CN105036118B - 基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法，属于石墨烯制备领域。该方法为：(1)在铜箔上生长石墨烯；(2)将透明目标衬底键合在步骤(1)制备的石墨烯上，形成透明目标衬底/石墨烯/Cu；(3)采用飞秒激光从透明目标衬底上表面的一边进行扫描辐照，去除铜箔，即得石墨烯/透明目标衬底。其优点为：提高了激光剥离的精度和效率；作为一种冷加工方式，飞秒激光辐照前后石墨烯层的温度均匀且变化不大，有效减小了石墨烯与载体衬底的热应力，提高了剥离的质量。

Description

基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法
技术领域
本发明涉及石墨烯制备领域，具体涉及一种基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法。
背景技术
石墨烯(Graphene)自从2004年第一次被制备成功至今，受到了广泛的关注。石墨烯具有非常特殊的性能：(1)单层石墨烯厚度为0.335nm，石墨烯薄膜为纳米量级；(2)石墨烯拥有超高的杨氏模量(约1000GPa)和断裂强度(130GPa，是钢的100-200倍)，非常稳定的结构，很强的导电性(载流子的迁移速率极高，室温、液氮温度下分别能达到15000cm2V-1S-1和60000cm2V-1S-1)；(3)石墨烯薄膜可以在二氧化硅表面稳定粘附，且具有不可穿透性；(4)石墨烯电阻率极低(电阻率只约10-8Ω·m，比常见金属还低)。由于石墨烯厚度很小，制备时需要Cu箔等材料作为衬底，然后再通过Cu和石墨烯分离技术或者衬底转移技术才能得到。但是，诸如Cu之类的衬底往往有数百纳米的表面粗糙度，表面微观结构呈锯齿形状，使得石墨烯与Cu的结合界面变得非常复杂，分离比较困难。常见的分离方法有机械分离法、刻蚀衬底分离法，但是，机械分离法的良率一般只有10％-20％，虽然刻蚀衬底分离法的良率可以达到80％-90％，但是这种分离法的成本很高、时间较长，获得的石墨烯表面往往比较粗糙。
飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间只有几个飞秒(10-15秒)，比利用电子学方法获得的最短脉冲要短几千倍，其聚焦直径可以达到1um以内，加工精度可以达到100nm以内。采用飞秒激光进行微加工时材料甚至不经热传递过程就可以直接气化，这一功能可以用来对超小空隙、表面或体进行烘干以防止黏连的发生。飞秒激光可以产生库伦爆炸，从根本上避免了热扩散的存在和影响，可以作为一种“冷”加工方式，加工效果和质量极佳。但是目前还没有应用在石墨烯剥离方面。
发明内容
本发明针对已有激光剥离Cu/石墨烯的方法中存在的效率低、良率低等的缺陷，结合飞秒激光技术，提供了一种基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法，包括如下步骤：
(1)在铜箔上生长石墨烯；
(2)将透明目标衬底键合在步骤(1)制备的石墨烯上，形成透明目标衬底/石墨烯/Cu；
(3)采用飞秒激光从透明目标衬底上表面的一边进行扫描辐照，去除铜箔，即得石墨烯/透明目标衬底。
上述方法还包括如下步骤：对步骤(3)制备的石墨烯/透明目标衬底进行清洗处理。
所述铜箔的厚度为10-200um量级。
所述生长石墨烯的方法为化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积。
所述石墨烯的层数为单层。
所述石墨烯的层数不少于2层。
所述的键合为粘接键合或直接键合。
所述透明目标衬底的材料为PMMA、SiN、SiO2、石英玻璃或GaN。
所述飞秒激光辐照时聚焦在铜箔与石墨烯之间的界面层。
本发明基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法中的目标器件，包括铜箔、石墨烯和目标衬底，其特征在于：
所述的铜箔主要用于作为生长石墨烯层的衬底，厚度为10-200um量级；所述的石墨烯薄膜通过CVD(化学气相沉积)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术制备于铜箔衬底上，通常为单层；所述目标衬底作为转移石墨烯的载体衬底，可以是PMMA、SiN、SiO2等透明材料。
基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法的主要工艺流程为：
(1)在铜箔上生长一层或多层石墨烯；
(2)将目标衬底与石墨烯键合形成一个三层结构；
(3)使用飞秒激光从器件边缘进行扫描辐射，去除铜箔。
本发明提出了基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法，包括铜箔、石墨烯和目标衬底，在对铜箔进行剥离时，使用了飞秒激光对铜箔与石墨烯界面进行小范围辐照后去除铜箔。本发明提出的基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯的剥离方法，可以提高激光剥离的精度和效率；作为一种冷加工方式，飞秒激光辐照前后石墨烯层的温度均匀且变化不大，有效减小了石墨烯与载体衬底的热应力，提高了剥离的质量。
一种基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法，所述的铜箔与石墨烯器件，至少包括铜箔、石墨烯和目标衬底，所述石墨烯生长在铜箔上，并与目标衬底键合在一起形成目标衬底/石墨烯/铜箔的三层结构，铜箔的剥离使用飞秒激光进行辐照。
所述飞秒激光辐照时需要聚焦在铜箔与石墨烯之间的界面层；
所述石墨烯通过CVD或者PECVD方式生长在铜箔上；
所述飞秒激光辐照可以从器件的任意边缘开始；
还包括对分离得到的石墨烯与目标衬底进行清洗处理；
所述飞秒激光的最小可加工特征尺寸在1um以内，精度在100nm以内。
本发明提出的基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯的剥离方法，可以提高激光剥离的精度和效率；作为一种冷加工方式，飞秒激光辐照前后石墨烯层的温度均匀且变化不大，有效减小了石墨烯与载体衬底的热应力，提高了剥离的质量。
附图说明
图1为本发明的基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实进行进一步地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图1为基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法的工艺流程图。使用CVD技术在经过表面处理的200um厚度的铜箔102上沉积一层石墨烯101，如图1(a)所示；将目标衬底(PMMA材料)103与石墨烯101进行粘接键合，得到Cu/石墨烯/目标衬底的三层结构110，如图1(b)所示；调整飞秒激光束103光斑大小，并透过透明的目标衬底(使用飞秒激光的目的是将激光聚焦在界面层，铜不透光，所以激光进不去，因此必须从透明的材料照射进去才可以)聚焦在石墨烯101与铜箔102的界面处，从三层结构110的边缘开始扫描进行激光辐照直到完成，可以去除掉铜箔，如图1(c)所示；如图1(d)所示为剥离后的石墨烯与目标衬底。
用石英玻璃或GaN替代实施例1中的PMMA可以取得相同的技术效果。
实施例2
使用PECVD技术在经过表面处理的10um厚的铜箔102上沉积一层石墨烯101；将目标衬底(其材料为SiO2)103与石墨烯101进行直接键合，得到Cu/石墨烯/目标衬底的三层结构110；调整飞秒激光束103光斑大小，并透过透明的目标衬底(使用飞秒激光的目的是将激光聚焦在界面层，铜不透光，所以激光进不去，因此必须从透明的材料照射进去才可以)聚焦在石墨烯101与铜箔102的界面处，从三层结构110的边缘开始扫描进行激光辐照直到完成，可以去除掉铜箔，得到剥离后的石墨烯与目标衬底。
实施例3
与实施例1不同的是铜箔的厚度为100um，透明目标衬底的材料为SiN。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在铜箔上生长石墨烯；
(2)将透明目标衬底键合在步骤(1)制备的石墨烯上，形成透明目标衬底/石墨烯/Cu；
(3)采用飞秒激光从透明目标衬底上表面的一边进行扫描辐照，去除铜箔，即得石墨烯/透明目标衬底。
2.根据权利要求1所述一种基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法，其特征在于：还包括如下步骤：对步骤(3)制备的石墨烯/透明目标衬底进行清洗处理。
3.根据权利要求1或2所述一种基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法，其特征在于：所述铜箔的厚度为10-200um量级。
4.根据权利要求1或2所述一种基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法，其特征在于：所述生长石墨烯的方法为化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积。
5.根据权利要求4所述一种基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法，其特征在于：所述石墨烯的层数为单层。
6.根据权利要求4所述一种基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法，其特征在于：所述石墨烯的层数不少于2层。
7.根据权利要求1或2或5或6所述一种基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法，其特征在于：所述的键合为粘接键合或直接键合。
8.根据权利要求1或2或5或6所述一种基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法，其特征在于：所述透明目标衬底的材料为PMMA、SiN、SiO2、石英玻璃或GaN。
9.根据权利要求1或2或5或6所述一种基于飞秒激光技术的Cu/石墨烯剥离方法，其特征在于：所述飞秒激光辐照时聚焦在铜箔与石墨烯之间的界面层。
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