图2所示，把一块铜箔盘绕在一个圆柱体上，并将其放置在高温炉中。碳原子携带着被加热了的氢原子和甲烷流，沉淀在铜箔上而成为一个统一的单层，即石墨烯。生长在铜箔上的石墨烯首先和热剥离型胶带（蓝色透明部分）粘在一起，然后用化学的方法把铜箔溶解掉，最后用加热的方法把石墨烯转移到聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜上。

图2

上述方法在转移过程中可能会破坏和污染石墨烯，因此我们来讨论另外一种转移方法。如图3所示，制造一种金属面夹心板，使石墨烯沉淀在金属的两面而不像原来一样只在一面。将夹心板附着在一块玻璃上。剥离金属和石墨烯，石墨烯就直接留在了玻璃上， 这种方法大幅提升了转移过程的效率。

图3

3.2 石墨烯触摸屏的分类及工作原理

3.2.1 触摸屏分类

触摸屏是目前最简便、自然的一种人机交互方式，赋予了多媒体崭新的面貌。根据触摸屏的工作原理，可将其分为以下几类：（1）红外线技术触摸屏。这种触摸屏价格低廉，但其外框易碎，容易产生光干扰，曲面情况下失真。（2）表面声波触摸屏。这种触摸屏清晰且不容易被损坏，适于各种场合，但缺点是屏幕表面如果有水滴和尘土会导致触摸屏变得迟钝，甚至不工作。（3）电阻式触摸屏。这种触摸屏容易被刮伤，使用寿命较短;透光率不佳，增加了耗电量;反应速度较慢;价格较高。（4）电容式触摸屏。这种触摸屏分为表面电容式和投射电容式。后者性能更好，但成本也较高。

石墨烯作为一种透明的导电材料充当电极，是触摸屏的核心组成部分。目前研发的石墨烯触摸屏主要是电阻式触摸屏和电容式触摸屏。

3.2.2 电阻式石墨烯触摸屏原理

图4

如图4所示，石墨烯上适当的位置印有银电极，这些银电极把材料划分成若干区域，区域内绝缘点阵规则排布。触摸屏由上下两层粘在PET薄膜上的石墨烯构成，没有接触的情况下，两层石墨烯被下层上放置的绝缘点阵阻隔而互不接触。当外界压力存在的时候，PET薄膜和石墨烯在压力下发生形变，这样上下两层石墨烯接触后因导电而造成电阻的变化。接触的位置不同，器件边缘电极收集到的电信号也不一样，通过对电信号的分析，就可以确定是触摸屏上的哪个位置发生了接触。（下转第81页）（上接第79页）

3.2.3 电容式触摸屏原理

电容式触控技术原理类似电阻式，但使用电容值而非电阻值作为计算量以决定触摸位置。

如图5所示，表面电容式触摸屏使用上下两电极作为电容，当手指触摸屏表面时，就会有一定量的电荷转移到人体。为了恢复这些电荷损失，电荷从屏幕的四角补充进来，各方向补充的电荷量和触摸点的距离成比例，可以由此推算出触摸点的位置。

图5

如图6所示，投射电容式触摸屏以蚀刻方式将上下电极细分成X轴、Y轴交叉分布的电容矩阵，使得触碰时除了表面会形成电容之外，也会造成XY轴交会处之间电容值的变化。因此通过扫描X、Y轴即可侦测到触碰位置的电容变化，进而计算触摸点所在的位置。

图6

4.石墨烯触摸屏的性能及发展

4.1 传统材料：氧化铟锡（ITO）

氧化铟锡主要的特性是其电学传导和光学透明的组合，因此可以用来制作触摸屏。薄膜沉积时，高浓度电荷载流子将会增加材料的电导率，但会降低它的透明度，这就需要进行权衡。

氧化铟锡要用到铟，这是一种稀土材料，而且这种材料质地脆、延展性差、易碎、有毒、难以回收，并且制作电极过程中需要在真空中层沉积，致命缺点多，且成本比较高。

4.2 新材料：石墨烯

石墨烯触摸屏与ITO相比具有“一低、一高、两更”的诸多优势，：（1）低成本。石墨烯主要是由碳、氢、氧这些常见的元素组成，在资源上几乎可以说是“取之不尽，用之不竭”，而且石墨烯制备较ITO成本低。（2）高性能。石墨烯只有0.34纳米厚，它只吸收约2.3%的光，能做到几乎完全透光，并且具有很高的电导率。（3）更柔韧。石墨烯具备很好的柔性，在一定程度上可以弯曲折叠，不会对屏幕造成损害。（4）更环保。石墨烯触摸屏合成对环境无害，需要的资源少，符合可持续发展、绿色发展的理念。

总而言之，石墨烯触摸屏透光率更高、功耗更低、性能更稳定，而且更轻更薄。

5.石墨烯触摸屏发展面临的问题

5.1 大面积、高质量的制备

目前批量生产石墨烯的方式主要是两种：一种是利用化学气相沉积法在金属表面生长出单层率很高、面积很大的石墨烯薄膜材料;一种是将天然石墨通过物理或者化学的方法粉碎，形成石墨烯粉体，看起来就是很细的黑色粉末。要想实现石墨烯制备的产业化，前提是必须通过广泛、深入的研究，实现石墨烯低成本、大批量、高质量的生产。

5.2 快速高效的转移

生产石墨烯以及把石墨烯从铜箔上取下来，总体来说是一个复杂的过程，每一道工序都要在无尘的环境中完成。如果能够建成生产流水线并且找到更快更好的转移方法，那么就可以大大提高生产效率。

5.3 “3D版本的石墨烯”――砷化镉

虽然石墨烯优点突出，但其独特的单层原子结构也为原料的大规模生产和实用产品的制造设置了障碍。2014年，牛津大学、美国斯坦福大学等科学家发现砷化镉在电气性能上可以被看作是石墨烯的3D版，更易用于构建复杂的硬件，也易于制备和工作。当然，未来砷化镉能否在某些应用领域取代石墨烯还是未知的，我们须且研究且探索。

6.总结

每一种新材料创新和改进的背后都充满了丰富的想象力和无尽的挑战。我们需要在探索前进的过程中，不断发展大规模、低成本、大面积、结构与性能可调控的制备技术，努力开拓石墨烯应用的光明前景，不断谱写石墨烯应用的华丽篇章。

参考文献

[1]韩首次用石墨烯成功制得柔性透明触摸屏[J].发明与创新（综合科技），2010，08：35.

[2]赵进.化学气相沉积法制备石墨烯及其结构、性能调变[D].南京邮电大学，2012.

[3]牛禄青.石墨烯：开启碳时代[J].新经济导刊，2013，（8）：50-53.

[4]史永胜，刘丹妮，曹中林，马猛飞，杨巍巍.石墨烯柔性透明导电薄膜的制备[J].液晶与显示，2013，02：166-172.