CN105000551A - 一种大面积石墨烯的无缝转移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大面积石墨烯的无缝转移的方法，这种大面积石墨烯在转移过程中，没有去除PMMA载体，不仅不影响石墨烯薄膜作为透明电极的应用，而且避免了在去除PMMA过程中石墨烯缝隙的生成，从而实现了大面积连续石墨烯的无缝转移；无须任何处理，通过该无缝转移方法得到的石墨烯具有较小的面电阻，主要分布在300Ωsq^-1左右，最小达到219Ωsq^-1，为非掺杂石墨烯的1/5，其导电性与掺杂石墨烯相当；而且，转移后的石墨烯/PMMA/AB胶的光透过率为96%，与单层石墨烯的97.4%几乎相当；工艺简单，成本低廉，适用于大面积连续石墨烯的转移。

Description

一种大面积石墨烯的无缝转移的方法

技术领域

本发明涉及一种无缝转移的方法，尤其涉及一种大面积石墨烯的无缝转移的方法。

背景技术

透明电极是太阳能电池、LCD显示器、OLED显示器、触摸屏、有机EL面板等光电器件的核心组成部分之一。石墨烯，一种碳原子以sp²杂化键合构成的二维单层晶体，拥有高的光透过率、导电性、化学稳定性及很好的柔性。这些特点使得石墨烯成为取代ITO的理想材料。ITO是一种传统的透明电极材料，但是其价格昂贵，具有脆性，要求高真空的环境，这使得ITO不能满足未来光电器件柔性、轻便、低廉、绿色环保等更严格的要求。目前，通过化学气相沉积（CVD）方法，人们能够在特定的金属基底上成功生长出高质量和大面积的单层或少层石墨烯，这显著地加快了大面积石墨烯电极的发展。

然而，对于电极的应用，石墨烯需要被支撑在绝缘基底上，意味着长在金属基底上的石墨烯需要被转移到其他合适的目标基底上。有文献报道， 将CVD方法生长出的石墨烯转移到目标基底后，在光透过率为97%时的面电阻高达2100 Ωsq^-1。该面电阻值比石墨烯面电阻理论值（在光透过率为97.4%时，石墨烯面电阻为30 Ωsq^-1）要高的多；而且对于透明电极来说，该面电阻值太高。这表明对于获得高性能的透明电极，石墨烯的转移仍然是一个重要的问题。目前，有几种减小转移后的石墨烯面电阻的方法，包括逐层堆垛的少层石墨烯，化学掺杂以及与金属纳米线的结合。通过逐层堆垛的四层石墨烯，具有30 Ωsq^-1的面电阻和90%的光透过率。AuCl₃可以使单层石墨烯的面电阻减小到150 Ωsq^-1.。通过在石墨烯和聚合物基底金属纳米线获得了面电阻为8 Ωsq^-1和光透过率为94%的透明电极。然而，目前的方法都有它们不同的缺点。石墨烯的堆垛增加了电荷传输的通道，却以光透过率的减少为代价。吸附在石墨烯表面的掺杂材料影响了其稳定性。金属纳米线很容易被氧化，以至于影响了电极的稳定性。因此，发展一种可以减小转移后的石墨烯面电阻的方法十分重要。

发明内容

本发明目的就是提供一种大面积石墨烯无缝转移的方法，通常，在聚合物作为载体下（常用PMMA），将PMMA/石墨烯转移到目标基底后，需要去除PMMA使石墨烯表面暴露从而充当电极。但是，在去除PMMA过程中，不可避免地会使石墨烯产生缝隙，产生的缝隙减少了电荷传输的通道，从而使得面电阻的实验值与理论值相差很大。根据我们的实验结果，面电阻的大小与石墨烯缝隙的大小是成比例的，即缝隙面积越大，石墨烯面电阻越大，本方法的核心思想是在基本上不降低石墨烯透光性的前提下，将石墨烯/PMMA一起转移到目标基底后，使石墨烯处于PMMA/基底的上方，无须去除PMMA，从而完全避免石墨烯中缝隙的产生，最终获得面电阻低光透过率高的高性能石墨烯透明电极。本发明提供的这种大面积石墨烯的无缝转移方法工艺简单，成本低廉。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种大面积石墨烯的无缝转移的方法，包括以下步骤：

(1) 石墨烯/铜箔表面旋涂PMMA：在25 μm厚的铜箔表面通过CVD法生长得到高质量的石墨烯，在石墨烯表面旋涂浓度为100 mg/ml PMMA，旋涂完之后，放置于加热台上168-170 ℃下烘烤4.6-5分钟；

 (2) 在目标基底表面滚压涂布AB胶：目标基底为PET，待PET清洗干净后，将主剂与硬化剂以质量比1:1混合形成的环氧AB胶以滚压的形式均匀涂布在PET上；

(3) PMMA/石墨烯/铜箔与AB胶/PET固定贴合：在PET上均匀涂布完环氧AB胶之后，立即将旋涂有PMMA一面的石墨烯/铜箔以滚压的形式固定贴合到AB胶/PET上，放置于加热台上，76-80 ℃下烘烤120-130分钟，使AB胶固化；

(4) 金属衬底的刻蚀：将固定后的铜箔/石墨烯/PMMA/AB胶/PET放入浓度为1 mol/L的FeCl₃溶液中刻蚀铜箔，在铜箔刻蚀完之后，石墨烯/PMMA被转移到了目标基底上，石墨烯在PMMA/基底之上，然后，将转移后的石墨烯薄膜放置于去离子水中清洗其表面残留的FeCl₃刻蚀液，接着，再将石墨烯薄膜放置于稀盐酸中进一步清洗其表面残留的FeCl₃刻蚀液及其他杂质，最后，将石墨烯薄膜放置于去离子水中清洗其表面的残留的盐酸，清洗完毕后，风干后即完成了石墨烯薄膜的无缝转移，得到了石墨烯/PMMA/AB胶/PET的结构。

一种大面积石墨烯的无缝转移的方法，所述的环氧AB胶中主剂是由下述重量份的原料组成的：

环氧树脂E51 40-45、硅酸钙30-40、轻质碳酸钙6-10、硅烷偶联剂KH550 0.3-1、二氧化硅3-4；

所述的硬化剂是由下述重量份的原料组成的：

四氢邻苯二甲酸酐8-10、甲基四氢邻苯二甲酸酐20-25、N-氨乙基哌嗪1-2、硅酸钙40-50。

本发明的优点是：

(1) 这种大面积石墨烯在转移过程中，没有去除PMMA载体，不仅不影响石墨烯薄膜作为透明电极的应用，而且避免了在去除PMMA过程中石墨烯缝隙的生成，从而实现了大面积连续石墨烯的无缝转移；

(2) 无须任何处理，通过该无缝转移方法得到的石墨烯具有较小的面电阻，主要分布在300 Ωsq^-1左右，最小达到219 Ωsq^-1，为非掺杂石墨烯的1/5，其导电性与掺杂石墨烯相当；而且，转移后的石墨烯/PMMA/AB胶的光透过率为96%，与单层石墨烯的97.4%几乎相当；

(3) 工艺简单，成本低廉，适用于大面积连续石墨烯的转移。

附图说明

图1：其中图a，通过我们发展的无缝转移方法转移到PET基底上的14英寸石墨烯的照片；

图b，铜箔上生长的连续石墨烯的扫描电镜照片；

图c，通过无缝转移方法转移到PET上的石墨烯扫描电镜照片；

图d，通过去除PMMA法转移到氧化硅/硅上的石墨烯，其中可见两处大小不一的石墨烯缝隙。

图2：无缝转移与有缝转移面电阻分布图。

图3：石墨烯薄膜面电阻与缝隙面积占整个石墨烯面积百分比的关系图。

图4：PMMA/AB胶，石墨烯，石墨烯/PMMA/AB胶的光透过率随光波长变化的关系图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

一种大面积石墨烯的无缝转移的方法，包括以下步骤：

(1) 石墨烯/铜箔表面旋涂PMMA：在25 μm厚的铜箔表面通过CVD法生长得到高质量的石墨烯，在石墨烯表面旋涂浓度为100 mg/ml PMMA，旋涂完之后，放置于加热台上170 ℃下烘烤4.6分钟；

 (2) 在目标基底表面滚压涂布AB胶：目标基底为PET，待PET清洗干净后，将主剂与硬化剂以质量比1:1混合形成的环氧AB胶以滚压的形式均匀涂布在PET上；

(3) PMMA/石墨烯/铜箔与AB胶/PET固定贴合：在PET上均匀涂布完环氧AB胶之后，立即将旋涂有PMMA一面的石墨烯/铜箔以滚压的形式固定贴合到AB胶/PET上，放置于加热台上，80 ℃下烘烤120分钟，使AB胶固化；

(4) 金属衬底的刻蚀：将固定后的铜箔/石墨烯/PMMA/AB胶/PET放入浓度为1 mol/L的FeCl₃溶液中刻蚀铜箔，在铜箔刻蚀完之后，石墨烯/PMMA被转移到了目标基底上，石墨烯在PMMA/基底之上，然后，将转移后的石墨烯薄膜放置于去离子水中清洗其表面残留的FeCl₃刻蚀液，接着，再将石墨烯薄膜放置于稀盐酸中进一步清洗其表面残留的FeCl₃刻蚀液及其他杂质，最后，将石墨烯薄膜放置于去离子水中清洗其表面的残留的盐酸，清洗完毕后，风干后即完成了石墨烯薄膜的无缝转移，得到了石墨烯/PMMA/AB胶/PET的结构。

一种大面积石墨烯的无缝转移的方法，所述的环氧AB胶中主剂是由下述重量份的原料组成的：

环氧树脂E51 45、硅酸钙40、轻质碳酸钙10、硅烷偶联剂KH550 0.3、二氧化硅4；

所述的硬化剂是由下述重量份的原料组成的：

四氢邻苯二甲酸酐10、甲基四氢邻苯二甲酸酐25、N-氨乙基哌嗪2、硅酸钙40。

由上图1中a图可看出，PET下面的校徽清晰可见，表面转移后的石墨烯具有很好的透光性；

图c表明通过该方法转移得到的石墨烯具有非常好的连续性；

图2可以看出，无缝转移获得的大面积石墨烯薄膜的面电阻显著比有缝转移获得的面电阻小很多，无缝转移获得的石墨烯面电阻稳定在300 Ωsq^-1左右，而有缝转移获得的石墨烯面电阻稳定在1400 Ωsq^-1左右。

图3可以看出，当缝隙面积占整个石墨烯面积为5%及以下时，石墨烯面电阻值上升幅度不大，当缝隙面积超过5%时，石墨烯面电阻值显著上升。

图4可以看出，在光波长为550 nm时，石墨烯/PMMA/AB胶的光透过率为96.2%，与去除聚合物载体后的单层石墨烯的97.4%几乎相当。

Claims (2)

1.一种大面积石墨烯的无缝转移的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1) 石墨烯/铜箔表面旋涂PMMA：在25 μm厚的铜箔表面通过化学气相沉积法生长得到高质量的石墨烯，在石墨烯表面旋涂浓度为100 mg/ml PMMA，旋涂完之后，放置于加热台上168-170℃下烘烤4.6-5分钟；

 (2) 在目标基底表面滚压涂布AB胶：目标基底为PET，待PET清洗干净后，将主剂与硬化剂以质量比1:1混合形成的环氧AB胶以滚压的形式均匀涂布在PET上；

(3) PMMA/石墨烯/铜箔与AB胶/PET固定贴合：在PET上均匀涂布完环氧AB胶之后，立即将旋涂有PMMA一面的石墨烯/铜箔以滚压的形式固定贴合到AB胶/PET上，放置于加热台上，76-80下℃烘烤120-130分钟，使AB胶固化；

(4) 金属衬底的刻蚀：将固定后的铜箔/石墨烯/PMMA/AB胶/PET放入浓度为1 mol/L的FeCl3溶液中刻蚀铜箔，在铜箔刻蚀完之后，石墨烯/PMMA被转移到了目标基底上，石墨烯在PMMA/基底之上，然后，将转移后的石墨烯薄膜放置于去离子水中清洗其表面残留的FeCl3刻蚀液，接着，再将石墨烯薄膜放置于稀盐酸中进一步清洗其表面残留的FeCl3刻蚀液及其他杂质，最后，将石墨烯薄膜放置于去离子水中清洗其表面的残留的盐酸，清洗完毕后，风干后即完成了石墨烯薄膜的无缝转移，得到了石墨烯/PMMA/AB胶/PET的结构。

2.根据权利要求1所述的一种大面积石墨烯的无缝转移的方法，其特征在于所述的环氧AB胶中主剂是由下述重量份的原料组成的：

环氧树脂E51 40-45、硅酸钙30-40、轻质碳酸钙6-10、硅烷偶联剂KH550 0.3-1、二氧化硅3-4；

所述的硬化剂是由下述重量份的原料组成的：

四氢邻苯二甲酸酐8-10、甲基四氢邻苯二甲酸酐20-25、N-氨乙基哌嗪1-2、硅酸钙40-50。