CN102592973A - 一种大面积石墨烯的转移方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大面积石墨烯的转移方法，先将金属基底上的石墨烯薄膜用腐蚀溶液削弱石墨烯薄膜与铜基底之间的粘合力，水洗后将其置入水中，使与石墨烯薄膜接触的一侧有一定厚度的水，放入冷冻室使水结冰，分离石墨烯冰层并转移至目标基底，冰融化后就实现了石墨烯的转移。本发明采用冰为载体方法简单，省去现有方法中的涂胶、溶解金属、除胶等繁杂的步骤；避免了现有方法中有机胶残留和金属溶解液对石墨烯造成的污染，适于石墨烯薄膜大规模的应用和生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯的转移方法，尤其涉及将大面积石墨烯薄膜简单、无损伤、经济的从金属基底表面转移至目标基底表面的方法，属于新型材料和半导体制备工艺技术领域。
背景技术
石墨烯(Graphene)是一种由单层碳原子排列呈六角形网状结构的碳质新型薄膜材料。单层石墨烯中的电子与空穴(Hole)载流子迁移率有望在室温下最大达到硅(Si)的100倍即20万cm2/Vs，可耐受1亿～2亿A/cm2的电流密度，这是铜耐受量的100倍左右。同时单层的石墨烯有着高达97.7％的光透过率，这不仅是针对可见光，还包括大部分红外线。因此，对于希望利用红外线来发电的太阳能电池而言，石墨烯有望成为划时代的透明导电膜。与不适于弯曲的ITO相比，还具备柔性较高的优势。石墨烯作为目前普遍使用的ITO的替代材料，用于触摸面板、柔性液晶面板、太阳能电池及有机EL照明等备受人们的期待。另外，利用石墨烯的高载流子迁移率及高迁移速度可以制作THz频率的晶体管；利用石墨烯的饱和吸收性质可以制作飞秒激光器。
能够制备出大面积、低成本的石墨烯薄膜是实现石墨烯潜在应用的前提条件。化学气相沉积(CVD)法是制备大面积石墨烯薄膜最有效的方法，其工艺简单、成本低廉。由于CVD法制备的石墨烯薄膜通常选用金属基底，而将石墨烯制作成各种器件则需要不同基底的石墨烯。因此，将石墨烯薄膜大面积，无损伤的转移到目标基片上是实现石墨烯应用的关键一环。目前，将石墨烯薄膜转移到目标基底上，有以下两种方法：
方法1
利用有机胶PMMA转移金属基底的石墨烯(Reina A，Jia X T，Ho J，et al Large area，few-layer graphene films on arbitrary substrates by chemical vapor deposition[J].NanoLetters，2009，9(1)：30-35.)。利用此方法操作步骤繁杂并且容易出现有机胶残留而造成对石墨烯的污染。另外，这种方法由于涂胶均匀性的限制和繁杂的去胶步骤使这种方法不能用于大面积石墨烯的转移。
方法2
利用热释放胶带作为媒介，先在金属基底石墨烯粘上一层热释放胶带，用腐蚀液腐蚀掉金属后，将粘有石墨烯的胶带附在目标基底上，通过加热使胶带失去粘性，从而将石墨烯转移到目标基底上。(Bae S，Kim H，Lee Y，et al Roll-to-roll production of 30-inch graphene filmsfor transparent electrodes[J].NatureNanotechnology，2010，5(8)：574-578.)这种方法虽然能够实现石墨烯的大面积的转移，但是反复的转移不可避免将引入胶的污染，并且要完全腐蚀掉金属基底才能实现石墨烯的转移。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种大面积石墨烯的转移方法，该方法简单、高效、经济，能够将石墨烯薄膜清洁、大面积的转移到目标基底上，所转移的石墨烯薄膜能够保持完整的结构特征。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种大面积石墨烯的转移方法，包括步骤如下：
(1)对金属基底上的石墨烯薄膜喷涂金属的腐蚀溶液或是将金属基底及石墨烯薄膜蘸取少量金属的腐蚀溶液；
(2)然后将金属基底及石墨烯薄膜放入去离子水中浸泡，洗去残余的腐蚀溶液；
(3)将金属基底及石墨烯薄膜浸入水中，使与石墨烯薄膜接触的一侧有一定厚度的水，放入冷冻室使水全部结冰；
(4)将与石墨烯薄膜接触的一侧的冰分离，得到石墨烯冰层；
(5)将石墨烯冰层放在目标基底上，冰融化后就实现了石墨烯的转移。
重复上述步骤可以得到目标基底上的多层的石墨烯薄膜。
上述步骤中所述的金属基底为能用化学气相沉积方法催化生长石墨烯的金属，可以是金、银、铜、锌、铁、钴、镍。优选铜箔、镍箔、铜膜、镍膜，在金属基底上制备石墨烯薄膜是采用的现有技术。
所述的金属的腐蚀溶液为FeCl3溶液、Fe(NO3)3溶液或其他能够腐蚀所用金属基底的溶液，溶液浓度范围为0.1-2mol/L，喷涂或蘸取的腐蚀溶液的量覆盖石墨烯薄膜的表面即可。采用腐蚀溶液处理的目的是弱化金属与石墨烯之间的力，喷涂或蘸取的腐蚀液的量覆盖石墨烯的表面即可，不宜过多，过多则容易损坏石墨烯薄膜。
步骤(2)所述的浸泡时间为5-10分钟。
步骤(3)所述的与石墨烯薄膜接触的一侧水的厚度范围为2-50mm。
当金属基底两侧均有石墨烯薄膜时，步骤(3)中金属基底及石墨烯薄膜浸入水中，使与石墨烯薄膜接触的两侧都有一定厚度的水。可以水平放置在水中，也可以竖直放置在水中。
所采用的冷冻室可以是冰箱、冰柜或其他冷冻室，冷冻室温度保持在0℃以下。将冰分离是指用机械外力分离，分离时为保证石墨烯的完整性，要保持冰层的完整性。
步骤(5)所述的目标基底为金属基底，半导体基底，氧化物基底或有机物基底。石墨烯冰层放在目标基底上时要保证有石墨烯的面与目标基底接触。
本发明的有益效果是：
(1)采用冰为载体方法简单，省去现有方法中的涂胶、溶解金属、除胶等繁杂的步骤；
(2)采用冰为载体清洁干净，避免了现有方法中有机胶残留和金属溶解液对石墨烯造成的污染；
(3)转移过程中不会给石墨烯薄膜带来损伤，也没有引入其他的杂质；
(4)采用冰为载体高效经济，一次转移可以转移两层石墨烯使得生产效率提高了一倍，金属则可以再次利用，再一次用于石墨烯的生产，大量节约了生产成本；
(5)采用冰为载体，使石墨烯薄膜的转移不再受尺寸的限制，适于石墨烯薄膜大规模的应用和生产；
(6)采用冰为载体，可以通过多次转移的方法得到多层的石墨烯薄膜。
附图说明
图1为本发明的石墨烯转移方法流程图。
图2(a)为附着在铜基底的石墨烯薄膜扫描电镜形貌图；
图2(b)为附着在铜基底的石墨烯薄膜的拉曼图谱。
图3(a)为转移到石英基底上石墨烯薄膜扫描电镜形貌图；
图3(b)为转移到石英基底上石墨烯薄膜的拉曼图谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
将金属铜基片上的石墨烯薄膜转移至石英基底上的方法，包括以下步骤：
(1)在Cu基底的石墨烯薄膜上采用喷枪喷雾的方法喷涂浓度为1mol/L FeCl3溶液，削弱石墨烯薄膜与铜基底之间的粘合力；
(2)将步骤(1)处理后的铜基的石墨烯薄膜放入去离子水中室温浸泡5分钟，洗去残余的腐蚀溶液；
(3)在步骤(2)洗去残余的腐蚀溶液后，将铜基的石墨烯薄膜竖直放入盛有去离子水的水槽中，使样品两边均有厚度为0.5cm的水；将盛有样品的水槽放入冷冻室中，保持冷冻室的温度在-10℃左右，使样品两边厚度为0.5cm的水全部凝结成冰；
(4)将铜基的石墨烯从冷冻室取出，用外力将样品两侧的冰分离，得到两个石墨烯冰层；
(5)将石墨烯冰层放在石英基底上，带有石墨烯的面与目标基底接触，待冰融化后，就得到了石英基底的石墨烯。
转移前和转以后石墨烯薄膜的对比如图2和图3可见，本方法在转移过程中没有给石墨烯薄膜带来损伤，也没有引入其他的杂质，在扫描电镜下可以看到石墨烯薄膜基本保持了转移之前的形貌；对比转移前后的拉曼图谱可以发现石墨烯的特征峰G峰和2D峰没有发生变化，表明石墨烯转移前后其结构特征并没有发生变化。
实施例2
将铜基底的石墨烯薄膜转移至SiO2/Si基底上，
具体步骤与实施例1类似，但采用的目标基底为SiO2/Si基底，并重复步骤(1)-(5)，可以得到双层的石英基底的石墨烯。
实施例3
将铜基底的石墨烯薄膜转移至TiO2基底上，
具体步骤与实施例1类似，但采用的目标基底为TiO2基底，并重复步骤(1)-(5)2次，可以的到三层的石墨烯。
实施例4
将铜基底的石墨烯薄膜转移至PET基底上，
具体步骤与实施例1类似，但采用的目标基底为PET基底。
实施例5
将铜基底的石墨烯薄膜转移至ZnO基底上，
具体步骤与实施例1类似，但采用的目标基底为ZnO基底。
实施例6
将镍基底的石墨烯薄膜转移至SiO2/Si基底上，
具体步骤与实施例1类似，但采用的为镍基底的石墨烯，
采用的目标基底为SiO2/Si基底。
Claims (8)
1.一种大面积石墨烯的转移方法，其特征是，包括步骤如下：
(1)对金属基底上的石墨烯薄膜喷涂金属的腐蚀溶液或是将金属基底及石墨烯薄膜蘸取少量金属的腐蚀溶液；
(2)然后将金属基底及石墨烯薄膜放入去离子水中浸泡，洗去残余的腐蚀溶液；
(3)将金属基底及石墨烯薄膜浸入水中，使与石墨烯薄膜接触的一侧有一定厚度的水，放入冷冻室使水全部结冰；
(4)将与石墨烯薄膜接触的一侧的冰分离，得到石墨烯冰层；
(5)将石墨烯冰层放在目标基底上，冰融化后就实现了石墨烯的转移。
2.根据权利要求1所述的一种大面积石墨烯的转移方法，其特征是，所述的金属基底为能用化学气相沉积方法催化生长石墨烯的金属。
3.根据权利要求2所述的一种大面积石墨烯的转移方法，其特征是，所述的金属基底为铜箔、镍箔、铜膜或镍膜。
4.根据权利要求1所述的一种大面积石墨烯的转移方法，其特征是，所述的金属的腐蚀溶液为FeCl3溶液、Fe(NO3)3溶液，溶液浓度范围为0.1-2mol/L。
5.根据权利要求1所述的一种大面积石墨烯的转移方法，其特征是，步骤(2)所述的浸泡时间为5-10分钟。
6.根据权利要求1所述的一种大面积石墨烯的转移方法，其特征是，当金属基底两侧均有石墨烯薄膜时，步骤(3)中金属基底及石墨烯薄膜浸入水中，使与石墨烯薄膜接触的两侧都有一定厚度的水。
7.根据权利要求1或6所述的一种大面积石墨烯的转移方法，其特征是，所述的与石墨烯薄膜接触的一侧水的厚度范围为2-50mm。
8.根据权利要求1所述的一种大面积石墨烯的转移方法，其特征是，步骤(5)所述的目标基底为金属基底，半导体基底，氧化物基底或有机物基底。
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