專利名稱：一種適于大面積石墨烯無污染無褶皺的轉(zhuǎn)移方法
一種適于大面積石墨烯無污染無褶皺的轉(zhuǎn)移方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于新型材料和半導(dǎo)體工藝技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種適于大面積石墨烯無污染無褶皺的轉(zhuǎn)移方法。
背景技術(shù)：
石墨烯是由單層碳原子以Sp2雜化連接而成的新型二維平面納米材料，這種特殊的結(jié)構(gòu)使得石墨烯表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性質(zhì)。例如:石墨烯的強(qiáng)度高達(dá)130GPa，是鋼的100多倍；其載流子遷移率達(dá)15000cm2.V—1.s_S超過商用硅片遷移率的10倍以上；其熱導(dǎo)率可達(dá)5000W.πΓ1.Γ1，是金剛石的3倍；此外，石墨烯還具有室溫量子霍爾效應(yīng)及室溫鐵磁性等特殊性質(zhì)。這些性質(zhì)使得石墨烯在近些年來越來越受到科研人員和市場的青睞，人們期待并不斷努力將這一新型納米材料的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性能等方面的潛力發(fā)揮到極致，實(shí)現(xiàn)其在電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的大規(guī)模市場應(yīng)用。
目前，化學(xué)氣相沉積法(CVD)是制備大面積高質(zhì)量石墨烯的重要方法。用此法制備石墨烯一般需要金屬(如銅、鎳、金、銀等)襯底來催化碳源的高溫裂解，得到的石墨烯膜直接“貼附”在金屬基底上。但是，為了將石墨烯應(yīng)用到各種器件當(dāng)中，需要把其從金屬基底上轉(zhuǎn)移到其他目標(biāo)基底上。石墨烯轉(zhuǎn)移的方法有很多，如:溶液刻蝕基底法、熱釋放膠帶法、電化學(xué)氣泡分離法等。其中溶液刻蝕基底法為最常用的方法，這種方法一般先在石墨烯上面涂覆一層有機(jī)物(如PMMA、PDMS等)溶液，然后加熱使其固化形成一層保護(hù)膜，這層有機(jī)物保護(hù)膜與石墨烯緊密的粘合在一起用以減少在轉(zhuǎn)移過程中(尤其是“打撈”石墨烯過程中)對石墨烯膜造成的損傷，在完成轉(zhuǎn)移之后，用丙酮(或其他有機(jī)溶劑)浸泡將有機(jī)物去除。但是，由于有機(jī)物與石墨烯表面的化學(xué)基團(tuán)有著很強(qiáng)的偶極相互作用力，所以很難將有機(jī)物從石墨烯表面徹底去除，這就容易導(dǎo)致石墨烯的污染。而且在有機(jī)物的旋涂、固化等過程中很可能引入對石墨烯不必要的損傷，還使得轉(zhuǎn)移工藝更加復(fù)雜，不利于投入市場大規(guī)模應(yīng)用。在“打撈”石墨烯的過程中，由于液體從石墨烯和目標(biāo)基底間的“泄流”，會不可避免地使石墨烯膜形成微小的“褶皺”(對于大面積石墨烯的影響尤為嚴(yán)重)。這些“有機(jī)物污染”和“褶皺”很大地限制了石墨烯性能的發(fā)揮，從而使制得的器件在性能上大打折扣。例如，當(dāng)石墨烯用于氣體傳感器時(shí)，其表面清潔度對傳感器靈敏度的影響非常明顯，所以氣體傳感器對石墨烯表面清潔度有很高的要求。
上述種種問題很大程度上制約了石墨烯的應(yīng)用和市場化進(jìn)程，因此，一種成本低廉，工藝簡單穩(wěn)定，對石墨烯無損傷、無污染，避免褶皺的轉(zhuǎn)移方法變得尤為重要。發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù) 不足，本發(fā)明提供了一種適于大面積石墨烯無污染無褶皺的轉(zhuǎn)移方法。
一種適于大面積石墨烯無污染無褶皺的轉(zhuǎn)移方法，石墨烯膜隨水面液位平穩(wěn)下降，使其一邊先與傾斜放置于水中的目標(biāo)基底結(jié)合；隨后液面繼續(xù)下降，利用水表面張力對石墨烯膜起到的“拉展”作用，使石墨烯膜穩(wěn)定平展地鋪在目標(biāo)基底的預(yù)定位置上，其具體步驟如下:
a.金屬基底的腐蝕:將用化學(xué)氣相沉積法得到的“石墨烯-金屬基底”輕放于腐蝕液中，使其浮于腐蝕液表面，經(jīng)過足夠時(shí)間，得到漂浮在腐蝕液表面的石墨烯膜；
b.腐蝕液的稀釋:從入水口不斷地通入超純?nèi)ルx子水，從排水口不斷地放出腐蝕液，入口和出口的流量相同，排水時(shí)保證液面的平穩(wěn)，直至腐蝕液被全部排出；
c.放置目標(biāo)基底:將目標(biāo)基底固定在容器底部的支架上，目標(biāo)基底與容器底平面保持適當(dāng)夾角，調(diào)整支架的位置來保證石墨烯落到目標(biāo)位置；
d.轉(zhuǎn)移石墨烯到目標(biāo)基底:打開排水口并調(diào)節(jié)流量，保證一定的液面下降速度，使石墨烯膜隨著液面的下降平展而精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基底上；
e.石墨烯的清洗干燥:用超純?nèi)ルx子水沖洗“石墨烯-目標(biāo)基底”5 8次，在真空干燥箱中烘干，置于清潔干燥環(huán)境中保存。
用于配制溶液和沖洗的超純?nèi)ルx子水電阻率在17 Ω.cm以上。
所述步驟a中采用的金屬基底為能夠利用化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯的金屬基。
所述步驟a中采用的金屬基底為銅箔或鎳箔。
所述步驟a中采用的腐蝕液為FeCl3溶液或Fe (NO3) 3溶液，其濃度為0.5 3mol/L，腐蝕溫度為25°C 60°C。
所述步驟c中目標(biāo)基底根據(jù)器件需要進(jìn)行選擇。
所述步驟c中目標(biāo)基底為單晶硅片或二氧化硅。
所述步驟c中采用的支架傾角為30° 70°。
所述步驟d中采用的液面下降速度為0.5 3mm/s。
所述步驟e中采用的真空干燥箱中的溫度為30°C 70°C。
本發(fā)明的有益效果為:
本發(fā)明采用一種工藝簡單、成本低廉、穩(wěn)定高效的方法實(shí)現(xiàn)了大面積石墨烯的無污染、無褶皺轉(zhuǎn)移。摒棄了傳統(tǒng)的石墨烯轉(zhuǎn)移過程中以PMMA等有機(jī)物作為保護(hù)層的工藝步驟，這樣使得轉(zhuǎn)移工藝大大簡化，降低了成本，更重要的是從根本上抑制了有機(jī)物對石墨烯的污染；與此同時(shí)，此方法還利用了液面平穩(wěn)下降對石墨烯的保護(hù)作用和水表面張力對石墨烯的“拉展”作用，使得石墨烯隨液面下降而逐步與目標(biāo)基底接觸并最終平展地鋪在其目標(biāo)位置，這就避免了傳統(tǒng)工藝中直接撈取對石墨烯膜造成的破損和微小褶皺的形成。


圖1是本發(fā)明方法中石墨烯轉(zhuǎn)移的流程圖2是實(shí)施例1中轉(zhuǎn)移前附在銅箔基底上的石墨烯的拉曼光譜；
圖3是實(shí)施例1中轉(zhuǎn)移到單晶硅片基底上的石墨烯的拉曼光譜。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供了一種適于大面積石墨烯無污染無褶皺的轉(zhuǎn)移方法，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā) 明做進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1
1.配置適量濃度為2mol/L的Fe (NO3) 3溶液，倒入具有進(jìn)水口和排水口的玻璃容器中(進(jìn)、排水口流量可調(diào))，將一塊用化學(xué)氣相沉積法制得的面積為3cmX 3cm的“石墨烯-銅箔”放入腐蝕液，使其漂浮在Fe (NO3) 3溶液表面；在室溫下(25°C )反應(yīng)12h，銅基底被完全腐蝕掉，得到的石墨烯膜漂浮在溶液表面；
2.從玻璃容器進(jìn)水口通入超純?nèi)ルx子水，并以相同流量從出水口排出腐蝕液，此時(shí)液面保持平穩(wěn)并且腐蝕液被不斷稀釋，連續(xù)充放水直到容器內(nèi)液體變?yōu)闊o色透明，關(guān)閉進(jìn)水口和出水口；
3.將面積為4cmX4cm的單晶硅片固定在容器底部的傾角為45°的小支架上，調(diào)節(jié)其位置使硅片基底位于石墨烯的正下方；
4.打開排水口并調(diào)節(jié)排水流量，使得液面以lmm/s的速度平穩(wěn)下降。隨著液面下降，石墨烯膜的一邊先與硅片基底接觸 ，之后在水的表面張力作用下石墨烯膜平展的鋪在硅片上，實(shí)現(xiàn)了石墨烯無污染、無褶皺的轉(zhuǎn)移；
5.用超純?nèi)ルx子水沖洗“石墨烯-硅片基底”5 8次，在溫度為40°C的真空干燥箱中烘晾30min，置于清潔干燥環(huán)境中保存。
圖2和圖3是石墨烯轉(zhuǎn)移前后的拉曼光譜圖，兩圖相對比可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移后石墨烯拉曼光譜的G峰和2D峰相對強(qiáng)度并沒有增大，說明轉(zhuǎn)移過程沒有引入結(jié)構(gòu)缺陷和破壞。
實(shí)施例2
1.配置適量濃度為2mol/L的Fe (NO3) 3溶液，倒入具有進(jìn)水口和排水口的玻璃容器中(進(jìn)、排水口流量可調(diào))，將一塊用化學(xué)氣相沉積法制得的面積為3cmX 3cm的“石墨烯-銅箔”放入刻蝕液，使其漂浮在Fe (NO3) 3溶液表面；在室溫下(25°C )反應(yīng)12h，銅基底被完全腐蝕掉，得到的石墨烯膜漂浮在溶液表面；
2.從玻璃容器進(jìn)水口通入超純?nèi)ルx子水，并以相同流量從出水口排出腐蝕液，此時(shí)液面保持平穩(wěn)并且腐蝕液被不斷稀釋，連續(xù)充放水直到容器內(nèi)液體變?yōu)闊o色透明，關(guān)閉進(jìn)水口和出水口；
3.將面積為4cmX4cm的二氧化硅基底固定在容器底部的傾角為60°的小支架上，調(diào)節(jié)其位置使二氧化硅位于石墨烯的正下方；
4.打開排水口并調(diào)節(jié)排水流量，使得液面以0.5mm/s的速度平穩(wěn)下降。隨著液面下降，石墨烯膜的一邊先與二氧化硅基底接觸，之后在水的表面張力作用下石墨烯膜平展的鋪在二氧化硅上，實(shí)現(xiàn)了石墨烯無污染、無褶皺的轉(zhuǎn)移；
5.用超純?nèi)ルx子水沖洗“石墨烯-二氧化硅“5 8次，在溫度為40°C的真空干燥箱中烘晾30min，置于清潔干燥環(huán)境中保存。
權(quán)利要求
1.一種適于大面積石墨烯無污染無褶皺的轉(zhuǎn)移方法，其特征在于:石墨烯膜隨水面液位平穩(wěn)下降，使其一邊先與傾斜放置于水中的目標(biāo)基底結(jié)合；隨后液面繼續(xù)下降，利用水表面張力對石墨烯膜起到的“拉展”作用，使石墨烯膜穩(wěn)定平展地鋪在目標(biāo)基底的預(yù)定位置上，其具體步驟如下: a.金屬基底的腐蝕:將用化學(xué)氣相沉積法得到的“石墨烯-金屬基底”輕放于腐蝕液中，使其浮于腐蝕液表面，經(jīng)過足夠時(shí)間，得到漂浮在腐蝕液表面的石墨烯膜； b.腐蝕液的稀釋:從入水口不斷地通入超純?nèi)ルx子水，從排水口不斷地放出腐蝕液，入口和出口的流量相同，排水時(shí)保證液面的平穩(wěn)，直至腐蝕液被全部排出； c.放置目標(biāo)基底:將目標(biāo)基底固定在容器底部的支架上，目標(biāo)基底與容器底平面保持適當(dāng)夾角，調(diào)整支架的位置來保證石墨烯落到目標(biāo)位置； d.轉(zhuǎn)移石墨烯到目標(biāo)基底:打開排水口并調(diào)節(jié)流量，保證一定的液面下降速度，使石墨烯膜隨著液面的下降平展而精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基底上； e.石墨烯的清洗干燥:用超純?nèi)ルx子水沖洗“石墨烯-目標(biāo)基底”5 8次，在真空干燥箱中烘干，置于清潔干燥環(huán)境中保存。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:用于配制溶液和沖洗的超純?nèi)ルx子水電阻率在17 Ω * cm以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟a中采用的金屬基底為能夠利用化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯的金屬基底。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:所述步驟a中采用的金屬基底為銅箔或鎳箔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟a中采用的腐蝕液為FeCl3溶液或Fe (NO3)3溶液，其濃度為0.5 3mol/L，腐蝕溫度為25°C 60°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟c中目標(biāo)基底根據(jù)器件需要進(jìn)行選擇。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:所述步驟c中目標(biāo)基底為單晶硅片或二氧化硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟c中采用的支架傾角為30° 70。。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟d中采用的液面下降速度為0.5 3mm/S。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟e中采用的真空干燥箱中的溫度為30°C 70°C。
全文摘要
本發(fā)明屬于新型材料和半導(dǎo)體工藝技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種適于大面積石墨烯無污染無褶皺的轉(zhuǎn)移方法。本發(fā)明無需用PMMA等有機(jī)物作為石墨烯的保護(hù)層，而是直接用腐蝕液將金屬基底去除，得到漂浮在液面上的石墨烯膜。然后將腐蝕液稀釋至近乎純水，再以適合的速度使水面平穩(wěn)下降；石墨烯在隨水面下降的過程中與置于其下方的傾斜目標(biāo)基底接觸，并在水面張力的“拉展”作用下平展地鋪在目標(biāo)基底上，實(shí)現(xiàn)了石墨烯無污染無褶皺的轉(zhuǎn)移，此法適用于大面積石墨烯的轉(zhuǎn)移。本發(fā)明工藝簡單優(yōu)化，成本低，從根本上抑制了有機(jī)物對石墨烯的污染，并且減小了轉(zhuǎn)移過程中對石墨烯的損傷，同時(shí)避免了微小“褶皺”的形成。
文檔編號C01B31/04GK103241733SQ201310182429
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月16日
發(fā)明者李美成, 谷田生, 周嬋, 陳召, 宋丹丹, 白帆 申請人:華北電力大學(xué)