CN102938373A - 石墨烯透明导电薄膜的叠层转移工艺及制造的器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超净高导电性石墨烯透明导电薄膜的叠层转移工艺，以降低层间PMMA光刻胶的残余，提升石墨烯透明导电薄膜的电学性能。采用Cu箔衬底CVD外延制备单层石墨烯，然后进行支撑层石墨烯的PMMA甩胶，接着进行Cu衬底湿法腐蚀，最后直接转移至次层石墨烯上，依次重复，直至得到最终叠层石墨烯。本发明制造的超净高导电性石墨烯透明导电薄膜具有残余PMMA少，导电性好的优点，用于制作高性能太阳能电池、高亮度LED等的透明电极。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料的生长方法，特别是一种超净高导电性石墨烯透明导电薄膜的叠层转移技术，可用于制作基于叠层石墨烯的超净高导电性透明导电薄膜，可用于功率器件、太阳能电池及高亮度LED等领域。
技术背景
近年来，随着新一代显示技术、新型太阳能技术的发展，人们对于光电子器件的性能要求越来越高，比如在保证高的导电性基础上，要求电极对可见光和红外光全透明，提高光电转换效率，要求器件具有一定的柔韧性，从而提升器件的性能和产品的品质。因此，柔性全透明导电薄膜研究一直以来都是相关领域的研究热点。传统的透明导电薄膜材料主要是以氧化铟锡(ITO)为代表，其可见光波长透过率超过80％，一般表面电阻约100Ω/□，其制备多采用磁控溅射，成本较低，成膜面积较高，质量稳定。但是ITO导电薄膜的缺点是迁移率不高，且不能弯曲，无法实现柔性显示，另外，随之金属铟矿源的逐渐枯竭，其成本也随之升高。因而，人们开始寻找性能相似且成本低廉的替代材料，并在相关领域取得了显著的成就，比如氧化铟、氧化镓、氧化锡和氧化锌的三元或四元化合物，其导电性、透明性、柔韧性和电子迁移率都接近或优于ITO，逐渐被应用于TFT-LCD显示器件、全透明高效太阳能电池等方面。
自2010年诺贝尔物理学奖授予新型碳基材料石墨烯的发现者以来，这种碳基二维晶体因其超高载流子迁移率，在各大研究领域都得到了最广泛的关注。由于石墨烯晶体是仅由单层碳原子以sp2杂化的形式组成的蜂窝状结构，其可见光和红外光透过率超过95％，即使石墨烯层数达到6层，其透过率依然超过85％，而且其奇特的超级导电性和超强机械性能，使得其成为高导电性、高透明性和高柔韧性导电薄膜的最有潜力的材料之一。再加上碳基材料来源极为丰富，生产成本大大低于其它材料，使其具有极其明显的产业优势，因而，石墨烯透明导电薄膜成为国内外研究机构和产业界关注的热点。
石墨烯透明导电薄膜的研究也存在着诸多问题，比如单层石墨烯的方块电阻约为6KΩ/□，导电性不如ITO导电薄膜，这一问题可以通过增加石墨烯层数和故意掺杂降低方块电阻加以解决。但是，目前多层石墨烯的可控生长是比较困难的，其均匀性较差，大大影响了其作为透明导电薄膜的性能。幸运的是，单层石墨烯的可控生长已经得到了较好的解决，目前铜箔上CVD外延的单层石墨烯尺寸可以超过8英寸，均匀性高于90％，因此，人们尝试采用叠层技术，将单层石墨烯一层一层叠加，使其层数达到5-6层，其方块电阻也可以降到20Ω/□以下，透过率仍然保持在80％以上。可是，国际上常用的石墨烯叠层技术，普遍采用多次重复单层石墨烯转移工艺的方法，工艺步骤繁多，尤其是每层石墨烯之间不可避免的残留下PMMA光刻胶，这种光刻胶不但会降低石墨烯的导电性能，而且还会在后期加热过程中引起非故意掺杂，使得叠层石墨烯的性能无法得到保证。所以，如何减少叠层过程中引起的PMMA光刻胶残余，是影响叠层石墨烯透明导电薄膜的关键。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种超净高导电性石墨烯透明导电薄膜的叠层转移技术，以降低层间PMMA光刻胶的残余，提升石墨烯透明导电薄膜的电学性能。
实现本发明目的技术关键是：采用Cu箔衬底CVD外延制备单层石墨烯，然后进行支撑层石墨烯的PMMA甩胶，接着进行Cu衬底湿法腐蚀，最后直接转移至次层石墨烯上，依次重复，直至得到最终叠层石墨烯。其实现步骤包括如下：
(1)将Alfa公司的厚度25um的Cu箔(99.8％)衬底放入CVD炉腔中，以Ar、CH4和H2混合气氛为生长气氛，在温度900-1050℃，气压50-100Pa，生长时间10-30min的条件下，生长单层石墨烯(原生)；
(2)将生长完毕的带有Cu衬底的石墨烯压平，其上以浓度为20-50mg/mL的PMMA甲苯溶液为光刻胶进行甩胶，自然晾干定型，作为支撑层；
(3)以浓度0.1-0.2g/L的氯化铁(FeCl3)溶液为腐蚀溶液，对支撑层石墨烯下方Cu衬底进行腐蚀，完成后用去离子水漂洗3-5次；
(4)将漂洗完的石墨烯浸入10-15％的HCl溶液中，约30-60分钟，去除无定型碳，同时对叠层石墨烯进行p型掺杂，然后放入去离子水中漂洗后转移至带有Cu衬底的次层石墨烯上；
(5)将带有支撑层和原生石墨烯的叠层石墨烯在100-150℃空气中烘干，再次转移至带有Cu衬底的第三次石墨烯上，重复(3)和(4)中的Cu衬底腐蚀和烘干步骤，直至叠层石墨烯层数达到要求；
(6)将带有支撑层的叠层石墨烯转移至相应的衬底上，放置空气中自然风干后，放入分析纯的丙酮溶液中浸泡8-12小时，以去除PMMA光刻胶；
(7)将叠层石墨烯浸入5-10v％的HNO3溶液中30-60分钟，进一步去除残余的无定型碳，并对叠层石墨烯进行p型掺杂，提高导电性，然后用分别用去离子水和分析纯乙醇漂洗3-5次，氮气吹干。
用上述方法获得的叠层石墨烯透明导电薄膜，其特征在于：所述石墨烯为Cu箔催化CVD外延制备的大面积石墨烯，单层面积超过90％；所述叠层石墨烯仅使用一次PMMA光刻胶定型，减小了残余光刻胶的非故意掺杂；所述每层石墨烯均采用HCl去除无定型碳和p型掺杂；所述叠层石墨烯最后经过HNO3处理，进一步去除无定型碳，并进行表面p型掺杂，提高导电性。
本发明具有如下优点：
1.由于采用一次PMMA光刻胶定型的叠层技术，石墨烯层间残余光刻胶大大减少，提高了叠层石墨烯的质量，降低了工艺复杂度。
2.由于采用单层HCl处理和叠层HNO3处理，去除了无定型碳，并进行了p型掺杂，材料的导电性能得到改善。
附图说明
图1是本发明的Cu箔催化CVD外延石墨烯生长工艺流程图；
图2是本发明的超净高导电性石墨烯透明导电薄膜的叠层转移工艺示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1和图2，本发明给出如下实施例：
实施例1：
本发明的实现步骤如下：
步骤1，Cu箔催化CVD外延石墨烯
将Alfa公司的厚度25um的Cu箔(99.8％)衬底放入CVD炉腔中，以Ar、CH4和H2混合气氛为生长气氛，在温度1000℃，气压60Pa，生长时间15min的条件下，生长单层石墨烯(原生)；
步骤2，支撑层石墨烯定型
将生长完毕的带有Cu衬底的石墨烯压平，其上以浓度为30mg/mL的PMMA甲苯溶液为光刻胶进行甩胶，自然晾干定型，作为支撑层；
步骤3，支撑层Cu衬底腐蚀
以浓度0.1g/L的氯化铁(FeCl3)溶液为腐蚀溶液，对支撑层石墨烯下方Cu衬底进行腐蚀，完成后用去离子水漂洗3次；
步骤4，单层表面修饰
将漂洗完的石墨烯浸入12v％的HCl溶液中，约30分钟，去除无定型碳，同时对叠层石墨烯进行p型掺杂，然后放入去离子水中漂洗后转移至带有Cu衬底的次层石墨烯上；
步骤5，叠层石墨烯
将带有支撑层和原生石墨烯的叠层石墨烯在120℃空气中烘干，再次转移至带有Cu衬底的第三次石墨烯上，重复(3)和(4)中的Cu衬底腐蚀和烘干步骤，直至叠层石墨烯层数达到要求；
步骤6，PMMA光刻胶去除
将带有支撑层的叠层石墨烯转移至相应的衬底上，放置空气中自然风干后，放入分析纯的丙酮溶液中浸泡10小时，以去除PMMA光刻胶；
步骤7，表面修饰
将叠层石墨烯浸入8v％的HNO3溶液中40分钟，进一步去除残余的无定型碳，并对叠层石墨烯进行p型掺杂，提高导电性，然后用分别用去离子水和分析纯乙醇漂洗3次，氮气吹干。
实施例2：
本发明的实现步骤如下：
步骤A，Cu箔催化CVD外延石墨烯
将Alfa公司的厚度25um的Cu箔(99.8％)衬底放入CVD炉腔中，以Ar、CH4和H2混合气氛为生长气氛，在温度1000℃，气压50Pa，生长时间20min的条件下，生长单层石墨烯(原生)；
步骤B，支撑层石墨烯定型
将生长完毕的带有Cu衬底的石墨烯压平，其上以浓度为30mg/mL的PMMA甲苯溶液为光刻胶进行甩胶，自然晾干定型，作为支撑层；
步骤C，支撑层Cu衬底腐蚀
以浓度0.2g/L的氯化铁(FeCl3)溶液为腐蚀溶液，对支撑层石墨烯下方Cu衬底进行腐蚀，完成后用去离子水漂洗3次；
步骤D，单层表面修饰
将漂洗完的石墨烯浸入12v％的HCl溶液中，约30分钟，去除无定型碳，同时对叠层石墨烯进行p型掺杂，然后放入去离子水中漂洗后转移至带有Cu衬底的次层石墨烯上；
步骤E，叠层石墨烯
将带有支撑层和原生石墨烯的叠层石墨烯在120℃空气中烘干，再次转移至带有Cu衬底的第三次石墨烯上，重复D和E中的Cu衬底腐蚀和烘干步骤，直至叠层石墨烯层数达到要求；
步骤F，PMMA光刻胶去除
将带有支撑层的叠层石墨烯转移至相应的衬底上，放置空气中自然风干后，放入分析纯的丙酮溶液中浸泡10小时，以去除PMMA光刻胶；
步骤G，表面修饰
将叠层石墨烯浸入15v％的HNO3溶液中40分钟，进一步去除残余的无定型碳，并对叠层石墨烯进行p型掺杂，提高导电性，然后用分别用去离子水和分析纯乙醇漂洗3次，氮气吹干。
实施例3：
本发明的实现步骤如下：
步骤一，Cu箔催化CVD外延石墨烯
将Alfa公司的厚度25um的Cu箔(99.8％)衬底放入CVD炉腔中，以Ar、CH4和H2混合气氛为生长气氛，在温度1050℃，气压50Pa，生长时间15min的条件下，生长单层石墨烯(原生)；
步骤二，支撑层石墨烯定型
将生长完毕的带有Cu衬底的石墨烯压平，其上以浓度为30mg/mL的PMMA甲苯溶液为光刻胶进行甩胶，自然晾干定型，作为支撑层；
步骤三，支撑层Cu衬底腐蚀
以浓度0.2g/L的氯化铁(FeCl3)溶液为腐蚀溶液，对支撑层石墨烯下方Cu衬底进行腐蚀，完成后用去离子水漂洗3次；
步骤四，单层表面修饰
将漂洗完的石墨烯浸入10v％的HCl溶液中，约60分钟，去除无定型碳，同时对叠层石墨烯进行p型掺杂，然后放入去离子水中漂洗后转移至带有Cu衬底的次层石墨烯上；
步骤五，叠层石墨烯
将带有支撑层和原生石墨烯的叠层石墨烯在150℃空气中烘干，再次转移至带有Cu衬底的第三次石墨烯上，重复步骤三和步骤四中的Cu衬底腐蚀和烘干步骤，直至叠层石墨烯层数达到要求；
步骤六，PMMA光刻胶去除
将带有支撑层的叠层石墨烯转移至相应的衬底上，放置空气中自然风干后，放入分析纯的丙酮溶液中浸泡12小时，以去除PMMA光刻胶；
步骤七，表面修饰
将叠层石墨烯浸入10V％的HNO3溶液中30分钟，进一步去除残余的无定型碳，并对叠层石墨烯进行p型掺杂，提高导电性，然后用分别用去离子水和分析纯乙醇漂洗3次，氮气吹干。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种超净高导电性石墨烯透明导电薄膜的叠层转移工艺，其特征在于，
采用Cu箔衬底CVD外延制备单层石墨烯，然后进行支撑层石墨烯的PMMA甩胶，接着进行Cu衬底湿法腐蚀，最后直接转移至次层石墨烯上，依次重复，直至得到最终叠层石墨烯。
2.如权利要求1所述的叠层转移工艺，其特征在于，其实现步骤包括如下：
(1)将厚度25um的Cu箔衬底放入CVD炉腔中，以Ar、CH4和H2混合气氛为生长气氛，生长单层石墨烯；
(2)将生长完毕的带有Cu衬底的石墨烯压平，其上以PMMA甲苯溶液为光刻胶进行甩胶，自然晾干定型，作为支撑层；
(3)以氯化铁溶液为腐蚀溶液，对支撑层石墨烯下方Cu衬底进行腐蚀，完成后用去离子水漂洗3-5次；
(4)将漂洗完的石墨烯浸入10-15％的HCl溶液中，约30-60分钟，去除无定型碳，同时对叠层石墨烯进行p型掺杂，然后放入去离子水中漂洗后转移至带有Cu衬底的次层石墨烯上；
(5)将带有支撑层和原生石墨烯的叠层石墨烯在100-150℃空气中烘干，再次转移至带有Cu衬底的第三次石墨烯上，重复(3)和(4)中的Cu衬底腐蚀和烘干步骤，直至叠层石墨烯层数达到要求；
(6)将带有支撑层的叠层石墨烯转移至相应的衬底上，放置空气中自然风干后，放入分析纯的丙酮溶液中浸泡8-12小时，以去除PMMA光刻胶；
(7)将叠层石墨烯浸入5-10v％的HNO3溶液中30-60分钟，进一步去除残余的无定型碳，并对叠层石墨烯进行p型掺杂，提高导电性，然后用分别用去离子水和分析纯乙醇漂洗3-5次，氮气吹干。
3.如权利要求1所述的叠层转移工艺，其特征在于，将Alfa公司的厚度25um的Cu箔(99.8％)衬底放入CVD炉腔中，以Ar、CH4和H2混合气氛为生长气氛，在温度900-1050℃，气压50-100Pa，生长时间10-30min的条件下，生长单层石墨烯。
4.如权利要求1所述的叠层转移工艺，其特征在于，将生长完毕的带有Cu衬底的石墨烯压平，其上以浓度为20-50mg/mL的PMMA甲苯溶液为光刻胶进行甩胶，自然晾干定型，作为支撑层。
5.如权利要求1所述的叠层转移工艺，其特征在于，以浓度0.1-0.2g/L的氯化铁(FeCl3)溶液为腐蚀溶液，对支撑层石墨烯下方Cu衬底进行腐蚀，完成后用去离子水漂洗3-5次。
6.一种利用权利要求1所述的超净高导电性石墨烯透明导电薄膜的叠层转移工艺制造的器件。
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