CN105006450A - 一种可延展无机柔性led阵列的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法，该制备方法包括：铜箔/镍箔基底的石墨烯转移到PDMS；将PDMS上的石墨烯转移到预拉伸胶带；预拉伸胶带回缩；利用半导体工艺技术，在LED外延片上形成同面电极开口LED单元排布成的阵列；将通过胶带回缩形成的褶皱石墨烯转移到形成LED单元阵列的外延片上；胶带的去除；石墨烯的图形化；与石墨烯接触金属的生长，图形化和电极引出；对LED表面进行柔性封装；柔性封装后去除LED的衬底，对LED背面进行柔性封装。本发明制备的用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列，具有可延展性强，电阻和光强对形变灵敏，出光效率高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及柔性可延展电子技术和光电器件技术、LED照明显示和纳米材料技术领域，具体涉及一种用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法。
背景技术
石墨烯是一种以六角形蜂巢结构周期性密堆积的二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯的统称，最初在2004年被英国曼彻斯特大学安德烈-海姆教授所发现，安德烈教授也因此于2010年获得诺贝尔物理学奖。石墨烯是目前已知的最薄、最坚硬的纳米材料，基本上是完全透明的，单层石墨烯的光透过率达97.7％；石墨烯的导电导热性能均非常优秀，常温下电子迁移率超过15000cm2/V·s，导热系数高达5300W/m·K，因此被期待用来发展更薄，电阻率更低的新一代电子元器件，有望在许多重大领域取得颠覆性的成果和应用。
基于无机半导体材料的柔性电子器件是当前的研究热点之一，无机柔性电子器件结合了传统无机器件和新型有机柔性器件两者的优势，一方面能够保留传统无机器件的高性能，另一方面又兼具了有机柔性器件的特点，可以形变，甚至可以拉伸。无机柔性电子器件这些特有的优势，有望在新的领域发展出许多令人遐想的新应用，如与人体集成的新型电子设备，贴合人体的实时监测医疗健康设备，人工智能机体皮肤等等，无机柔性电子器件的发展给未来电子器件的发展提供了新的维度，具有极其广阔的发展前景。
对基于石墨烯的柔性器件的研究正处于迅猛发展阶段，诸多以石墨烯等纳米材料为基础的电子器件应运而生，其中以石墨烯材料制作的大面积柔性导电薄膜，柔性应力传感器，柔性超电容器等等已有比较多的报道，然而将石墨烯材料与传统无机器件的结合相关的产品还比较少。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法，此方法制备的柔性可延展LED阵列具有可延展性强，光强对形变敏感，出光效率高等特点。
根据本发明一方面，其提供了一种用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将生长在基底上的石墨烯转移到PDMS上；
步骤2：将PDMS上的石墨烯转移到预拉伸的超弹性胶带或薄膜上；
步骤3：将胶带回缩，从而压缩石墨烯，使其形成褶皱石墨烯；
步骤4：在LED外延片上形成同面电极开口的LED单元排布阵列；
步骤5：将褶皱的石墨烯从胶带上转移至形成了LED单元排布阵列的所述LED外延片上，并去除胶带；
步骤6：对转移到所述LED外延片上的褶皱石墨烯完成图形化，形成LED单元排布阵列的互联；
步骤7：在石墨烯上生长接触金属，并引出导线；
步骤8：对形成互联的LED单元排布阵列做表面柔性封装，并去除所述LED外延片上的衬底，形成以石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列。
本发明提供的这种用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法，与传统的金属互联柔性LED阵列相比，具有可拉伸性强，出光效率高，光强随形变可变等优势。首先，制备的LED阵列的最大可拉伸性决定于制备方法第二步中胶带的预拉伸程度，实际可在500％形变范围内可调，与传统的可拉伸器件相比，可承受形变程度极大；其次，传统的金属导线互联LED的欧姆接触区出光会被金属遮挡，从而无法出光，但单层石墨烯的厚度仅有0.35nm，而多层石墨烯的厚度也都在5nm以下，石墨烯高的光透过率使得本发明制备的LED出光效率超高，石墨烯与LED接触部分仍然可以正常出光；最后，本发明制备的可延展无机柔性LED中，由于褶皱石墨烯导线的电阻会随形变的大小而变化，所以在一定外加偏压下LED的亮度会随形变大小而发生变化，因此所制备的LED阵列可以用作直接可视化的应力传感器，通过对LED阵列亮度变化的观察而直接得知应力的大小及分布，相对于传统的必须通过仪器仪表读出电阻或电容才能反映出应力大小的传感器，具有新颖简便、适用性强的优势。
附图说明
为了进一步阐明本发明的内容和优点，下面将结合附图和实例详细说明如后，其中：
图1为本发明提出的用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法中的步骤1，将石墨烯从铜箔/镍箔转移到PDMS上的流程示意图。
图2为本发明提出的用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法中的步骤2，将石墨烯从PDMS转移到预拉伸的胶带，然后收缩形成褶皱石墨烯的流程示意图。
图3为利用半导体技术，在外延片上形成的独立的LED单元的示意图，LED单元的一侧刻蚀到接触层，从而将LED的n型和p型接触层在同面暴露出来，以形成与石墨烯的接触。
图4为外延片上形成的LED单元阵列的示意图，图中每个小LED单元结构都与图3中相同。
图5与图6为将带有褶皱石墨烯的胶带贴合上LED单元的示意图，图5为侧俯视图，图6为平视图。
图7为将石墨烯图形化后形成的LED互联示意图，这里示意的是最简单的串联结构，而实际的互联排布可以根据实际要求，通过改变光刻版图形来进行调整。
图8为在阵列边缘石墨烯上生长接触金属的示意图，实际的生长金属设计可以进行调整，以满足外部接出的需要。
图9为在形成互联的LED阵列上涂覆硅胶，进行柔性封装的示意图。
图10为在柔性封装后去除掉半导体衬底，形成用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
参考图1-10，本发明提出了一种用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法。所述方法包括：
步骤1：参照图1的流程将石墨烯从铜箔转移到PDMS上。首先配置PDMS(聚二甲基硅氧烷)，比如将美国DOW CORNING公司生产的PDMS产品中的主剂与固化剂按照质量比10∶1混合，然后均匀搅拌20min后真空除气至没有气泡。然后取一块铜箔/镍箔基1的单层或多层石墨烯2，将配置好的PDMS3涂覆在石墨烯2表面上，形成约0.5mm-1mm的PDMS薄膜，接着将其在热板上80度加热2小时至PDMS彻底固化。将带着PDMS的铜箔/镍箔放入FeCl3溶液4中约10小时，待铜箔被完全溶解后，石墨烯2被完整地转移到PDMS3上，从溶液中取出后用去离子水清洗3遍，然后自然风干。
步骤2：参照图2的流程，将PDMS3上的石墨烯2转移到胶带5上并形成褶皱石墨烯，胶带可采用美国3M公司生产的VHB 4905胶带或者其他能够满足预拉伸和去除条件(有超强弹性，高粘性与高平整性，且转移到LED上后可以用溶液将其去除)的胶带或薄膜。先将胶带5平整地拉开，使其处于预拉伸状态，预拉伸的形变程度可以在500％范围内任意选择，包括单向拉伸以及和双向拉伸，此处预拉伸的形变程度决定了之后形成的可延展柔性LED阵列的最大可延展度，单向预拉伸形成可单向拉伸的石墨烯，而双向预拉伸形成可平面内任意方向拉伸的石墨烯。将PDMS3有石墨烯2的一面平整地与预拉伸胶带5进行贴合，贴合好之后静置约一分钟，然后揭去PDMS 3，石墨烯2留在了胶带5上。最后将预拉伸的胶带5平整缓慢地收缩，形成褶皱的石墨烯2。
步骤3：参照图3所示，利用半导体工艺技术，在LED外延片衬底8上形成同面电极开口的LED单元6排布阵列。参照图4所示，满足本制备方法的LED的阵列单元6应形成类似的结构：首先在外延生长时，LED单元6与衬底8之间应该生长一层刻蚀停止层7，将LED单元与衬底8隔离开来，而用于去除衬底8的腐蚀液对刻蚀停止层与衬底之间应有高的刻蚀选择比，这样可以保证在去除衬底8时的精确定位停止，也可以保护LED的有源区。其次要将LED单元的正面一侧进行一定的刻蚀，到达下接触层，使LED的n型接触层9和p型接触层10均在正面暴露出来，以方便之后与石墨烯2形成接触，在此，LED单元大小与单元间距等参数可根据不同的应用要求而进行调整。
步骤4：参照图5与图6所示，将带有褶皱石墨烯2的胶带5的石墨烯2一侧与LED外延片的LED单元6一侧平整贴合，然后放置在热板上120度热烘10min，使石墨烯2与外延片的贴合比较牢固。然后将外延片连同胶带5一起放入50℃的热丙酮中，水浴加热保持温度，每半小时换用新的热丙酮，大约1小时30分钟后，胶带5会彻底溶胀离开外延表面，而石墨烯2会自然下垂与LED单元6不同高度的位置形成接触，完成互联，保留在外延片上。
步骤5：参照图7所示，利用传统平面半导体工艺，用光刻胶作掩膜，使用RIE或O2等离子体刻蚀将外延片上的石墨烯2进行图形化，形成石墨烯互联导线，将LED单元6阵列连接起来。图6中的互联示意是最简单的串联形式，而实际的互联排布可以通过版图进行自定义，并不限于此处的互联形式。
步骤6：参照图8所示，利用传统平面半导体工艺，在石墨烯2互联的外接处形成接触金属11。具体操作是采用剥离工艺，先旋涂光刻胶并图形化生长金属的开孔，然后磁控溅射生长金属，最后进行剥离以形成金属图形化。关于生长的金属材料，金属Ti的功函数与石墨烯2的功函数最为接近，在石墨烯2上生长金属Ti可以形成比较好的欧姆接触，此处生长的金属厚度可以根据需要进行选择，比如生长5nm金属Ti和20nm金属Au，来形成电极接出。
步骤7：参照图9所示，在形成好石墨烯2互联的LED阵列表面上涂覆柔性可延展材料12，如PDMS或ECOFLEX(模具硅橡胶，美国Smooth-on公司ECOFLEX 30)，对LED阵列进行柔性封装。比如用ECOFLEX进行封装，具体操作是将ECOFLEX的A、B两组分按照体积比1∶1进行均匀混合，然后静置除气后，涂覆在LED阵列6表面形成约1mm的薄膜12，室温下静置4h，固化后即完成封装。
步骤8：在完成柔性封装后，利用传统半导体外延片机械减薄和磨抛，以及化学刻蚀等工艺，对LED外延的衬底进行去除操作。彻底去除衬底后，就形成了用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列，参照图10所示；
步骤9：如有需要，可以在去除掉衬底的一面再进行一次柔性封装，从而保护其中的无机LED阵列，封装的方法同步骤7。
本发明提出的用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法，是将铜箔/镍箔基底生长的石墨烯做三次转移，转移中间形成一次收缩，最终在LED外延片上形成褶皱的可拉伸型褶皱石墨烯，并完成LED阵列的互联。利用石墨烯导电导热性好，机械强度高，对光的吸收率低等特点，形成高可延展性以及高出光效率的柔性LED阵列，而且所形成的LED阵列在外加偏压一定的情况下，其亮度会随形变而发生变化，因此可以用作直接可视化的应力传感设备。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将生长在基底上的石墨烯转移到PDMS上；
步骤2：将PDMS上的石墨烯转移到预拉伸的超弹性胶带或薄膜上；
步骤3：将胶带回缩，从而压缩石墨烯，使其形成褶皱石墨烯；
步骤4：在LED外延片上形成同面电极开口的LED单元排布阵列；
步骤5：将褶皱的石墨烯从胶带上转移至形成了LED单元排布阵列的所述LED外延片上，并去除胶带；
步骤6：对转移到所述LED外延片上的褶皱石墨烯完成图形化，形成LED单元排布阵列的互联；
步骤7：在石墨烯上生长接触金属，并引出导线；
步骤8：对形成互联的LED单元排布阵列做表面柔性封装，并去除所述LED外延片上的衬底，形成以石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列。
2.如权利要求1所述的用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法，其中，所述基底为铜箔或镍箔，且所述石墨烯为通过CVD方法生长在基底上的单层或多层石墨烯。
3.如权利要求1所述的用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法，其中，所述的可拉伸超弹性胶带或薄膜为能够满足预拉伸和去除条件的胶带或薄膜。
4.如权利要求1所述的用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法，其中，所述LED单元排布阵列中，LED的有源区与衬底之间具有刻蚀停止层。
5.如权利要求1所述的用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法，其中，步骤6中对所述石墨烯的图形化方法采用通过光刻胶作掩膜的氧离子刻蚀或RIE刻蚀。
6.如权利要求1所述的用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法，其中，步骤7中，在所述石墨烯上生长的金属为Ti、Au或Ti/Au合金；如果采用Ti/Au合金，则先形成Ti与石墨烯的直接接触，然后在其上面生长Au。
7.如权利要求1所述的用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法，其中，步骤8中对形成互联的LED单元排布阵列做表面柔性封装的材料采用硅胶。
8.如权利要求7所述的用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法，其中，所述硅胶为PDMS或ECOFLEX。
9.如权利要求1所述的用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法，其中，所述方法还包括：
步骤9：在所述LED外延片去除衬底的一面再进行一次柔性封装。
10.如权利要求3所述的用石墨烯作透明互联的可延展无机柔性LED阵列的制备方法，其中，所述的可拉伸超弹性胶带或薄膜为美国3M公司生产的VHB 4905/4910型号的胶带。
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