CN108793146A

CN108793146A - 一种转移石墨烯的方法

Info

Publication number: CN108793146A
Application number: CN201810714966.XA
Authority: CN
Inventors: 张苗; 高敏; 韩晓雯; 薛忠营; 狄增峰
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS; University of Chinese Academy of Sciences
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS; University of Chinese Academy of Sciences
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2018-07-03
Publication date: 2018-11-13

Abstract

本发明提供一种转移石墨烯的方法，包括以下步骤：提供一衬底；在所述衬底上生长石墨烯，形成石墨烯/衬底结构；在所述石墨烯上涂敷派瑞林，形成派瑞林/石墨烯/衬底结构；利用腐蚀液去除所述派瑞林/石墨烯/衬底结构中的所述衬底，形成派瑞林/石墨烯结构；将所述派瑞林/石墨烯结构翻转，形成石墨烯/派瑞林结构，完成所述石墨烯的转移。本发明采用派瑞林作为石墨烯的转移介质及支撑层，仅经过一次腐蚀液去除衬底后进行翻转，即可获得高质量、大面积、无损、洁净的石墨烯。

Description

一种转移石墨烯的方法

技术领域

本发明涉及纳米科学和低维材料制备技术领域，特别是涉及一种转移石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具备很多优越的性能，例如高透光率、高电子迁移率、高电流密度、高机械强度、易于修饰等等，正因为这些特性，石墨烯具有优异的光学、电学及力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学及药物传递等方面具有重要的应用前景，被公认为制造透明导电薄膜、高频晶体管、储氢电池，乃至集成电路的理想材料，被认为是一种未来革命性的材料，但是由于其大面积均匀制备比较难，而且转移过程中对石墨烯破坏很大，并且容易引进杂质污染，这使得石墨烯的产业化应用遇到瓶颈。

柔性电子可概括为是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术，以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景，如柔性电子显示器、有机发光二极管(OLED)、印刷(RFID)、薄膜太阳能电池板、电子用表面粘贴(Skin Patches)等。与传统IC技术一样，制造工艺和装备也是柔性电子发展的主要驱动力。

目前，制备石墨烯的常规方法包括机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法及化学气相沉积法(CVD)。在诸多石墨烯的制备方法中，其中，机械剥离法难以制备大面积的石墨烯，采用CVD等工艺可以在一些衬底上生长获得高质量、大面积的石墨烯，该方法制备的石墨烯最适于微电子以及光电子领域的应用，然而，由于制备石墨烯的衬底常常具有导电性，因此性能优异的大面积石墨烯要获得广泛的应用，需要将其从衬底上转移至我们想要的绝缘介质衬底上。

常用的转移石墨烯的方法包括湿法转移及干法转移，其中，干法转移常用的转移介质为金，转移的石墨烯易破损，且在除去金的过程中石墨烯易被氧化；而将衬底腐蚀掉的湿法转移是衬底上CVD石墨烯最普遍的转移方法，常用的转移介质包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)俗称有机玻璃，但PMMA易破碎，因此难以支撑大面积的石墨烯，且其附着在石墨烯上难以除去，因此不可避免的会带来石墨烯的结构破损及界面污染等弊端，大大影响了石墨烯的本征物理特性，降低了石墨烯载流子迁移率，制约了后期的石墨烯器件的设计制备。

因此，如何提供一种转移石墨烯的方法，解决在干法转移石墨烯的过程中，石墨烯易破损且易被氧化的问题以及在湿法转移石墨烯的过程中，由于转移介质PMMA易破碎，因此难以支撑大面积的石墨烯，且其PMMA附着在石墨烯上难以除去的问题；避免石墨烯的结构破损及界面污染等弊端，获得高质量、大面积、无损、洁净的石墨烯，扩大石墨烯的适用范围，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

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转移石墨烯的方法，用于解决现有技术中，在干法转移石墨烯的过程中，石墨烯易破损且易被氧化的问题以及在湿法转移石墨烯的过程中，由于转移介质PMMA易破碎，因此难以支撑大面积的石墨烯，且PMMA附着在石墨烯上难以除去的问题；从而获得高质量、大面积、无损、洁净的石墨烯，同时扩大石墨烯的适用范围。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种转移石墨烯的方法，包括以下步骤：

S1：提供一衬底；

S2：在所述衬底上生长石墨烯，形成石墨烯/衬底结构；

S3：在所述石墨烯上涂敷派瑞林，形成派瑞林/石墨烯/衬底结构；

S4：利用腐蚀液去除所述派瑞林/石墨烯/衬底结构中的所述衬底，形成派瑞林/石墨烯结构；

S5：将所述派瑞林/石墨烯结构翻转，形成石墨烯/派瑞林结构，完成所述石墨烯的转移。

优选地，所述派瑞林的厚度范围为100nm～10000nm。

优选地，所述派瑞林作为所述石墨烯的转移介质及支撑层。

优选地，所述衬底包括锗、铜、镍、铂、钼、铅、铁、钴、钌、硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、玻璃、陶瓷及聚合物中的一种或两种以上。

优选地，所述石墨烯包括单层石墨烯及多层石墨烯中的一种。

优选地，步骤S2中，在所述衬底上生长所述石墨烯的方法包括分子束外延法及化学气相沉积法中的一种。

优选地，步骤S3中，涂敷所述派瑞林的方法包括通过机械旋涂方式覆盖在所述石墨烯的上表面。

优选地，步骤S4中，所述腐蚀液与所述衬底相对应，包括：三氯化铁溶液、过硫酸铵溶液、由盐酸与硫酸铜混合形成的混合溶液及氢氟酸溶液中的一种。

优选地，所述石墨烯/派瑞林结构的应用包括柔性电子。

优选地，所述石墨烯/派瑞林结构为晶圆级别。

如上所述，本发明的转移石墨烯的方法，具有以下有益效果：(1)采用派瑞林作为转移石墨烯中的转移介质，同时由于派瑞林是一种透明、无应力及具有良好柔性的绝缘材料，因此可作为石墨烯转移后的支撑层；(2)形成石墨烯/派瑞林结构后无需去除派瑞林的步骤，转移方法步骤少，同时避免了在去除PMMA等过程中，对石墨烯表面形貌的破损，更避免了残胶的去除不干净的可能性；(3)步骤简单，无需去除派瑞林，降低工艺难度；(4)通过翻转，使与被腐蚀的衬底相接触的石墨烯表面作为后续制备石墨烯器件的表面，该表面仅经过一次腐蚀液去除衬底的步骤，因此降低了石墨烯的结构破损及界面污染程度；(5)可制备晶圆级的石墨烯；本发明可获得高质量、大面积、无损、洁净的石墨烯，扩大石墨烯的适用范围，为后期制备石墨烯器件奠定了良好的基础。

附图说明

图1显示为本发明的转移石墨烯的方法的工艺流程图示意图。

图2显示为本发明的步骤S2中石墨烯/衬底结构的示意图。

图3显示为本发明的步骤S3中派瑞林/石墨烯/衬底结构的示意图。

图4显示为本发明的步骤S4中腐蚀去除衬底的示意图。

图5显示为本发明的步骤S4中去除衬底后获得的派瑞林/石墨烯结构的示意图。

图6显示为本发明的步骤S5中由派瑞林/石墨烯结构翻转形成石墨烯/派瑞林结构的示意图。

元件标号说明

S1～S5 步骤

100 衬底

200 石墨烯

300 派瑞林

400 腐蚀液

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1～图6。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，遂图式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。

请参阅图1，本发明提供一种转移石墨烯的方法，包括以下步骤：

S1：提供一衬底；

S2：在所述衬底上生长石墨烯，形成石墨烯/衬底结构；

具体地，在步骤S1中，首先提供一衬底。本发明中，所述衬底的材料可以为锗、铜、镍、铂、钼、铅、铁、钴、钌、硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、玻璃、陶瓷及聚合物中的一种或两种以上，或者为其他适合承载石墨烯的材料。

在步骤S2中，在所述衬底上生长石墨烯，形成石墨烯/衬底结构，生长所述石墨烯的方法包括分子束外延法及化学气相沉积法中的一种或通过其他制备石墨烯的方法形成于所述衬底上，所述石墨烯包括单层石墨烯及多层石墨烯中的一种。

在步骤S3中，所述派瑞林作为所述石墨烯的转移介质，所述派瑞林可以是通过机械旋涂方式覆盖在所述石墨烯的上表面，所述派瑞林自然凝固后，形成派瑞林/石墨烯/衬底结构。所述的机械旋涂方式可以为静态涂层或动态涂层。形成的所述派瑞林的厚度优选为100nm～10000nm，派瑞林越厚韧性越大。

在步骤S4中，所述腐蚀液与所述衬底相对应，包括：三氯化铁溶液、过硫酸铵溶液、由盐酸与硫酸铜混合形成的混合溶液及氢氟酸溶液中的一种或其他适合腐蚀所述衬底的液体。

在步骤S5中，直接180°翻转所述派瑞林/石墨烯结构，即可形成石墨烯/派瑞林结构，完成所述石墨烯的转移，由于所述派瑞林是一种透明、无应力、柔性极好的绝缘材料，因此翻转后的所述派瑞林可直接作为所述石墨烯的支撑层。

本发明可制备晶圆级别的所述石墨烯/派瑞林结构，所述石墨烯/派瑞林结构的应用包括柔性电子。

本发明采用派瑞林作为转移石墨烯的转移介质及石墨烯的支撑层，制备方法简单、步骤少；通过翻转，使与被腐蚀的衬底相接触的石墨烯表面作为后续制备石墨烯器件的表面，该表面仅经过一次腐蚀液去除衬底的步骤，因此降低了石墨烯的结构破损及界面污染程度；可获得高质量、大面积、无损、洁净的石墨烯，扩大石墨烯的适用范围。

下面通过具体的实施例来详细说明本发明的技术方案。

首先，参阅图2，进行步骤S1及步骤S2，提供一衬底100，在所述衬底100上生长石墨烯200，形成石墨烯/衬底结构。

作为示例，所述衬底100包括锗、铜、镍、铂、钼、铅、铁、钴、钌、硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、玻璃、陶瓷及聚合物中的一种或两种以上。本实施例中，采用价格便宜，且较为常见的厚度为25μm的铜箔作为所述衬底100，在其它实施例中，所述衬底100的种类及厚度，本领域技术人员也可根据需要进行选择，此处不作限制。

作为示例，所述石墨烯200包括单层石墨烯及多层石墨烯中的一种。

作为示例，在所述衬底100上生长所述石墨烯200的方法包括分子束外延法及化学气相沉积法中的一种。

具体的，本实施例中，采用化学气相沉积法，在所述衬底100的上表面生长所述石墨烯200，生长所述石墨烯200的生长温度是1000℃～1050℃，反应腔室内的压强是20Pa～102kPa，还原气体是氢气，惰性气体是氩气，且氢气的流量是5sccm～200sccm，氩气的流量是300sccm～2000sccm，气态碳源的流量是5sccm～100sccm；生长时间是15min～45min。在另一实施例中，生长所述石墨烯200的方法以及生长条件可以根据实际情况进行调整，此处不作限制。

接着，参阅图3，进行步骤S3，在所述石墨烯/衬底结构上的所述石墨烯200的上表面涂敷派瑞林300，形成自上而下依次为所述派瑞林300、石墨烯200、衬底100的派瑞林/石墨烯/衬底结构。

作为示例，所述派瑞林300作为所述石墨烯200的转移介质，所述派瑞林300的厚度范围为100nm～10000nm，涂敷所述派瑞林300的方法包括通过机械旋涂方式覆盖在所述石墨烯200的上表面，旋涂转速为2000-4000转每分。

具体地，用氮气将所述衬底100上生长的所述石墨烯200的表面吹干净，在所述石墨烯200的上表面以静态涂层方式，覆盖一层所述派瑞林300，厚度是500nm。在其它实施例中，所述派瑞林300的厚度也可选用其它，如200nm、400nm、800nm等，所述派瑞林300的厚度越厚，韧性越大，本领域技术人员可根据具体工艺条件进行选择，此处不做限制，旋涂结束后，所述派瑞林300可采用自然凝固方式固化，或其他加热方式固化，需要指出的是，在其它实施例中，在所述石墨烯200的表面旋涂所述派瑞林300以及固化的工艺条件可以根据需要进行调整，此处不作限制。

接着，参阅图4～5，进行步骤S4，利用腐蚀液400去除所述派瑞林/石墨烯/衬底结构中的所述衬底100，形成派瑞林/石墨烯结构。

作为示例，所述腐蚀液400与所述衬底100相对应，包括：三氯化铁溶液、过硫酸铵溶液、由盐酸与硫酸铜混合形成的混合溶液及氢氟酸溶液中的一种。

具体的，本实施例中由于采用铜箔作为所述衬底100，因此采用过硫酸铵作为所述腐蚀液400，将派瑞林/石墨烯/衬底结构，浸入过硫酸铵腐蚀液中，浸泡温度是30℃，浸泡时间是12hrs，在另一实施例中，所述腐蚀液400也可选用其他与所述衬底100相对应的腐蚀液，此处不作限制。

最后，参阅图6，进行步骤S5，将所述派瑞林/石墨烯结构翻转180°，形成自上而下依次为所述石墨烯200、派瑞林300的石墨烯/派瑞林结构。

作为示例，所述派瑞林300直接作为所述石墨烯200的支撑层。

具体的，可将所述石墨烯/派瑞林结构经过DI水多次清洗后，用氮气吹干石墨烯/派瑞林结构的表面，得到干净的所述石墨烯/派瑞林结构。至此，制备得到了位于所述派瑞林300上的所述石墨烯200。

作为示例，所述石墨烯/派瑞林结构为晶圆级别，其应用包括柔性电子。

具体的，采用所述派瑞林300作为转移所述石墨烯200的转移介质及支撑层，通过翻转，使与被腐蚀的所述衬底100相接触的所述石墨烯200的表面作为后续制备石墨烯器件的表面，该表面仅经过一次所述腐蚀液400去除所述衬底100的步骤，因此降低了所述石墨烯200的结构破损及界面污染程度，因此可制备晶圆级别的所述石墨烯/派瑞林结构，如4’、6’及8’等晶圆级别，从而扩大所述石墨烯200的应用范围，包括应用于柔性电子。

综上所述，本发明的转移石墨烯的方法，(1)采用派瑞林作为转移石墨烯中的转移介质，同时由于派瑞林是一种透明、无应力及具有良好柔性的绝缘材料，因此可作为石墨烯转移后的支撑层；(2)形成石墨烯/派瑞林结构后无需去除派瑞林的步骤，转移方法步骤少，同时避免了在去除PMMA等过程中，对石墨烯表面形貌的破损，更避免了残胶的去除不干净的可能性；(3)步骤简单，无需去除派瑞林，降低工艺难度；(4)通过翻转，使与被腐蚀的衬底相接触的石墨烯表面作为后续制备石墨烯器件的表面，该表面仅经过一次腐蚀液去除衬底的步骤，因此降低了石墨烯的结构破损及界面污染程度；(5)可制备晶圆级的石墨烯；可获得高质量、大面积、无损、洁净的石墨烯，扩大石墨烯的适用范围，为后期制备石墨烯器件奠定了良好的基础。所以，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

1.一种转移石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：提供一衬底；

S2：在所述衬底上生长石墨烯，形成石墨烯/衬底结构；

2.根据权利要求1所述的转移石墨烯的方法，其特征在于：所述派瑞林的厚度范围为100nm～10000nm。

3.根据权利要求1所述的转移石墨烯的方法，其特征在于：所述派瑞林作为所述石墨烯的转移介质及支撑层。

4.根据权利要求1所述的转移石墨烯的方法，其特征在于：所述衬底包括锗、铜、镍、铂、钼、铅、铁、钴、钌、硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、玻璃、陶瓷及聚合物中的一种或两种以上。

5.根据权利要求1所述的转移石墨烯的方法，其特征在于：所述石墨烯包括单层石墨烯及多层石墨烯中的一种。

6.根据权利要求1所述的转移石墨烯的方法，其特征在于：步骤S2中，在所述衬底上生长所述石墨烯的方法包括分子束外延法及化学气相沉积法中的一种。

7.根据权利要求1所述的转移石墨烯的方法，其特征在于：步骤S3中，涂敷所述派瑞林的方法包括通过机械旋涂方式覆盖在所述石墨烯的上表面。

8.根据权利要求1的转移石墨烯的方法，其特征在于：步骤S4中，所述腐蚀液与所述衬底相对应，包括：三氯化铁溶液、过硫酸铵溶液、由盐酸与硫酸铜混合形成的混合溶液及氢氟酸溶液中的一种。

9.根据权利要求1的转移石墨烯的方法，其特征在于：所述石墨烯/派瑞林结构的应用包括柔性电子。

10.根据权利要求1所述的转移石墨烯的方法，其特征在于：所述石墨烯/派瑞林结构为晶圆级别。