CN104370281A

CN104370281A - 一种cvd生长的石墨烯的转移装置和方法

Info

Publication number: CN104370281A
Application number: CN201410560750.4A
Authority: CN
Inventors: 贾宝平; 王小周; 丁建宁
Original assignee: JIANGNAN GRAPHENE RESEARCH INSTITUTE; Changzhou University
Current assignee: JIANGNAN GRAPHENE RESEARCH INSTITUTE; Changzhou University
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2015-02-25

Abstract

本发明涉及一种CVD生长的石墨烯的快速转移装置和方法，具体步骤如下：1）去除化学气相沉积法在相应衬底上背面生长的石墨烯；2）将目标衬底与步骤1）中得到的单面石墨烯/生长衬底样品同一端固定在底部镂空的容器壁上，其中目标衬底平行于刻蚀液液面，生长衬底/单面石墨烯样品以一定角度插入液面以下；3）步骤2）中浸在液面下的生长衬底部分首先被刻蚀，调节镂空容器中液面位置，使石墨烯与目标衬底接触贴合，即先完成转移。4）然后继续调节刻蚀液液面位置，重复步骤3）中刻蚀，转移操作，使单面石墨烯样品由自由端向固定端逐渐被刻蚀，直至全部刻蚀完成。本发明避免目前石墨烯转移技术使用PMMA等有机物，导致残留有机成分的污染问题，简化了转移工艺，实现了一种新型的连续大面积、高质量石墨烯样品的边刻蚀边转移的工艺。

Description

一种CVD生长的石墨烯的转移装置和方法

技术领域

本发明涉及一种转移石墨烯的方法，属于薄膜材料领域。

背景技术

石墨烯是碳原子在二维平面内以SP²轨道杂化形成的六角结构。由于结构中的π键，石墨烯表现出优异的热学、电磁学和机械性能（据文献报道热导5000Wm^-1K^-1，本征迁移率达到200000 cm² v^-1 s^-1，光学透过率97.7%，表面积达到2630 m²g^-1，杨氏模量1.0TPa，）。因此，石墨烯不仅成为很多的科研工作者心目中的“明星材料”，而且吸引了越来越多的企业家致力于将其推向产业化。在石墨烯走向实际应用的过程中，主要有两大障碍：制备和转移。尽管在制备方面已有报道能够生长出30英寸的石墨烯样品，但是实际应用还有很长的路要走，因为大部分的样品质量退化现象（如褶皱、破裂等）还是发生在石墨烯转移过程中。目前的转移工艺主要可以分为干法转移和湿法转移，其中roll-to-roll属于典型的干法转移，但其限制了目标衬底只能为柔性衬底，对于Si片、Al₂O₃等刚性衬底则不适用；目前的湿法转移需要借助有机物（如PDMS、PMMA），虽然它们在转移过程中较好的保持了石墨烯的本征形貌，但是转移完成后很难被完全除去，残留在样品上，对样品性能产生影响。本发明实现了一种边刻蚀边转移的新型转移工艺，不仅克服了干法转移中对衬底材料的限制，而且避免了有机残留对样品性能的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服一般湿法转移中有机物残留和干法刻蚀中衬底受限问题，提供了一种简单、环保、可控的高质量石墨烯转移方法。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

一种CVD生长的石墨烯的快速转移装置和方法，具体步骤如下：

1）去除化学气相沉积法在生长衬底上背面生长的石墨烯；

2）将目标衬底与步骤1）中得到的单面石墨烯/生长衬底样品同一端固定在底部镂空的容器壁上，其中目标衬底平行于液面，单面石墨烯/生长衬底样品以一定角度插入液面以下；

3）步骤2）中浸在液面下的部分首先被刻蚀，调节镂空容器中液面位置，使石墨烯与目标衬底接触贴合，即先完成转移；

4）然后继续调节刻蚀液位置，重复步骤3）中刻蚀，转移，使单面石墨烯样品由自由端向固定端逐渐被刻蚀，直至全部刻蚀完成；

5）将步骤4）中所得的石墨烯/目标衬底用电导率为18.25kΩcm的去离子水洗涤并在60℃干燥180min。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制；在附图中：

图1是本发明实施的装置图，其中①表示目标衬底，②表示生长衬底，③表示底部镂空容器，④表示刻蚀液，⑤表示玻璃皿

图2转移前在铜箔上的石墨烯和转移后在PET上的石墨烯的拉曼图谱

图3转移前在铜箔上的石墨烯和转移后在Si上的石墨烯的拉曼图谱

图4转移前在铜箔上的石墨烯和转移后在Al₂O₃上的石墨烯的拉曼图谱

具体实施方式

以下对本发明的优选实例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实例仅用于说明和解释本发明的原理和实质，并不用于限定本发明。

本发明提供一种本发明涉及一种CVD生长的石墨烯的快速转移装置和方法，所述方法包括如下步骤：

1）用化学气相沉积法在Cu上生长石墨烯，并用氧等离子体清洗去除衬底背面生长的石墨烯；

2）将目标衬底与步骤1）中得到的单面石墨烯/Cu样品同一端固定在底部镂空的容器壁上，其中目标衬底平行于液面，单面石墨烯/Cu样品以一定角度插入液面以下；

3）步骤2）中浸在液面下的部分首先被刻蚀，调节镂空容器液面位置，使石墨烯与目标衬底接触贴合，即先完成转移；

以下对本发明方法的各步骤作进一步详细说明如下：

下面用详细的示范性实施例进一步描述本发明，但这些实施例不构成对本发明的任何限制。

实施例1

1）用化学气相沉积法在Cu衬底上生长石墨烯，并用氧等离子体去除衬底背面生长的石墨烯；2）将PET与步骤1）中得到的单面石墨烯/Cu样品同一端固定在底部镂空直径为10mm的圆孔的容器壁上，其中PET平行于三氯化铁溶液液面，单面石墨烯/Cu样品以30度插入液面以下；3）步骤2）中浸在液面下的Cu部分首先被刻蚀，调节镂空容器液面位置，使石墨烯与PET接触贴合，即先完成转移；4）用注射器调节三氯化铁溶液液面位置，重复步骤3）中刻蚀，转移操作，使单面石墨烯样品由自由端向固定端逐渐被刻蚀，直至全部刻蚀完成；5）将步骤4）中所得的石墨烯/PET用电导率为18.25kΩcm的去离子水洗涤5遍并在60℃下干燥3h；由图2转移前在铜箔上的石墨烯和转移后在PET上的石墨烯的拉曼图谱对比可以看出，转移前后石墨烯的结构特性没有发生明显变化。

实施例2

1）用化学气相沉积法在Cu衬底上生长石墨烯，并用氧等离子体清洗去除衬底背面生长的石墨烯；2）将Si与步骤1）中得到的单面石墨烯/Cu样品同一端固定在底部镂空直径为10mm的六边形的容器壁上，其中Si平行于过硫酸铵溶液液面，单面石墨烯/Cu样品以20度插入液面以下；3）步骤2）中浸在液面下的Cu部分首先被刻蚀，调节镂空容器液面位置，使石墨烯与Si接触贴合，即先完成转移；4）用注射器调节过硫酸铵溶液液面位置，重复步骤3）中刻蚀，转移操作，使单面石墨烯样品由自由端向固定端逐渐被刻蚀，直至全部刻蚀完成；5）将步骤4）中所得的石墨烯/Si用电导率为18.25kΩcm的去离子水洗涤6遍并在60℃下干燥3h；由图3转移前在铜箔上的石墨烯和转移后在Si上的石墨烯的拉曼图谱对比可以看出，转移前后石墨烯的结构特性没有发生明显变化。

实例3

1）用化学气相沉积法在Cu衬底上生长石墨烯，并用氧等离子体清洗去除衬底背面生长的石墨烯；2）将Al₂O₃与步骤1）中得到的单面石墨烯/Cu样品同一端固定在底部镂空边长为边长为10mm正方形的容器壁上，其中Al₂O₃平行于过硫酸钾溶液液面，单面石墨烯/Cu样品以10度插入液面以下；3）步骤2）中浸在液面下的Cu部分首先被刻蚀，调节镂空容器液面位置，使石墨烯与Al₂O₃接触贴合，即先完成转移；4）用注射器调节过硫酸钾溶液液面位置，重复步骤3）中刻蚀，转移，使单面石墨烯样品由自由端向固定端逐渐被刻蚀，直至全部刻蚀完成；5）将步骤4）中所得的石墨烯/ Al₂O₃用电导率为18.25kΩcm的去离子水洗涤5遍并在60℃下干燥3h；由图4转移前在铜箔上的石墨烯和转移后在Al₂O₃上的石墨烯的拉曼图谱对比可以看出，转移前后石墨烯的结构特性没有发生明显变化。

Claims

1.一种CVD生长的石墨烯的快速转移装置和方法，具体步骤如下：

1）去除化学气相沉积法在生长衬底上背面生长的石墨烯；

3）步骤2）中浸在液面下的生长衬底部分首先被刻蚀，调节镂空容器液面位置，使石墨烯与目标衬底接触贴合，即先完成转移；

4）然后继续调节刻蚀液液面位置，重复步骤3）中刻蚀，转移操作，使单面石墨烯样品由自由端向固定端逐渐被刻蚀，直至全部刻蚀完成；

5）将步骤4）中所得的石墨烯/目标衬底用电导率为18.25kΩcm的去离子水洗涤并干燥。

2.权利要求1所述转移方法步骤1)中去除生长衬底上背面生长的石墨烯，其特征在于：可选等离子体清洗、3M胶带剥离等手段，优选氧等离子体清洗。

3.权利要求1所述转移方法步骤2）中目标衬底，其特征在于：目标衬底可以为选择任意无机/有机材料，或任意柔性/刚性材料，优选PET、Si、Al₂O₃等任意一种。

4.权利要求1-3转移方法中所涉及的底部镂空容器，其特征在于：底部镂空图案可选直径在5-10mm的圆孔、边长为5-10mm正方形、长方形、六边形等；优选直径为10mm的圆孔。

5.权利要求1、3、4转移方法中所述的目标衬底和单面石墨烯/生长衬底样品形成一定夹角，其特征在于：形成的夹角度在10~30°之间可选，优选15~20°之间。

6.权利要求1-5转移方法中所述的调节镂空容器中液面位置，其特征在于：由于目标衬底、单层石墨烯/生长衬底样品以及镂空容器固定在一起，如果直接手动调节，会造成一定程度震动，导致转移样品发生褶皱、破裂等缺陷；这里选用注射器沿最外侧玻璃皿容器壁缓慢加入刻蚀液，从而相对改变镂空容器中液面的位置。

7.权利要求1-6转移方法中所述刻蚀方法和刻蚀液，其特征在于：刻蚀方法可以采用化学刻蚀、电化学鼓泡等方法；刻蚀液可以选过硫酸铵溶液、过硫酸钾溶液、三氯化铁溶液等或以上溶液的混合溶液；刻蚀方法优选化学刻蚀法，刻蚀液优选过硫酸铵溶液。

8.权利要求1-7所述转移方法步骤5），其特征在于：干燥采用烘烤的方式，通过加热烘烤去除转移后石墨烯和目标衬底间的水分；优选60℃，烘烤180min。