CN103928296A - 一种将石墨烯转移到具有pdms过渡层硬质衬底上的方法 - Google Patents

一种将石墨烯转移到具有pdms过渡层硬质衬底上的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种将石墨烯转移到具有PDMS过渡层硬质衬底上的方法。该方法包括以下步骤：将PDMS胶涂在附着有石墨烯的原衬底上；使所述PDMS胶固化成PDMS过渡层；对该PDMS过渡层与硬质衬底进行等离子处理，然后将该PDMS过渡层与硬质衬底进行轻压键合；将键合后的硬质衬底放入腐蚀液中腐蚀掉所述原衬底；用去离子水反复清洗石墨烯/PDMS过渡层/硬质衬底结合体并吹干，即得到转移到具有PDMS过渡层的硬质衬底上的石墨烯。该方法操作简单，成本低，适用范围广，转移过程中石墨烯材料不容易被破坏，可以高效、稳定地将石墨烯转移到具有PDMS过渡层硬质衬底上，可与半导体工艺结合用于制备石墨烯电子器件。

Description

一种将石墨烯转移到具有PDMS过渡层硬质衬底上的方法
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域。特别涉及一种将石墨烯转移到具有PDMS过渡层的硬质衬底上的方法。
背景技术
石墨烯是由碳原子排列成二维正六边形蜂窝状点阵所形成的平面单原子层薄膜材料。由于石墨烯具有突出的导热性能与力学性能、高电子迁移率、半整数量子霍尔效应等一系列性质，自2004年首次被发现以来，石墨烯引起了科学界的广泛关注并掀起了一股研究的热潮。
目前，石墨烯已被证明可以应用于多种电子器件的制备，如分子传感器、场效应晶体管、柔性电子器件等等。基于石墨烯的电子器件的制备，通常需要将石墨烯转移到硬质绝缘衬底上。
目前常用的转移石墨烯方法有：1）用CVD方法在金属上生长石墨烯后涂PMMA做支撑层，腐蚀金属衬底，将石墨烯转移到绝缘衬底上再用丙酮溶解掉PMMA，这种方法可以将石墨烯完整的转移并固定到绝缘衬底上，但PMMA不易去除，容易对石墨烯造成污染；2）金属衬底上生长石墨烯后不涂PMMA直接腐蚀掉金属，用绝缘衬底在溶液中捞取石墨烯，这种工艺简单，但是捞取过程中石墨烯薄膜容易破裂，很难将石墨烯完整的转移并固定到所需衬底上；3）直接用微机械剥离方法将石墨烯剥离到绝缘衬底上，该方法可以无伤害地将高质量的石墨烯固定到硬质衬底上，但石墨烯尺寸会受到极大限制。
鉴于此，实有必要设计一种新的方法，以解决上述技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种将石墨烯转移到具有PDMS过渡层的硬质衬底上的方法，解决了以往石墨烯转移过程中转移效率低，石墨烯易受破坏等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明采用如下技术方案：一种将石墨烯转移到具有PDMS过渡层硬质衬底的方法。该方法包括以下步骤：
a)将PDMS胶涂在附着有石墨烯的原衬底上；
b)使所述PDMS胶固化成PDMS过渡层；
c)对该PDMS过渡层与硬质衬底进行等离子处理，然后将该PDMS过渡层与硬质衬底进行轻压键合；
d)将键合后的硬质衬底放入腐蚀液中腐蚀掉所述原衬底；
e)用去离子水反复清洗石墨烯/PDMS过渡层/硬质衬底结合体并吹干，即得到转移到具有PDMS过渡层的硬质衬底上的石墨烯。
优选地，所述步骤a）中的原衬底的是指铜箔或电镀铜。
优选地，所述步骤c）中的硬质衬底为玻璃片、氧化硅、硅片或石英片中的一种。
优选地，所述步骤d）中的腐蚀液为三氯化铁腐蚀液或硫酸双氧水腐蚀液。
优选地，所述步骤a）和步骤b）之间还包括将涂好PDMS胶的衬底放入真空干燥箱中静置，去除所述PDMS胶中气泡的步骤。
优选地，所述步骤b）具体是指采用90℃至120℃的温度热烘30至120分钟使所述PDMS胶固化成PDMS过渡层。
本发明可以将石墨烯薄膜完整地转移到所需硬质衬底上，过程稳定，高效。石墨烯与PDMS均有良好的透光性，转移到硬质衬底上后易于做后续的光刻、键合等工艺。本发明采用的石墨烯样品只需有衬底支撑即可，原衬底的形状与尺寸不受限制；湿法腐蚀金属过程不会对石墨烯造成物理损伤与破坏，成本也较低。
附图说明
图1a-图1g显示为本发明技术方案流程图。
元件标号说明
原衬底                1
石墨烯                2
PDMS胶                3
PDMS过渡层            4
玻璃片或氧化硅片        5
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1a至图1g所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，所述附图中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实现本发明的技术方案为：
a)将PDMS胶涂在附着有石墨烯的原衬底上；
b)将涂好PDMS胶的衬底放入真空干燥箱中静置，除去胶中气泡；
c)90℃至120℃热烘30至120分钟使PDMS固化；
d)对PDMS与硬质衬底（如硅片、玻璃片、蓝宝石等）进行20秒至60秒的plasma处理，然后将PDMS与硬质衬底进行室温轻压键合；
e)将键合后的硬质衬底放入较为温和的腐蚀液中腐蚀掉原衬底；
f)用去离子水反复清洗石墨烯/PDMS/硬质衬底结合体并吹干，即得到转移到具有PDMS过渡层硬质衬底上的石墨烯。
具体的，请结合图1a-图1g的本发明技术方案流程图对本发明的具体实施方式说明如下：
实施例一
将铜箔上的石墨烯转移到具有PDMS过渡层玻璃衬底上
首先，采用CVD方法在2cm×2cm的铜箔上生长出高质量石墨烯连续膜。一般情况下CVD方法后铜箔1上下两侧都有石墨烯2，下侧的特别分散，上侧的还好。可以把铜箔下面的石墨烯膜打磨掉或用一些手段刻蚀掉，例如氧等离子体。本实施例中，去除了铜箔下层的石墨烯。形成了如图1a所示的结构。
然后采用如下步骤转移：
a)在生长石墨烯2后的铜箔1上甩涂20μm厚的PDMS胶3；甩涂就是用匀胶机将PDMS胶均匀的分散在铜箔表面，该匀胶机可以设定转速，一般为4000转左右；
PDMS（polydimethylsiloxane聚二甲基硅氧烷）是一种无毒、疏水性、透明硅胶，具有透光性良好、生物相容性佳、易与多种材质室温接合、以及低杨氏模量导致的结构高弹性等诸多优良性质。利用PDMS可以完整、高效的将石墨烯转移到硬质衬底上，解决了以往转移石墨烯过程中成本高、转移效率低、石墨烯易受破坏等问题；
b)请参阅图1b-1c所示，将上述涂PDMS胶3后的铜箔放入真空干燥箱中抽真空吸出PDMS中的气泡；抽真空时间大致控制在一小时左右。也可以在抽真空之前超声半个小时左右，也有利于气泡释放；
c)将上述涂PDMS胶的铜箔放到90℃热板上热烘60分钟使PDMS胶固化，形成PDMS过渡层4。（请参阅图1d所示）热板比较平整，固化的PDMS过渡层也比较平整；
d)对PDMS过渡层与玻璃片进行20秒左右的等离子体plasma处理，然后请参阅图1e所示，将PDMS过渡层与玻璃片5进行键合；等离子体处理一般采用等离子处理机，其对产品表面清洗，可以清除表面上的脱模剂和添加剂等，而其也具备活化功能，可以确保后续的粘接工艺和涂装工艺等的品质，使用这种等离子技术，可以根据特定的工艺需求，高效地对材料进行表面预处理；
e)请参阅图1f-1g所示，将上述玻璃片放入三氯化铁（或硝酸铁）腐蚀液中腐蚀掉其表面的铜箔；
f)用去离子水反复清洗石墨烯/PDMS/玻璃片结合体并吹干，即可得到转移到具有PDMS过渡层的玻璃衬底上的石墨烯。
实施例二
将电镀铜上生长的石墨烯转移到具有PDMS过渡层Si/SiO2衬底
首先，在300nm左右的氧化层硅片上电镀一层厚10μm左右的铜膜；采用CVD工艺在上述电镀形成的铜膜上生长出连续的石墨烯。
然后将电镀铜上生长的石墨烯转移到具有PDMS过渡层Si/SiO2衬底的过程如下：
a)在上述电镀铜上手动涂一层PDMS胶，涂PDMS胶时不要超过上述铜膜的边缘；
b)将上述涂PDMS胶后的铜膜放入真空干燥箱中抽真空吸出PDMS胶中的气泡；
c)将上述铜膜放到100℃热板上热烘50分钟使PDMS胶固化，形成位于铜膜上的PDMS过渡层；
d)对步骤c）获得的结构进行25秒左右的等离子体plasma处理，然后将PDMS过渡层与提供的氧化硅片进行键合；
e)将PDMS过渡层与提供的氧化硅片键合后的结合体放入硫酸双氧水腐蚀液中腐蚀掉上述铜膜，原先的300nm左右的氧化层硅片脱离上述结合体；
f)用去离子水反复清洗石墨烯/PDMS/氧化硅片结合体并吹干，即可得到转移到具有PDMS过渡层的氧化硅片（Si/SiO2衬底）上的石墨烯。
本发明的优点如下：
1.本发明可以将石墨烯薄膜完整地转移到所需硬质衬底上，过程稳定，高效。
2.石墨烯与PDMS均有良好的透光性，转移到硬质衬底上后易于做后续的光刻、键合等工艺。
3.本发明采用的石墨烯样品只需有衬底支撑即可，原衬底的形状与尺寸不受限制；
4.湿法腐蚀金属过程不会对石墨烯造成物理损伤与破坏，成本也较低；
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种将石墨烯转移到具有PDMS过渡层的硬质衬底上的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a)将PDMS胶涂在附着有石墨烯的原衬底上；
b)使所述PDMS胶固化成PDMS过渡层；
c)对该PDMS过渡层与硬质衬底进行等离子处理，然后将该PDMS过渡层与硬质衬底进行轻压键合；
d)将键合后的硬质衬底放入腐蚀液中腐蚀掉所述原衬底；
e)用去离子水反复清洗石墨烯/PDMS过渡层/硬质衬底结合体并吹干，即得到转移到具有PDMS过渡层的硬质衬底上的石墨烯。
2.根据权利要求1所述的将石墨烯转移到具有PDMS过渡层的硬质衬底上的方法，其特征在于，所述步骤a）中的原衬底的是指铜箔或电镀铜。
3.根据权利要求1所述的将石墨烯转移到具有PDMS过渡层的硬质衬底上的方法，其特征在于，所述步骤c）中的硬质衬底为玻璃片、氧化硅、硅片或石英片中的一种。
4.根据权利要求1所述的将石墨烯转移到具有PDMS过渡层的硬质衬底上的方法，其特征在于，所述步骤d）中的腐蚀液为三氯化铁腐蚀液或硫酸双氧水腐蚀液。
5.根据权利要求1所述的将石墨烯转移到具有PDMS过渡层的硬质衬底上的方法，其特征在于，所述步骤a）和步骤b）之间还包括将涂好PDMS胶的衬底放入真空干燥箱中静置，去除所述PDMS胶中气泡的步骤。
6.根据权利要求1所述的将石墨烯转移到具有PDMS过渡层的硬质衬底上的方法，其特征在于，所述步骤b）具体是指采用90℃至120℃的温度热烘30至120分钟使所述PDMS胶固化成PDMS过渡层。
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