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一種在基材上圖案化石墨烯的方法及用于所述方法的模板與流程

文檔序號:11811065閱讀:160來源:國知局

本發(fā)明屬于圖案化石墨烯薄膜的制備領(lǐng)域,具體涉及一種在基材上圖案化石墨烯的方法及用于所述方法的模板。



背景技術(shù):

透明導(dǎo)電薄膜材料以其導(dǎo)電和透明的特點,作為透明電極材料被廣泛應(yīng)用于電子消費品行業(yè)中。隨著觸摸屏,液晶顯示器以及OLED顯示器市場的不斷擴大,市場對透明電極材料的需求將持續(xù)增長。目前,ITO(氧化銦錫)薄膜以其較高的導(dǎo)電率、光學(xué)透過率以及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性成為透明導(dǎo)電薄膜的主要材料。但是由于ITO主要成分為稀缺資源銦的氧化物,而且需要通過低溫真空磁控濺射的工藝生產(chǎn),使其成本較高。另外,ITO薄膜的質(zhì)地較脆,耐彎折性不佳,無法用作柔性電極材料。許多研發(fā)機構(gòu)在嘗試ITO替代材料的開發(fā),其中石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能、光學(xué)透過率和耐彎折性使其成為非常有前景的ITO替代材料。

現(xiàn)在大尺寸石墨烯薄膜的的生產(chǎn)工藝已經(jīng)較為成熟,制備出的石墨烯薄膜具有較高的光學(xué)透過率和較低的方塊電阻?,F(xiàn)有技術(shù)中,石墨烯薄膜電極的圖案化主要采用激光刻蝕和等離子體刻蝕兩種方法。這兩種方法的蝕刻效率都不高,且蝕刻成本比較高。

因此,本領(lǐng)域需要開發(fā)一種在基材上圖案化石墨烯的方法,所述方法效率高,成本低。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

針對現(xiàn)有技術(shù)在基材上圖案化石墨烯的方法存在的效率低,成本高的不足,本發(fā)明的目的之一在于提供一種在基材上圖案化石墨烯的方法,所述方法效率高,成本低。

具體地,本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn):

一種在基材上圖案化石墨烯的方法為在具有圖案化的金屬模板上沉積石墨烯薄膜,之后轉(zhuǎn)移圖案化的石墨烯薄膜至基材上獲得具有圖案化石墨烯薄膜的基材。

本發(fā)明巧妙地設(shè)置一種具有預(yù)定圖案的金屬模板,通過在所述金屬模板上沉積石墨烯薄膜,獲得具有預(yù)定圖案的石墨烯薄膜,之后將所述石墨烯薄膜轉(zhuǎn)印到基材上,完成在基材上圖案化石墨烯的方法。

所述預(yù)定圖案為需要形成的石墨烯薄膜的圖案。

優(yōu)選地,本發(fā)明所述在基材上圖案化石墨烯的方法包括如下步驟:

(1)提供一模板襯底,和設(shè)置于模板襯底上的金屬模板;

(2)圖案化金屬模板;

(3)在圖案化后的金屬模板上沉積石墨烯,得到與金屬模板圖案一致的石墨烯薄膜;

(4)提供一基材襯底;

(5)轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜至基材襯底上,得到基于基材襯底的石墨烯薄膜。

優(yōu)選地,所述金屬模板的材質(zhì)為能夠用于石墨烯氣相沉積襯底的金屬材質(zhì),優(yōu)選鎳、鈷、銅、鐵、鉬、鎢、鋅、釩中的任意1種或至少2種的合金,例如鎳鎢合金,銅鐵合金等;進一步優(yōu)選銅。

優(yōu)選地,所述金屬模板的厚度為1mm~100cm,例如2mm、5mm、25mm、 130mm、268mm、400mm、870mm、960mm等,優(yōu)選1mm~1cm,進一步優(yōu)選1mm。

優(yōu)選地,所述模板襯底的材料為耐高溫材料,優(yōu)選為耐高溫?zé)o機材料,進一步優(yōu)選為耐高溫金屬及耐高溫金屬合金,特別優(yōu)選金屬鐵。

所述耐高溫材料的選擇原則應(yīng)當(dāng)是能夠進行石墨烯化學(xué)氣相沉積的材料。

優(yōu)選地,所述耐高溫材料的耐高溫度為500~2000℃,例如550℃、682℃、780℃、980℃、1520℃、1800℃、1958℃等,優(yōu)選800~1200℃。

優(yōu)選地,所述圖案化金屬模板的方法選自壓印、3d打印、激光切割、化學(xué)蝕刻中的任意1種,優(yōu)選化學(xué)蝕刻。

優(yōu)選地,所述圖案化金屬模板的圖案選自三角形、四邊形、多邊形以及包含弧線的不規(guī)則圖形。

所述圖案為需要制備的石墨烯薄膜的圖案,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要進行設(shè)計。

優(yōu)選地,所述金屬模板在圖案化之前進行清洗,所述清洗步驟優(yōu)選使用丙酮、乙醇和稀鹽酸處理金屬模板表面,除去金屬氧化物、油污等雜質(zhì)。

優(yōu)選地,所述沉積石墨烯的方法選自氣相化學(xué)沉積法。

優(yōu)選地,所述化學(xué)氣相沉積法為在還原性氣氛下,加熱分解碳源性氣體,之后碳源性氣體沉積在金屬模板上形成石墨烯薄膜。

其中,所述碳源性氣體為氣態(tài)碳氫化合物,優(yōu)選甲烷、乙烯或乙炔。

其中,所述還原性氣氛為氫氣和/或惰性氣體的混合氣體;所述惰性氣體優(yōu)選氦氣和/或氬氣。

其中,所述加熱分解的溫度為600~1200℃,例如650℃、850℃、920℃、 985℃、1000℃、1015℃、1080℃、1150℃、1179℃等。

化學(xué)氣相沉積法中的氫氣起還原作用,惰性氣體起保護作用;反應(yīng)中始終通入氫氣和惰性氣體,氫氣還原模板表面氧化物,惰性氣體起保護作用。待溫度升至合適溫度(在600~1200℃范圍內(nèi))后,金屬模板保溫退火一段時間,然后通入碳源氣;碳源氣體在高溫下會發(fā)生裂解,其中碳原子會在金屬模板表面形成石墨烯薄膜。

優(yōu)選地,所述基材襯底的材質(zhì)為聚合物薄膜或玻璃,優(yōu)選PMMA、PT、PET或玻璃。

優(yōu)選地,所述轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜的方法為:在步驟(3)得到的石墨烯薄膜上涂覆PMMA溶膠,固化成膜,之后覆蓋基材襯底,外力去除模板襯底后,刻蝕去除金屬模板,完成石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移;

優(yōu)選地,所述固化溫度為260~290℃,例如265℃、268℃、275℃、288℃等。

對金屬模板的刻蝕是本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明不再贅述。

優(yōu)選地,所述轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜的方法為:在步驟(3)得到的石墨烯薄膜上貼覆熱釋放膠帶,外力作用下將石墨烯薄膜從金屬模板上分離,之后貼附在基材襯底上,最后加熱,釋放熱釋放膠帶,完成石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移。

優(yōu)選地,所述轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜的方法為:通過光學(xué)透明膠將基材襯底和步驟(3)得到的石墨烯薄膜相互貼覆,外力作用下將石墨烯薄膜與金屬模板分離,完成石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移。

本發(fā)明的目的之二是提供一種用于目的之一所述在基材上圖案化石墨烯方法的模板,所述模板由下至上依次包括:

金屬模板襯底;

圖案化的金屬模板。

與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下有益效果:

本申請?zhí)峁┑脑诨纳蠄D案化石墨烯的方法無需用掩模板對石墨烯薄膜進行刻蝕,只需要在具有預(yù)設(shè)圖案的金屬模板上沉積石墨烯薄膜,之后轉(zhuǎn)移至基材襯底,就可以實現(xiàn)在基材上圖案化石墨烯的目的。所述方法沒有用到激光刻蝕或者化學(xué)刻蝕等工藝,省略了掩模板,成本低;且無需對完整石墨烯薄膜進行圖案化,直接通過在預(yù)設(shè)有圖案的金屬模板上沉積石墨烯,就能完成圖案化石墨烯薄膜的獲得,生產(chǎn)效率高。

附圖說明

圖1是在基材上圖案化石墨烯方法的模板的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為便于理解本發(fā)明,本發(fā)明列舉實施例如下。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了,所述實施例僅僅是幫助理解本發(fā)明,不應(yīng)視為對本發(fā)明的具體限制。

實施例1

一種在基材上圖案化石墨烯的方法,所述方法包括如下步驟:

(1)提供一模板,所述模板包括模板襯底,和設(shè)置于模板襯底上的金屬模板;

所述金屬模板的材質(zhì)為能夠用于石墨烯氣相沉積襯底的金屬材質(zhì),優(yōu)選鎳、鈷、銅、鐵、鉬、鎢、鋅、釩中的任意1種或至少2種的合金;進一步優(yōu)選銅;

優(yōu)選地,所述金屬模板的厚度為1mm~100cm,優(yōu)選1mm~1cm,進一步優(yōu)選1mm;

所述模板襯底的材料為耐高溫材料,優(yōu)選為耐高溫?zé)o機材料,進一步優(yōu)選為耐高溫金屬及耐高溫金屬合金,特別優(yōu)選金屬鐵;

優(yōu)選地,所述耐高溫材料的耐高溫度為500~2000℃,優(yōu)選800~1200℃;

所述金屬模板在圖案化之前進行清洗,所述清洗步驟優(yōu)選使用丙酮、乙醇和稀鹽酸處理金屬模板表面,除去金屬氧化物、油污等雜質(zhì);

(2)圖案化金屬模板;

此時,形成用于在基材上圖案化石墨烯方法的模板,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(圖1為實施例1所述用于在基材上圖案化石墨烯方法的模板),所述模板由下至上依次包括:

金屬模板襯底;

圖案化的金屬模板;

所述圖案化金屬模板的方法選自壓印、3d打印、激光切割、化學(xué)蝕刻中的任意1種,優(yōu)選化學(xué)蝕刻;

優(yōu)選地,所述圖案化金屬模板的圖案為預(yù)定的圖案化石墨烯薄膜的圖案,選自三角形、四邊形、多邊形以及包含弧線的不規(guī)則圖形;

(3)在圖案化后的金屬模板上沉積石墨烯,得到與金屬模板圖案一致的石墨烯薄膜;

所述沉積石墨烯的方法選自氣相化學(xué)沉積法;

優(yōu)選地,所述化學(xué)氣相沉積法為在還原性氣氛下,加熱分解碳源性氣體,之后碳源性氣體沉積在金屬模板上形成石墨烯薄膜;

其中,所述碳源性氣體為氣態(tài)碳氫化合物,優(yōu)選甲烷、乙烯或乙炔;

其中,所述還原性氣氛為氫氣和/或惰性氣體的混合氣體;所述惰性氣體優(yōu) 選氦氣和/或氬氣;

其中,所述加熱分解的溫度為600~1200℃;

(4)提供一基材襯底;

所述基材襯底的材質(zhì)為聚合物薄膜或玻璃,優(yōu)選PMMA、PT、PET或玻璃;

(5)轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜至基材襯底上,得到基于基材襯底的石墨烯薄膜;

作為第一種轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜至基材襯底上的具體實施方式,所述轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜的方法為:在步驟(3)得到的石墨烯薄膜上涂覆PMMA溶膠,固化成膜,之后覆蓋基材襯底,外力去除模板襯底后,刻蝕去除金屬模板,完成石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移;

優(yōu)選地,PMMA溶膠的濃度為,固化溫度優(yōu)選為;

優(yōu)選地,所述刻蝕去除金屬模板的步驟為:;

作為第二種轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜至基材襯底上的具體實施方式,所述轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜的方法為:在步驟(3)得到的石墨烯薄膜上貼覆熱釋放膠帶,外力作用下將石墨烯薄膜從金屬模板上分離,之后貼附在基材襯底上,最后加熱,釋放熱釋放膠帶,完成石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移;

作為第三種轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜至基材襯底上的具體實施方式,所述轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜的方法為:通過光學(xué)透明膠將基材襯底和步驟(3)得到的石墨烯薄膜相互貼覆,外力作用下將石墨烯薄膜與金屬模板分離,完成石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移。

申請人聲明,本發(fā)明通過上述實施例來說明本發(fā)明的詳細工藝設(shè)備和工藝流程,但本發(fā)明并不局限于上述詳細工藝設(shè)備和工藝流程,即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細工藝設(shè)備和工藝流程才能實施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng) 該明了,對本發(fā)明的任何改進,對本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等,均落在本發(fā)明的保護范圍和公開范圍之內(nèi)。

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