2結(jié)果與討論

2.1R-GO/Au復(fù)合微電極陣列的制備與形貌分析

利用雙光束干涉~無(wú)掩模光刻技術(shù)制備R-GO/Au復(fù)合微電極陣列，工藝過(guò)程如圖1（A）所示。利用兩束波長(zhǎng)為266 nm的激光干涉形成的場(chǎng)強(qiáng)周期性變化的光場(chǎng)對(duì)SU-8/GO結(jié)構(gòu)進(jìn)行曝光。由于SU-8具有光敏特性，在紫外曝光時(shí)會(huì)發(fā)生交聯(lián)，因此代表光場(chǎng)強(qiáng)弱變化的周期性條紋被SU-8層所記錄，在經(jīng)歷顯影工藝過(guò)程之后，未曝光部分的SU-8攜帶其上層覆蓋的GO被去除，從而獲得與干涉圖樣相對(duì)應(yīng)的周期性GO陣列。通過(guò)改變兩束相干光之間的夾角可以有效地控制所制備的GO陣列的周期。利用肼蒸汽對(duì)制備的GO陣列進(jìn)行脫氧還原，從而獲得R-GO陣列。為了進(jìn)一步提高R-GO微電極的導(dǎo)電性，利用物理氣相沉積工藝在微電極表面蒸鍍一層超薄Au薄膜。在蒸鍍Au薄膜之前，R-GO微結(jié)構(gòu)之間的凹槽處為裸露的玻璃襯底，在蒸鍍Au薄膜的過(guò)程中，由于Au與玻璃襯底之間表面能的失配，沉積在R-GO條紋之間的超薄Au薄膜按照“Volmer-Weber”生長(zhǎng)模式形成不連續(xù)的島狀結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)電性很差，與R-GO/Au復(fù)合薄膜相比，其導(dǎo)電性可以忽略。因此在本實(shí)驗(yàn)中，不考慮微結(jié)構(gòu)之間凹槽處的超薄Au薄膜對(duì)R-GO/Au復(fù)合微電極陣列的影響。

利用原子力顯微鏡（AFM）[圖1（B,C）]和掃描電子顯微鏡（SEM）[圖1（D）]對(duì)制備的R-GO/Au復(fù)合微電極陣列的表面形貌進(jìn)行了表征?？梢钥闯?，利用雙光束干涉~無(wú)掩模光刻技術(shù)制備的周期性R-GO/Au復(fù)合微電極陣列的形貌均一，周期性良好。制備的R-GO/Au復(fù)合微電極陣列周期為2μm.從局部放大掃描的AFM圖[圖1（C）]中可以看出，在凸起的微結(jié)構(gòu)表面存在一些寬度約為幾十納米的褶皺，這些褶皺結(jié)構(gòu)是由于R-GO片狀結(jié)構(gòu)的堆疊以及邊緣的卷曲造成的。圖1（E）給出了微結(jié)構(gòu)陣列的高度輪廓圖。可以看出，微結(jié)構(gòu)高度約為110 nm.以上結(jié)果證明采用雙光束干涉~無(wú)掩模光刻技術(shù)可以有效地制備周期性R-GO/Au復(fù)合微電極陣列，并且通過(guò)改變?nèi)肷涔鈯A角可以制備不同周期的R-GO/Au復(fù)合微電極陣列。

2.2R-GO/Au復(fù)合微電極陣列的光電特性

2.2.1R-GO/Au復(fù)合微電極陣列的透光率

在可見(jiàn)光波段（400——750 nm）的透過(guò)率是評(píng)判透明電極的重要指標(biāo)之一。為了考察R-GO/Au微電極的光學(xué)性能，首先測(cè)量了GO、R-GO薄膜以及不同厚度的Au薄膜在可見(jiàn)光波段的透過(guò)率，結(jié)果如圖3（A）和（B）所示。厚度分別為10,15和20 nm的GO薄膜具有很高的透過(guò)率，在可見(jiàn)光波段的透過(guò)率大于90%.盡管經(jīng)過(guò)肼蒸汽還原后R-GO薄膜的透過(guò)率有所下降，但是10 nm厚的R-GO薄膜在可見(jiàn)光波段的透過(guò)率仍然大于80%.從Au薄膜的透過(guò)率曲線可以看出，超薄Au薄膜在可見(jiàn)光波段透過(guò)率較高，隨著Au厚度的增加其透過(guò)率逐漸下降。圖3（C）——（E）給出了不同R-GO和Au厚度的R-GO/Au復(fù)合電極的透過(guò)率曲線，為了避免微圖案化陣列對(duì)電極透過(guò)率的影響，在表征復(fù)合電極透過(guò)率的過(guò)程中采用大面積無(wú)微圖案化的R-GO/Au樣品。圖3（F）給出R-GO、Au以及R-GO/Au復(fù)合薄膜在550 nm波長(zhǎng)下的透過(guò)率。可以看出，與R-GO薄膜以及Au薄膜相比，復(fù)合電極的透過(guò)率有所下降，并且與R-GO以及Au的厚度有直接的關(guān)聯(lián)，以R-GO（10 nm）/Au（4 nm）樣品為例，其對(duì)550 nm波長(zhǎng)光的透過(guò)率為70%,這樣較高的透過(guò)率可以滿足透明/半透明電極的要求。如果進(jìn)一步考慮微圖案化陣列對(duì)微電極透過(guò)率的影響，可以預(yù)期R-GO/Au復(fù)合微電極陣列整體在可見(jiàn)光波段具有更高的透過(guò)率。

2.2.2R-GO/Au復(fù)合微電極陣列的導(dǎo)電性

利用四探針測(cè)量電阻的方法對(duì)R-GO/Au復(fù)合微電極的電學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)估，測(cè)試了R-GO/Au復(fù)合微電極在不同R-GO和Au厚度時(shí)的表面電阻（Rs），結(jié)果如圖4（A）所示。在R-GO電極上引入Au薄膜可以有效提高其導(dǎo)電性，并且Rs與復(fù)合電極薄膜的厚度緊密相關(guān)，隨著R-GO和Au厚度的增加，Rs迅速降低，當(dāng)復(fù)合電極中R-GO和Au的厚度分別為20和7 nm時(shí)，復(fù)合電極的Rs約為35Ω/□。單獨(dú)的Au薄膜由于在沉積過(guò)程中按照“Volmer-Weber”模式生長(zhǎng)，形成不連續(xù)的島狀結(jié)構(gòu)，所以在只有幾納米厚的條件下，其電阻率非常大。從圖4（A）中可以看出，在厚度小于5 nm時(shí)，Au薄膜幾乎不導(dǎo)電，5 nm厚的Au薄膜的表面電阻Rs平均約為17 kΩ/□，而5 nm的Au與R-GO復(fù)合電極的Rs約為0.5 kΩ/□，Rs（Au）比Rs（R-GO/Au）高2個(gè)數(shù)量級(jí)；雖然增加Au薄膜的厚度可以有效地減少Rs（Au），但是Rs（Au）依舊比Rs（R-GO/Au）高1——2個(gè)數(shù)量級(jí)，直到Au的厚度增加到8 nm以上時(shí)，Rs（Au）與Rs（R-GO/Au）才比較相近。圖4（B）給出了R-GO/Au復(fù)合電極的表面電阻和透過(guò)率的關(guān)系曲線，根據(jù)實(shí)際器件中透明電極對(duì)表面電阻和透過(guò)率的需求，結(jié)合圖4（B）可以對(duì)復(fù)合電極各層的厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3基于R-GO/Au復(fù)合微電極陣列的OPVs器件的表征

為了進(jìn)一步對(duì)R-GO/Au復(fù)合微電極陣列的光電性能進(jìn)行評(píng)估，利用復(fù)合微電極陣列作為半透明陽(yáng)極制備了OPVs,器件結(jié)構(gòu)為復(fù)合微電極陣列/MoO3/PCDTBT∶PC71BM/LiF/Al/Ag[如圖5（A）所示].采用的復(fù)合微電極陣列中R-GO的厚度為10 nm,Au的厚度為7 nm,相應(yīng)復(fù)合電極的表面電阻為56Ω/□，對(duì)于550 nm波長(zhǎng)光的透過(guò)率為59%.對(duì)制備的基于R-GO/Au復(fù)合微電極陣列的OPVs器件的性能進(jìn)行了表征[圖5（B）],器件的開(kāi)路電壓為0.82 V,短路電流密度為9.05 mA/cm2,填充因子為46.31%,光電轉(zhuǎn)換效率為3.43%.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，所制備的周期性R-GO/Au復(fù)合微電極陣列具有較好的光電性能，能夠滿足透明電極的要求，可以應(yīng)用于微器件中。

3結(jié)論

以Hummers法合成的氧化石墨烯為原料，利用雙光束干涉~無(wú)掩模技術(shù)制備周期性微結(jié)構(gòu)的GO陣列，然后結(jié)合肼蒸汽還原和物理氣相沉積Au薄膜工藝制備了形貌均一、周期可控的R-GO/Au復(fù)合微電極陣列。在可見(jiàn)光波段的透過(guò)率和表面電阻的表征結(jié)果表明，R-GO/Au復(fù)合微電極陣列具有良好的光電特性，引入超薄Au薄膜實(shí)現(xiàn)了在透過(guò)率未明顯減少的情況下大幅度提升電極的導(dǎo)電性?；赗-GO/Au復(fù)合微電極制備的OPVs器件的光電轉(zhuǎn)換效率為3.43%.采用本文方法制備的周期性R-GO/Au復(fù)合微電極陣列的光電性能滿足透明電極的要求，可以應(yīng)用于微器件中。