[發明專利]一種通過調控結合力轉移大面積石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201410709278.6
• 申請日: 2015-08-02
• 公開（公告）號: CN104495806A
• 公開（公告）日: 2015-07-29
• 發明（設計）人: 任文才;馬來鵬;成會明
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

技術領域:

本發明涉及石墨烯的轉移技術，具體為一種通過調控結合力轉移大面積石墨烯的方法。

背景技術:

石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂窩狀晶體結構，是構建其他維數炭材料(零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨)的基本結構單元。石墨烯獨特的晶體結構使它具有優異的電學、熱學和力學性能，如室溫下其電子遷移率高達200,000cm²/V·s，熱導率高達5300W/m·k，可望在多功能納電子器件、透明導電膜、復合材料、催化材料、儲能材料、場發射材料、氣體傳感器及氣體存儲等領域獲得廣泛應用。為了綜合利用石墨烯的眾多優異特性，高質量石墨烯的制備及將石墨烯轉移到特定基體上變得至關重要。自2004年英國曼徹斯特大學的研究組采用膠帶剝離法(或微機械剝離法)首次分離獲得穩定存在的石墨烯后，很多制備石墨烯的方法陸續被發展起來，包括化學氧化剝離法、析出生長法和化學氣相沉積(CVD)法。由于相對簡單的制備過程，且產量較大，化學氧化剝離法制得的石墨烯已經被廣泛用于復合材料、柔性透明導電薄膜以及儲能電極材料等。但是，化學剝離石墨烯的質量較差，存在大量結構缺陷，而且難以控制石墨烯的尺寸和層數等結構特征。CVD方法是目前可控制備大面積、高質量石墨烯的主要方法。通過控制溫度、碳源和壓力等制備條件，可以實現在多種基體材料表面(金屬和非金屬)生長出大面積、高質量的石墨烯。對于石墨烯的表征、物性測量以及應用研究而言，通常需要將石墨烯放置在除制備基體之外的特定基體上，并希望在轉移過程中大面積、高質量的石墨烯不產生破損。因此，發展大面積、高質量石墨烯的無損轉移方法對于推動石墨烯材料的研究乃至應用具有重要的作用和意義。

根據石墨烯與目標基體的結合力不同，大面積石墨烯的轉移方法可以分為兩大類：范德華力轉移與粘接力轉移。在轉移效果方面，兩種方法各有優勢和局限。前者在轉移過程中使用轉移介質膜作為大面積石墨烯的結構支撐層，在將石墨烯向目標基體轉移的過程中，通過使用低表面能的轉移介質或弱化轉移介質與石墨烯的作用力，實現石墨烯與目標基體結合并與轉移介質分離。典型的轉移介質膜如：聚二甲基硅氧烷(PDMS)等具有良好的化學穩定性和力學性能，并可轉移多層石墨烯；而且目標基體上的石墨烯具有低的表面粗糙度。然而，由于石墨烯分別與目標基體和轉移介質之間范德華結合力的差異較小，石墨烯與目標基體結合后剝離轉移介質的過程易導致石墨烯破損。后者直接采用目標基體作為大面積石墨烯的結構支撐層，通過膠粘劑實現石墨烯與目標基體的結合。由于使用膠粘劑，石墨烯與目標基體的結合力較高，有利于提高轉移的可控性。但是，在分離石墨烯與初始基體的溶液處理中(例如化學蝕刻基體或電解水鼓泡剝離)，因為膠粘劑在溶液中的化學穩定性相對較低，典型的工藝過程均造成膠粘劑的表面形貌和結構產生不同程度的改變，從而造成石墨烯破損。而且溶液耐受性較高的膠粘劑通常在固化后無法再次粘接，所以不適用于轉移多層石墨烯。此外，大面積石墨烯的初始基體多為多晶金屬箔片，膠粘劑在轉移過程中復制了多晶金屬的粗糙表面形貌，導致目標基體上石墨烯的粗糙度顯著增大。

綜上，上述兩種方法雖然在轉移大面積石墨烯方面各有優點，但轉移的完整性和可控性均存在明顯不足。

發明內容:

本發明的目的在于提供一種通過調控結合力轉移大面積石墨烯的方法，通過增大石墨烯分別與轉移介質和目標基體之間結合力的差異提高大面積石墨烯的轉移完整性和可控性的方法，適用于轉移導體或半導體基體表面的大面積單層、雙層、少層或多層石墨烯。

本發明的技術方案是：

一種通過調控結合力轉移大面積石墨烯的方法，該方法通過增大石墨烯分別與轉移介質和目標基體之間結合力的差異，提高大面積石墨烯的轉移完整性和可控性；首先在位于初始基體的大面積石墨烯表面形成轉移介質，所使用的轉移介質與石墨烯之間為弱結合力或者可以降低為弱結合力；然后將“轉移介質/石墨烯”復合膜與初始基體分離；再通過高粘接力的膠粘劑將“轉移介質/石墨烯”復合膜的石墨烯表面與目標基體結合；最后，直接將轉移介質與石墨烯剝離，或者降低兩者之間的結合力后進行剝離，從而實現石墨烯到目標基體的轉移；采用轉移介質作為轉移石墨烯過程中的支撐層，同時采用高粘接力的膠粘劑提高石墨烯與目標基體的結合，既提高大面積石墨烯在轉移中的結構完整性，又易于轉移多層石墨烯；具體步驟如下：

(1)位于初始基體表面的石墨烯與轉移介質結合，并將“轉移介質/石墨烯”復合膜與初始基體分離；

(2)通過膠粘劑將“轉移介質/石墨烯”復合膜的石墨烯表面與目標基體結合；