[發明專利]一種轉移二維層狀薄膜的設備及其應用

在審

• 申請號: 201710453279.2
• 申請日: 2017-06-15
• 公開（公告）號: CN107263994A
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 徐明生
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B32B37/00
• 分類號: B32B37/00;C01B32/194
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司33224
• 代理人: 陳華

技術領域

本發明涉及層狀薄膜的轉移領域，具體涉及一種轉移二維層狀薄膜的設備及其應用。

背景技術

由于其獨特的物理、化學、光電子等性能，二維的層狀材料不僅受到學術界，而且也受到工業界的廣泛關注。二維層狀納米材料包括石墨烯薄膜、金屬硫族化合物(metal chalcogenides)、氮化硼(boron nitride)薄膜、硅烯(silicene)薄膜、鍺烯(germanene)薄膜或元素周期表中第四主族的其它元素構成的類石墨烯薄膜等，詳見相關文獻報導[Chem.Rev.113,3766(2013)；Nature 499,419(2013)；Chem.Rev.117,6225(2017)]，這類層狀納米材料具有非常廣泛的應用前景。

目前，現有技術中能夠大面積地制備石墨烯薄膜、氮化硼薄膜以及硫化鉬薄膜等二維層狀薄膜的方法主要包括化學氣相沉積法(CVD)、碳偏析(surface segregation)法以及物理氣相沉積方法(ZL201010249002.6)。同時制備高質量的二維層狀薄膜往往都需要特定的催化襯底如Ni、Cu、Ru、Pt、Pd、Au、Co和SiO₂等，而不是在任何襯底上都可以合成高質量的二維層狀薄膜。這意味著應用二維層狀薄膜時，需要將在一定的催化襯底上合成的二維層狀薄膜轉移到應用時的目標襯底(ZL201210277736.4)。比如如果需要將石墨烯應用于場效應晶體管，就必須將在一定催化層如銅箔、鎳膜等上合成的石墨烯薄膜轉移到目標襯底如SiO₂、HfO₂或h-BN(氮化硼)等絕緣層上。

目前，最普遍的轉移石墨烯薄膜等二維層狀薄膜的方法是基于腐蝕催化襯底的方法，同時為了能夠發現所需要轉移的二維層狀薄膜在哪個位置，往往需要在所合成的二維層狀薄膜表面上旋涂由聚合物組成的保護層或支撐層，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA:poly(methyl methacrylate)[Li XS et al.Transfer of Large-Area Graphene Films for High-Performance Transparent Conductive Electrodes.Nano Lett.2009,9(12),4359-4363]。這樣，當催化襯底被腐蝕掉后，手動使用目標襯底將具有保護層的二維層狀薄膜從腐蝕液中撈出，然后再將聚合物保護層腐蝕掉，從而使二維層狀薄膜轉移到目標襯底上。

因單層的二維薄膜的厚度為原子級，由一層層疊加形成的二維層狀薄膜的厚度往往也只能是約10nm，因此如果沒有先進的設備及工藝技術，轉移時容易導致二維層狀薄膜破損。在腐蝕催化襯底過程中以及在去除聚合物保護層(支撐層)時，由于固態的聚合物保護層與二維層狀薄膜之間具有較強的接觸力會產生應力，從而導致轉移過程對二維層狀薄膜產生損傷；另外，這種聚合物很難完全去除掉。損傷以及聚合物殘留嚴重影響二維層狀薄膜的性能，制約了二維層狀薄膜的實際應用。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種轉移二維層狀薄膜的設備及其應用，該設備可以自然無損傷地轉移二維層狀薄膜。

本發明所提供的技術方案為：

一種轉移二維層狀薄膜的設備，包括容器和設置在容器內的多孔性隔離膜；

所述多孔性隔離膜將容器分成上下兩個區域，多孔性隔離膜上設置有目標襯底；

所述容器設有液體進口和液體出口，容器使用時由液體進口通入包括至少一種用于腐蝕二維層狀薄膜的催化襯底的腐蝕液體，所述腐蝕液體沒過目標襯底。

上述技術方案中，合成在催化襯底上的二維層狀薄膜自然地漂浮于腐蝕液體的液面上，當催化襯底被腐蝕液體腐蝕掉后，二維層狀薄膜隨著液體液面的下降而自然地降落到目標襯底上。轉移過程中可以不使用保護層或支撐層，這樣腐蝕掉催化襯底后，二維層狀薄膜可以在液面自由伸展而落在目標襯底上。本發明的設備簡單，利用該設備轉移二維層狀薄膜的步驟簡單、環保，可以實現無損傷轉移二維層狀薄膜。

所述多孔性隔離膜可以使液體穿過，且不與液體反應，在液體中是穩定的，比如多孔陶瓷薄膜。所述目標襯底也不與液體反應，在液體中是穩定的。

優選的，所述液體進口位于多孔性隔離膜上側，所述液體出口位于多孔性隔離膜下側。

優選的，所述容器內設置有用于調節多孔性隔離膜在容器內位置的升降機構。該升降機構用于調節多孔性隔離膜相對于液體液面的位置以及角度等，通過該升降機構，可以實現不排出液體而達到轉移二維層狀薄膜的效果。