CN103833030B - 一种大面积转移cvd石墨烯膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新型碳材料领域，公开了一种大面积转移石墨烯膜的方法。该方法针对化学气相沉积法在金属箔上制备的大面积石墨烯，利用热辊压方法直接将石墨烯从金属箔上转移到高分子膜上，包含两种转移方式：1)在石墨烯/金属箔表面辊压一层高分子膜，采用辊压卷绕，将高分子膜/石墨烯复合层从金属箔基底转移出；2)直接将高分子膜热辊压到辊轴上，然后将石墨烯转移到高分子膜包覆的辊轴上。该方法实现了大面积石墨烯膜的转移，与现有的转移方法相比，降低转移过程对石墨烯的污染，可循环利用金属箔基底，大幅度降低成本，减少污染排放，节能减排。因此本发明在大规模制备转移石墨烯的生产领域中具有较大的应用价值。

Description

一种大面积转移CVD石墨烯膜的方法
技术领域
本发明涉及一种大面积转移CVD石墨烯膜的方法，具体涉及利用热辊压的方法直接将石墨烯膜转移到目标基底。
背景技术
石墨烯，是一种由碳原子构成的具有蜂窝状晶格的单层二维平面结构材料。由于其具有高的载流子迁移率（200000cm2V-1s-1）和导热率（3000-5000Wm-1K-1）、高透光性（97.7%）和良好的化学稳定性等，在电子器件、透明电极材料、储能材料、功能复合材料等众多领域具有广阔的应用前景。
在各种制备石墨烯的典型方法中，化学气相沉积(CVD)法因其可以生长大面积、高质量的石墨烯膜而越来越受到重视。然而通过CVD法制备的石墨烯膜通常附着于金属基底上，需要进行后续的过程将其转移到其它基底上才能应用于实际需求中。理想的转移过程应当保持石墨烯膜清洁、完整无损坏并且大面积转移。目前公开的常用转移方法是以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为介质的湿法转移技术，即首先在石墨烯表面旋涂一层PMMA，然后在金属腐蚀液中将金属基底腐蚀掉，再将覆盖有PMMA的石墨烯层转移到二氧化硅等基底上，然后用溶剂除去PMMA，从而得到附着在目标基底上的石墨烯。或者在这种湿法转移的基础上改进，通过其它有机胶体涂覆，辅助转移到其它基底上；通过等离子体清除金属基底的一侧，然后将金属基底平铺在目标基底上，湿法腐蚀掉金属基底等方法转移石墨烯。大面积石墨烯的转移则是由韩国Bae等人提出的，该方法首先在石墨烯表面辊压一层热释胶带，然后用金属腐蚀液将金属腐蚀掉，再将附有热释胶带的石墨烯层转移到其他基底上，最后在一定温度下去除热释胶带。上述两种方法在转移过程中都使用了有机胶体作为过渡基底辅助转移，转移到目标基底后需要去除这层有机基底，不可避免产生残留对石墨烯层造成污染，并且都需要将金属基底腐蚀掉，产生大量的重金属废液，浪费水资源，产生环境污染，增加制备成本，因此发明一种金属基底可以循环利用、环境友好的直接转移方法非常重要。
发明内容
发明的目的在于提出一种大面积快速转移CVD石墨烯膜的方法，可降低转移过程中对石墨烯的污染和破坏，减少环境污染排放，并且使金属基底能够循环利用，从而降低生产成本。所述生长转移工艺如下：
a.利用CVD的方法在金属箔基底上制备石墨烯膜，生长的石墨烯为不同层数的石墨烯。
b.在长有石墨烯膜的金属箔基底的两个表面热辊压一层高分子膜，包括PET、PC、PI、PVC、PS、PE、PP膜。将高分子膜/石墨烯复合膜前段卷缠在辊轴上，用于下一步的卷绕。采用辊压的方式将附有高分子膜的石墨烯层卷绕在辊轴上。通气体(空气、氧气、氯化氢、氮气、氩气等)辅助，使石墨烯与金属基底相接触的活性金属层与气体发生部分反应，实现石墨烯从金属箔基底上剥离，同时通过辊轴滚动，收集剥离的高分子膜/石墨烯复合膜。金属基底另外收集再次利用。
c．或者先将高分子膜热辊压到两个辊轴的表面，然后将长有石墨烯膜的金属箔基底热辊压到附有高分子膜的辊轴上，在一定压力和温度的条件下，通气体(空气、氧气、氯化氢、氮气、氩气等)辅助，使石墨烯与金属基底相接触的活性金属层与气体发生部分反应，实现石墨烯从金属箔基底上剥离。通过高分子膜与石墨烯的相互作用，协助石墨烯层与金属箔基底的分离和收集。
d.得到转移到高分子膜上的石墨烯复合膜或者单一的石墨烯膜。通过上述方法可以一步得到直接与特定高分子膜相复合的石墨烯膜，也可以得到单一的石墨烯膜，减少了中间转移环节。可用于直接制备石墨烯基特种复合膜。
附图说明
图1利用化学气相沉积（CVD）的方法在金属箔表面生长的石墨烯图。
图2利用热辊压的方法在长有石墨烯层的金属箔表面辊压一层高分子膜。
图3在通气体辅助的条件下利用热辊压的方法剥离石墨烯图。
图4获得的转移到高分子膜基底上的石墨烯图。
图5附有高分子膜的辊轴图。
图6采用热辊压的方法直接将石墨烯层辊压到附有高分子膜的辊轴图。
图7获得的转移到附有高分子膜的石墨烯图。
图8高分子膜PET/石墨烯复合膜实物图。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明作进一步的说明。
实施例一：
a.利用CVD的方法在金属箔基底上制备石墨烯膜，生长条件：首先在通氢气20sccm，氩气330sccm条件下，1000℃下先预烧30分钟，然后通甲烷2sccm，1000℃下生长60分钟，在通氢气20sccm，氩气330sccm条件下快速降温，从得到生长的基底上的石墨烯；生长基底为金属箔，包括铜箔、镍箔、金箔、铂箔，优选铜箔。
b.在长有石墨烯膜的金属箔基底的两个表面热辊压一层高分子膜，包括PET、PC、PI、PVC、PS、PE、PP膜，温度为80℃，压力为0.1Mpa；使金属基底前端的高分子膜/石墨烯复合层手动剥开，以便将高分子膜/石墨烯复合膜卷缠在辊轴上，用于下一步的卷绕。采用辊压的方式将附有高分子膜的石墨烯层卷绕在辊轴上。通气体(空气、氧气、氯化氢、氮气、氩气等)辅助，使石墨烯与金属基底相接触的活性金属层与气体发生部分反应，实现石墨烯从金属箔基底上剥离，同时通过辊轴滚动，收集剥离的高分子膜/石墨烯复合膜。金属基底另外收集再次利用。
c.得到转移到高分子膜上的石墨烯复合膜或者单一的石墨烯膜。
实施例二：
a.与实施例一（a）中所述一致。
b.先将高分子膜在0.1Mpa，80℃条件下热辊压到两个辊轴的表面，然后将长有石墨烯膜的金属箔基底热辊压到附有高分子膜的辊轴上，在0.1Mpa，80℃条件下，通气体(空气、氧气、氯化氢、氮气、氩气等)辅助，使石墨烯与金属基底相接触的活性金属层与气体发生部分反应，实现石墨烯从金属箔基底上剥离。通过高分子膜与石墨烯的相互作用，协助石墨烯层与金属箔基底的分离和收集。
c.得到转移到高分子膜上的石墨烯复合膜或者单一的石墨烯膜。

Claims (5)

1.一种大面积转移CVD石墨烯膜的方法，包括以下步骤：
a.利用CVD的方法在金属箔基底上制备石墨烯膜；
b.在长有石墨烯膜的金属箔基底的两个表面热辊压一层高分子膜，将高分子膜/石墨烯复合膜前段卷缠在辊轴上，用于下一步的卷绕；采用辊压的方式将附有高分子膜的石墨烯层通过气体的辅助从金属箔基底上剥离下来，所通的辅助气体包括空气、氧气、氯化氢（HCl）、氮气、氩气；或者先将高分子膜热辊压到两个辊轴的表面，然后将长有石墨烯膜的金属箔基底热辊压到附有高分子膜的辊轴上，在一定压力和温度的条件下，通过高分子膜与石墨烯的相互作用，采用辊轴卷绕，实现石墨烯层与金属箔基底的分离；
c.得到转移到高分子膜上的石墨烯复合膜或者单一的石墨烯膜。
2.根据权利要求1的方法，其中所述制备石墨烯膜的制备条件：氢气20sccm，氩气330sccm，1000℃下先预烧30分钟，然后通甲烷2sccm，1000℃下生长60分钟，在通氢气20sccm，氩气330sccm条件下快速降温，生长基底为金属箔，包括铜箔、镍箔、金箔、铂箔，优选铜箔。
3.根据权利要求1的方法，这类高分子膜可根据实际需要选择，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethykenetereohthalate简称PET)膜、聚碳酸酯(Polycarbonate简称PC)膜、聚酰亚胺(Polyimide简称PI)膜、聚氯乙烯(Polyvinylchloridepolymer简称PVC)膜、聚苯乙烯(Polystyrene简称PS)膜、聚乙烯(polyethylene简称PE)膜、聚丙烯(Polypropylene简称PP)膜。
4.根据权利要求1的方法，其中所述热辊压的温度为80℃，压力为0.1Mpa。
5.根据权利要求1的方法，转移的CVD石墨烯为不同层数的石墨烯。
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