2结果与讨论


2.1R-GO/Au复合微电极阵列的制备与形貌分析


利用双光束干涉~无掩模光刻技术制备R-GO/Au复合微电极阵列，工艺过程如图1（A）所示。利用两束波长为266 nm的激光干涉形成的场强周期性变化的光场对SU-8/GO结构进行曝光。由于SU-8具有光敏特性，在紫外曝光时会发生交联，因此代表光场强弱变化的周期性条纹被SU-8层所记录，在经历显影工艺过程之后，未曝光部分的SU-8携带其上层覆盖的GO被去除，从而获得与干涉图样相对应的周期性GO阵列。通过改变两束相干光之间的夹角可以有效地控制所制备的GO阵列的周期。利用肼蒸汽对制备的GO阵列进行脱氧还原，从而获得R-GO阵列。为了进一步提高R-GO微电极的导电性，利用物理气相沉积工艺在微电极表面蒸镀一层超薄Au薄膜。在蒸镀Au薄膜之前，R-GO微结构之间的凹槽处为裸露的玻璃衬底，在蒸镀Au薄膜的过程中，由于Au与玻璃衬底之间表面能的失配，沉积在R-GO条纹之间的超薄Au薄膜按照“Volmer-Weber”生长模式形成不连续的岛状结构，其导电性很差，与R-GO/Au复合薄膜相比，其导电性可以忽略。因此在本实验中，不考虑微结构之间凹槽处的超薄Au薄膜对R-GO/Au复合微电极阵列的影响。

利用原子力显微镜（AFM）[图1（B,C）]和扫描电子显微镜（SEM）[图1（D）]对制备的R-GO/Au复合微电极阵列的表面形貌进行了表征。可以看出，利用双光束干涉~无掩模光刻技术制备的周期性R-GO/Au复合微电极阵列的形貌均一，周期性良好。制备的R-GO/Au复合微电极阵列周期为2μm.从局部放大扫描的AFM图[图1（C）]中可以看出，在凸起的微结构表面存在一些宽度约为几十纳米的褶皱，这些褶皱结构是由于R-GO片状结构的堆叠以及边缘的卷曲造成的。图1（E）给出了微结构阵列的高度轮廓图。可以看出，微结构高度约为110 nm.以上结果证明采用双光束干涉~无掩模光刻技术可以有效地制备周期性R-GO/Au复合微电极阵列，并且通过改变入射光夹角可以制备不同周期的R-GO/Au复合微电极阵列。

2.2R-GO/Au复合微电极阵列的光电特性

2.2.1R-GO/Au复合微电极阵列的透光率

在可见光波段（400——750 nm）的透过率是评判透明电极的重要指标之一。为了考察R-GO/Au微电极的光学性能，首先测量了GO、R-GO薄膜以及不同厚度的Au薄膜在可见光波段的透过率，结果如图3（A）和（B）所示。厚度分别为10,15和20 nm的GO薄膜具有很高的透过率，在可见光波段的透过率大于90%.尽管经过肼蒸汽还原后R-GO薄膜的透过率有所下降，但是10 nm厚的R-GO薄膜在可见光波段的透过率仍然大于80%.从Au薄膜的透过率曲线可以看出，超薄Au薄膜在可见光波段透过率较高，随着Au厚度的增加其透过率逐渐下降。图3（C）——（E）给出了不同R-GO和Au厚度的R-GO/Au复合电极的透过率曲线，为了避免微图案化阵列对电极透过率的影响，在表征复合电极透过率的过程中采用大面积无微图案化的R-GO/Au样品。图3（F）给出R-GO、Au以及R-GO/Au复合薄膜在550 nm波长下的透过率。可以看出，与R-GO薄膜以及Au薄膜相比，复合电极的透过率有所下降，并且与R-GO以及Au的厚度有直接的关联，以R-GO（10 nm）/Au（4 nm）样品为例，其对550 nm波长光的透过率为70%,这样较高的透过率可以满足透明/半透明电极的要求。如果进一步考虑微图案化阵列对微电极透过率的影响，可以预期R-GO/Au复合微电极阵列整体在可见光波段具有更高的透过率。

2.2.2R-GO/Au复合微电极阵列的导电性

利用四探针测量电阻的方法对R-GO/Au复合微电极的电学性能进行了评估，测试了R-GO/Au复合微电极在不同R-GO和Au厚度时的表面电阻（Rs），结果如图4（A）所示。在R-GO电极上引入Au薄膜可以有效提高其导电性，并且Rs与复合电极薄膜的厚度紧密相关，随着R-GO和Au厚度的增加，Rs迅速降低，当复合电极中R-GO和Au的厚度分别为20和7 nm时，复合电极的Rs约为35Ω/□。单独的Au薄膜由于在沉积过程中按照“Volmer-Weber”模式生长，形成不连续的岛状结构，所以在只有几纳米厚的条件下，其电阻率非常大。从图4（A）中可以看出，在厚度小于5 nm时，Au薄膜几乎不导电，5 nm厚的Au薄膜的表面电阻Rs平均约为17 kΩ/□，而5 nm的Au与R-GO复合电极的Rs约为0.5 kΩ/□，Rs（Au）比Rs（R-GO/Au）高2个数量级；虽然增加Au薄膜的厚度可以有效地减少Rs（Au），但是Rs（Au）依旧比Rs（R-GO/Au）高1——2个数量级，直到Au的厚度增加到8 nm以上时，Rs（Au）与Rs（R-GO/Au）才比较相近。图4（B）给出了R-GO/Au复合电极的表面电阻和透过率的关系曲线，根据实际器件中透明电极对表面电阻和透过率的需求，结合图4（B）可以对复合电极各层的厚度进行设计。


2.3基于R-GO/Au复合微电极阵列的OPVs器件的表征


为了进一步对R-GO/Au复合微电极阵列的光电性能进行评估，利用复合微电极阵列作为半透明阳极制备了OPVs,器件结构为复合微电极阵列/MoO3/PCDTBT∶PC71BM/LiF/Al/Ag[如图5（A）所示].采用的复合微电极阵列中R-GO的厚度为10 nm,Au的厚度为7 nm,相应复合电极的表面电阻为56Ω/□，对于550 nm波长光的透过率为59%.对制备的基于R-GO/Au复合微电极阵列的OPVs器件的性能进行了表征[图5（B）],器件的开路电压为0.82 V,短路电流密度为9.05 mA/cm2,填充因子为46.31%,光电转换效率为3.43%.由实验结果可以看出，所制备的周期性R-GO/Au复合微电极阵列具有较好的光电性能，能够满足透明电极的要求，可以应用于微器件中。

3结论


以Hummers法合成的氧化石墨烯为原料，利用双光束干涉~无掩模技术制备周期性微结构的GO阵列，然后结合肼蒸汽还原和物理气相沉积Au薄膜工艺制备了形貌均一、周期可控的R-GO/Au复合微电极阵列。在可见光波段的透过率和表面电阻的表征结果表明，R-GO/Au复合微电极阵列具有良好的光电特性，引入超薄Au薄膜实现了在透过率未明显减少的情况下大幅度提升电极的导电性。基于R-GO/Au复合微电极制备的OPVs器件的光电转换效率为3.43%.采用本文方法制备的周期性R-GO/Au复合微电极阵列的光电性能满足透明电极的要求，可以应用于微器件中。