專利名稱：一種大面積石墨烯的轉(zhuǎn)移方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石墨烯的轉(zhuǎn)移方法，尤其涉及將大面積石墨烯薄膜簡單、無損傷、 經(jīng)濟(jì)的從金屬基底表面轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基底表面的方法，屬于新型材料和半導(dǎo)體制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
石墨烯(Graphene)是一種由單層碳原子排列呈六角形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)新型薄膜材料。單層石墨烯中的電子與空穴(Hole)載流子遷移率有望在室溫下最大達(dá)到硅(Si)的 100倍即20萬cm2/Vs，可耐受I億 2億A/cm2的電流密度，這是銅耐受量的100倍左右。 同時單層的石墨烯有著高達(dá)97. 7%的光透過率，這不僅是針對可見光，還包括大部分紅外線。因此，對于希望利用紅外線來發(fā)電的太陽能電池而言，石墨烯有望成為劃時代的透明導(dǎo)電膜。與不適于彎曲的ITO相比，還具備柔性較高的優(yōu)勢。石墨烯作為目前普遍使用的ITO 的替代材料，用于觸摸面板、柔性液晶面板、太陽能電池及有機EL照明等備受人們的期待。 另外，利用石墨烯的高載流子遷移率及高遷移速度可以制作THz頻率的晶體管；利用石墨烯的飽和吸收性質(zhì)可以制作飛秒激光器。能夠制備出大面積、低成本的石墨烯薄膜是實現(xiàn)石墨烯潛在應(yīng)用的前提條件?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)法是制備大面積石墨烯薄膜最有效的方法，其工藝簡單、成本低廉。由于 CVD法制備的石墨烯薄膜通常選用金屬基底，而將石墨烯制作成各種器件則需要不同基底的石墨烯。因此，將石墨烯薄膜大面積，無損傷的轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基片上是實現(xiàn)石墨烯應(yīng)用的關(guān)鍵一環(huán)。目前，將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基底上，有以下兩種方法方法I利用有機膠PMMA轉(zhuǎn)移金屬基底的石墨烯(Reina A，Jia X T，Ho J，et al Large area, few-layer graphene films on arbitrary substrates by chemical vapor deposition [J]. Nano Letters, 2009,9 (I) :30-35.)。利用此方法操作步驟繁雜并且容易出現(xiàn)有機膠殘留而造成對石墨烯的污染。另外，這種方法由于涂膠均勻性的限制和繁雜的去膠步驟使這種方法不能用于大面積石墨烯的轉(zhuǎn)移。方法2利用熱釋放膠帶作為媒介，先在金屬基底石墨烯粘上一層熱釋放膠帶，用腐蝕液腐蝕掉金屬后，將粘有石墨烯的膠帶附在目標(biāo)基底上，通過加熱使膠帶失去粘性，從而將石墨烯轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基底上。(Bae S, Kim H, Lee Y, et al Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes[J]. NatureNanotechnology, 2010,5(8) :574-578.)這種方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯的大面積的轉(zhuǎn)移，但是反復(fù)的轉(zhuǎn)移不可避免將引入膠的污染，并且要完全腐蝕掉金屬基底才能實現(xiàn)石墨烯的轉(zhuǎn)移。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提供一種大面積石墨烯的轉(zhuǎn)移方法，該方法簡單、高效、經(jīng)濟(jì)，能夠?qū)⑹┍∧で鍧?、大面積的轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基底上，所轉(zhuǎn)移的石墨烯薄膜能夠保持完整的結(jié)構(gòu)特征。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種大面積石墨烯的轉(zhuǎn)移方法，包括步驟如下(I)對金屬基底上的石墨烯薄膜噴涂金屬的腐蝕溶液或是將金屬基底及石墨烯薄膜蘸取少量金屬的腐蝕溶液；(2)然后將金屬基底及石墨烯薄膜放入去離子水中浸泡，洗去殘余的腐蝕溶液；(3)將金屬基底及石墨烯薄膜浸入水中，使與石墨烯薄膜接觸的一側(cè)有一定厚度的水，放入冷凍室使水全部結(jié)冰；(4)將與石墨烯薄膜接觸的一側(cè)的冰分離，得到石墨烯冰層；(5)將石墨烯冰層放在目標(biāo)基底上，冰融化后就實現(xiàn)了石墨烯的轉(zhuǎn)移。重復(fù)上述步驟可以得到目標(biāo)基底上的多層的石墨烯薄膜。上述步驟中所述的金屬基底為能用化學(xué)氣相沉積方法催化生長石墨烯的金屬，可以是金、銀、銅、鋅、鐵、鈷、鎳。優(yōu)選銅箔、鎳箔、銅膜、鎳膜，在金屬基底上制備石墨烯薄膜是采用的現(xiàn)有技術(shù)。所述的金屬的腐蝕溶液為FeCl3溶液、Fe(NO3)3溶液或其他能夠腐蝕所用金屬基底的溶液，溶液濃度范圍為0. l-2mol/L，噴涂或蘸取的腐蝕溶液的量覆蓋石墨烯薄膜的表面即可。采用腐蝕溶液處理的目的是弱化金屬與石墨烯之間的力，噴涂或蘸取的腐蝕液的量覆蓋石墨烯的表面即可，不宜過多，過多則容易損壞石墨烯薄膜。步驟⑵所述的浸泡時間為5-10分鐘。步驟(3)所述的與石墨烯薄膜接觸的一側(cè)水的厚度范圍為2_50mm。當(dāng)金屬基底兩側(cè)均有石墨烯薄膜時，步驟(3)中金屬基底及石墨烯薄膜浸入水中，使與石墨烯薄膜接觸的兩側(cè)都有一定厚度的水。可以水平放置在水中，也可以豎直放置在水中。所采用的冷凍室可以是冰箱、冰柜或其他冷凍室，冷凍室溫度保持在0°C以下。將冰分離是指用機械外力分離，分離時為保證石墨烯的完整性，要保持冰層的完整性。步驟(5)所述的目標(biāo)基底為金屬基底，半導(dǎo)體基底，氧化物基底或有機物基底。石墨稀冰層放在目標(biāo)基底上時要保證有石墨稀的面與目標(biāo)基底接觸。本發(fā)明的有益效果是(I)采用冰為載體方法簡單，省去現(xiàn)有方法中的涂膠、溶解金屬、除膠等繁雜的步驟；(2)采用冰為載體清潔干凈，避免了現(xiàn)有方法中有機膠殘留和金屬溶解液對石墨烯造成的污染；(3)轉(zhuǎn)移過程中不會給石墨烯薄膜帶來損傷，也沒有引入其他的雜質(zhì)；(4)采用冰為載體高效經(jīng)濟(jì)，一次轉(zhuǎn)移可以轉(zhuǎn)移兩層石墨烯使得生產(chǎn)效率提高了一倍，金屬則可以再次利用，再一次用于石墨烯的生產(chǎn)，大量節(jié)約了生產(chǎn)成本；(5)采用冰為載體，使石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移不再受尺寸的限制，適于石墨烯薄膜大規(guī)模的應(yīng)用和生產(chǎn)；(6)采用冰為載體，可以通過多次轉(zhuǎn)移的方法得到多層的石墨烯薄膜。


圖I為本發(fā)明的石墨烯轉(zhuǎn)移方法流程圖。圖2(a)為附著在銅基底的石墨烯薄膜掃描電鏡形貌圖；圖2(b)為附著在銅基底的石墨烯薄膜的拉曼圖譜。圖3 (a)為轉(zhuǎn)移到石英基底上石墨烯薄膜掃描電鏡形貌圖；圖3(b)為轉(zhuǎn)移到石英基底上石墨烯薄膜的拉曼圖譜。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的進(jìn)行詳細(xì)的描述。實施例給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明并不限于以下實施例。實施例I將金屬銅基片上的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至石英基底上的方法，包括以下步驟(I)在Cu基底的石墨烯薄膜上采用噴槍噴霧的方法噴涂濃度為lmol/L FeCl3溶液，削弱石墨烯薄膜與銅基底之間的粘合力；(2)將步驟(I)處理后的銅基的石墨烯薄膜放入去離子水中室溫浸泡5分鐘，洗去殘余的腐蝕溶液；(3)在步驟(2)洗去殘余的腐蝕溶液后，將銅基的石墨烯薄膜豎直放入盛有去離子水的水槽中，使樣品兩邊均有厚度為0. 5cm的水；將盛有樣品的水槽放入冷凍室中，保持冷凍室的溫度在-10°C左右，使樣品兩邊厚度為0. 5cm的水全部凝結(jié)成冰；(4)將銅基的石墨烯從冷凍室取出，用外力將樣品兩側(cè)的冰分離，得到兩個石墨烯冰層；(5)將石墨稀冰層放在石英基底上，帶有石墨稀的面與目標(biāo)基底接觸，待冰融化后，就得到了石英基底的石墨稀。轉(zhuǎn)移前和轉(zhuǎn)以后石墨烯薄膜的對比如圖2和圖3可見，本方法在轉(zhuǎn)移過程中沒有給石墨烯薄膜帶來損傷，也沒有引入其他的雜質(zhì)，在掃描電鏡下可以看到石墨烯薄膜基本保持了轉(zhuǎn)移之前的形貌；對比轉(zhuǎn)移前后的拉曼圖譜可以發(fā)現(xiàn)石墨烯的特征峰G峰和2D峰沒有發(fā)生變化，表明石墨烯轉(zhuǎn)移前后其結(jié)構(gòu)特征并沒有發(fā)生變化。實施例2將銅基底的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至Si02/Si基底上，具體步驟與實施例I類似，但采用的目標(biāo)基底為Si02/Si基底，并重復(fù)步驟 ⑴_(5)，可以得到雙層的石英基底的石墨烯。實施例3將銅基底的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至TiO2基底上，具體步驟與實施例I類似，但采用的目標(biāo)基底為TiO2基底，并重復(fù)步驟(1)-(5)2 次，可以的到三層的石墨烯。實施例4將銅基底的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至PET基底上，具體步驟與實施例I類似，但采用的目標(biāo)基底為PET基底。
實施例5將銅基底的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至ZnO基底上，具體步驟與實施例I類似，但采用的目標(biāo)基底為ZnO基底。實施例6將鎳基底的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至Si02/Si基底上，具體步驟與實施例I類似，但采用的為鎳基底的石墨烯，采用的目標(biāo)基底為Si02/Si基底。
權(quán)利要求
1.一種大面積石墨烯的轉(zhuǎn)移方法，其特征是，包括步驟如下(1)對金屬基底上的石墨烯薄膜噴涂金屬的腐蝕溶液或是將金屬基底及石墨烯薄膜蘸取少量金屬的腐蝕溶液；(2)然后將金屬基底及石墨烯薄膜放入去離子水中浸泡，洗去殘余的腐蝕溶液；(3)將金屬基底及石墨烯薄膜浸入水中，使與石墨烯薄膜接觸的一側(cè)有一定厚度的水， 放入冷凍室使水全部結(jié)冰；(4)將與石墨烯薄膜接觸的一側(cè)的冰分離，得到石墨烯冰層；(5)將石墨稀冰層放在目標(biāo)基底上，冰融化后就實現(xiàn)了石墨稀的轉(zhuǎn)移。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種大面積石墨烯的轉(zhuǎn)移方法，其特征是，所述的金屬基底為能用化學(xué)氣相沉積方法催化生長石墨烯的金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種大面積石墨烯的轉(zhuǎn)移方法，其特征是，所述的金屬基底為銅箔、鎳箔、銅膜或鎳膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種大面積石墨烯的轉(zhuǎn)移方法，其特征是，所述的金屬的腐蝕溶液為FeCl3溶液、Fe (NO3)3溶液，溶液濃度范圍為0. l-2mol/L。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種大面積石墨烯的轉(zhuǎn)移方法，其特征是，步驟(2)所述的浸泡時間為5-10分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種大面積石墨烯的轉(zhuǎn)移方法，其特征是，當(dāng)金屬基底兩側(cè)均有石墨烯薄膜時，步驟(3)中金屬基底及石墨烯薄膜浸入水中，使與石墨烯薄膜接觸的兩側(cè)都有一定厚度的水。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或6所述的一種大面積石墨烯的轉(zhuǎn)移方法，其特征是，所述的與石墨烯薄膜接觸的一側(cè)水的厚度范圍為2-50mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種大面積石墨烯的轉(zhuǎn)移方法，其特征是，步驟(5)所述的目標(biāo)基底為金屬基底，半導(dǎo)體基底，氧化物基底或有機物基底。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大面積石墨烯的轉(zhuǎn)移方法，先將金屬基底上的石墨烯薄膜用腐蝕溶液削弱石墨烯薄膜與銅基底之間的粘合力，水洗后將其置入水中，使與石墨烯薄膜接觸的一側(cè)有一定厚度的水，放入冷凍室使水結(jié)冰，分離石墨烯冰層并轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基底，冰融化后就實現(xiàn)了石墨烯的轉(zhuǎn)移。本發(fā)明采用冰為載體方法簡單，省去現(xiàn)有方法中的涂膠、溶解金屬、除膠等繁雜的步驟；避免了現(xiàn)有方法中有機膠殘留和金屬溶解液對石墨烯造成的污染，適于石墨烯薄膜大規(guī)模的應(yīng)用和生產(chǎn)。
文檔編號C23C16/01GK102592973SQ20121005351
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月2日
發(fā)明者劉杰, 劉玫, 姜守振, 楊誠, 滿寶元, 范秀偉, 許士才 申請人:山東師范大學(xué)