CN109314099A - 用于转移石墨烯的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开是针对用于从一个衬底的表面到另一衬底的表面转移石墨烯的系统和方法。在一个特定实施例中，在第一衬底的表面上生长石墨烯层，其中随后将所述第一衬底的底部附连到第二衬底的表面。所述第二衬底可以包含由刚性或半刚性组合物制成的材料以对所述第一衬底提供结构支撑和背衬。所述石墨烯层可以随后从所述第一衬底剥离且转移到目标表面，例如电子装置或生物传感器的表面。

Description

用于转移石墨烯的系统和方法

技术领域

所公开技术大体上涉及从一个衬底的表面到另一衬底的表面转移石墨烯。更具体地，本文公开的实施例涉及用于转移石墨烯以用于大规模制造的系统和方法。

背景技术

石墨烯包括按六边形的重复图案结合在一起的碳原子的单个薄层。石墨烯具有许多非凡的性质，包含高机械强度、高电子迁移率和优良的热导率。因为石墨烯是优良的热和电导体，所以石墨烯材料经常用以构造基于石墨烯的生物传感器、晶体管、集成电路和其它装置。

虽然已经存在对石墨烯的应用和利用的许多学术关注，但石墨烯生产的商业化的尝试大部分都已失败。因此，用于处置和制备石墨烯的许多当前已知技术限于仅适合于学术目的和小规模生产的技术，且因此未能考虑制造成本、产品组装要求以及长期耐久性的需要。另外，因为石墨烯层经常生长在薄片上，所以转移石墨烯层经常是极困难的，特别是由于薄片在被触摸后以及甚至在暴露于环境后会容易起皱且弯曲。

虽然转移石墨烯的当前方法通常溶解石墨烯层所附接到的衬底，但这是不理想的，因为这溶解生长的金属衬底且不允许再使用生长的衬底。这不仅大体上增加制造成本，而且可能在石墨烯层上留下薄残余物，因为完全溶解金属衬底经常是困难的。剩余残余物随后导致污染且降低石墨烯的质量。

转移石墨烯的另一方法可以利用粘合带以从生长的金属衬底分离石墨烯且将石墨烯转移到必要表面上。虽然转移石墨烯的复杂性和成本是低的，但这对于需要石墨烯的大规模且高产量生产的商业环境来说是不理想的。因此，当前需要改进石墨烯的转移以用于大规模制造而不损坏或污染石墨烯。

发明内容

鉴于上述缺陷，存在从一个衬底的表面到另一衬底的表面恰当地且有效地转移石墨烯层的长期需要，其中工艺是可靠的且适合于大规模生产。

本公开是针对从一个衬底的表面到另一衬底的表面转移石墨烯的方法。在一个特定实施例中，在第一衬底的表面上生长石墨烯层，其中随后将第一衬底的底部附接到第二衬底的表面。仅借助于实例，第二衬底可以包含由刚性或半刚性组合物制成的材料以便对石墨烯层提供结构支撑和背衬。一些实施例可进一步包含从第一衬底剥离石墨烯层且将石墨烯层转移到第三衬底的表面，例如传感器或电子装置的表面，以完成石墨烯转移。

所公开技术的其它特征和方面将从以下结合附图做出的详细描述变得显而易见，附图借助实例图示了根据所公开技术的实施例的特征。发明内容并不希望限制本文所描述的任何发明的范围，所述范围仅由本文所附的权利要求书界定。

附图说明

根据一个或多个各种实施例，参考附图详细地描述本文公开的技术。附图是仅出于说明的目的而提供，且仅描绘所公开技术的典型或实例实施例。提供这些附图以促进读者对所公开技术的理解，且不应视为对所公开技术的广度、范围或适用性的限制。应注意，为了说明的清楚性和简易性起见，这些图式未必按比例绘制。

图1是说明根据一个实施例的用于从特定衬底的表面到另一衬底的表面转移石墨烯的方法的流程图。

图2是根据一个实施例的在特定衬底的表面上的石墨烯层的图。

图3是根据一个实施例的在特定衬底的表面上的石墨烯层的图，其具有鼓泡以将石墨烯转移到另一衬底的表面上。

图4是一个实施例的暂时性衬底的图。

图5是根据一个实施例的附接有生长衬底的暂时性衬底的图。

图6是根据一个实施例的用于从生长衬底剥离石墨烯层的系统的图。

图7是根据一个实施例的从衬底的石墨烯层剥离的图。

附图并不希望为穷尽性的或将本发明限于所公开的精确形式。应理解，本发明可以用修改和更改来实践，且所公开技术仅由权利要求书及其等效物限制。

具体实施方式

以下描述不应以限制性意义来理解，而是仅仅出于描述所公开实施例的一般原理的目的。本发明的实施例解决背景技术中描述的问题，同时也解决从以下详细描述将要看到的其它额外问题。阐述许多具体细节以提供本公开的各种方面的完整理解。然而，所属领域的技术人员将了解，可以在无这些具体细节中的一些具体细节的情况下实践本公开的各种方面。在其它情况下，未详细示出众所周知的结构和技术以免不必要地混淆本公开。

本公开的一些实施例提供将石墨烯薄片或层从一个衬底放置到另一衬底的方法。图1是说明根据一个特定实施例的用于从一个衬底的表面到另一衬底的表面转移石墨烯的方法的流程图。方法100可以包含在步骤105在生长衬底上生长石墨烯层。举例来说，所述生长衬底可以包含由铜、镍、钌、金及类似物制成的薄金属箔。然而，应注意，生长衬底不限于薄金属箔，且可以包含适合于生长石墨烯层的任何生长衬底。另外，生长在生长衬底上的石墨烯层可以放置于熔炉中或者施加高温以加速和确保石墨烯层的恰当生长。

方法100可进一步包含步骤110，所述步骤包含将具有已生长的石墨烯层的生长衬底附接到暂时性衬底的表面上。因为生长衬底可为薄层，例如薄箔，所以所述薄箔当被处置或暴露于某些环境条件时可能起皱且弯曲。如果薄箔受损，那么在薄箔上的石墨烯将随后损坏且可能甚至被污染。因此，仅借助于实例，将暂时性衬底附接到薄箔可以提供必要的支撑、刚性和背衬以防止薄箔弯曲、起皱或干扰石墨烯层。仅借助于实例，所述暂时性衬底可以包含由玻璃、塑料、金属、硅、氧化硅、铝、氧化铝和其它绝缘体或金属制成的材料

生长衬底可以通过使用粘合剂而附连到暂时性衬底。举例来说，粘合剂层可以放置于暂时性衬底的表面上，使得薄箔随后直接放置于粘合剂之上以将薄箔恰当地附连到刚性衬底。在另一实例中，粘合剂层也可以放置在薄箔的与具有石墨烯层的侧面相对的表面上。粘合剂层的使用和施加可以帮助确保薄箔是光滑且不起皱的，以使得石墨烯层不损坏。另外，可以平缓地施加氮气蒸汽以便将薄箔进一步压入粘合剂层。

接下来，方法100可以进一步前进到步骤115，所述步骤可以包含沉积石墨烯层与保护性涂层或层以对石墨烯层提供进一步结构支撑和保护性覆盖。应注意，将层沉积到石墨烯薄片上可以包含如所属领域的技术人员理解的广泛范围的技术，仅借助于实例，例如涂层技术、聚焦离子束、长丝蒸发、溅镀沉积和电解。

在一些实施例中，仅借助于实例，所述保护性涂层可为聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯(下文为“PMMA”)。PMMA涂覆的石墨烯层随后可以在环境条件下或经由热而固化，以充分确保PMMA粘附到石墨烯层上。一旦PMMA恰当地粘附到石墨烯层上，便可以使用尖锐边缘的工具将石墨烯层切割或冲压成所需的形状和尺寸。然而，保护性涂层无需限于PPMA聚合物，而是可以包含将用作用于石墨烯层的涂层的任何碳骨干聚合物。

另外，通过将保护性覆盖施加于石墨烯层，这允许通过机器和其它制造条件来处置石墨烯而不必担心污染或损坏石墨烯层。

方法100可进一步包含步骤120，所述步骤可以包含从生长衬底剥离石墨烯层，因此允许石墨烯层随后转移到另一表面，仅借助于实例，例如电子装置的表面。为了剥离石墨烯层，生长衬底可以连接到电化电池的阳极，其中随后将阴极浸没在导电离子溶液中以完成回路。仅借助于实例，所述导电离子溶液可以包含范围从0.05到3摩尔浓度的氢氧化钠溶液。然而，所述离子溶液无需限于氢氧化钠溶液，而是可以包含例如氢氧化钾、氯化氢及类似物等其它离子溶液。另外，电化电池可以包含被配置成产生20-50V的电压源。通过对电化电池施加电位，氢气和氧气气泡可以在电极处放出，以使得气泡位于生长衬底与石墨烯层之间。这可以随后造成具有保护性涂层的石墨烯层从生长衬底分离，以使得具有保护性涂层的石墨烯层随后浮动到离子溶液的表面。

接下来，方法100可以前进到步骤125，所述步骤可以包含将具有保护性涂层的石墨烯层转移到目标衬底的表面上。举例来说，仅借助于实例，目标衬底的表面可以是电子装置或生物传感器的表面。然而，应注意，目标衬底的表面可以是可以接纳和庇护石墨烯层的任何表面。然而，在将经涂覆的石墨烯层放置于目标衬底的表面上之前，可以首先在去离子水浴中洗涤具有涂覆保护层的石墨烯层以移除任何残余离子。具有涂覆保护层的石墨烯层可以随后经由毛细管力附连到目标衬底的表面。为了进一步确保石墨烯层恰当地且牢固地粘附到目标衬底的表面，石墨烯层可以在环境条件中从大约30分钟到24小时进行固化，以允许任何剩余的截留水变干。转移石墨烯的此过程可能够从生长衬底的表面到新目标衬底的表面转移99％的石墨烯层。

方法100可以随后前进到步骤130，所述步骤可以包含移除石墨烯层上的保护性涂层，以使得仅原始的石墨烯层粘附到目标衬底的表面。举例来说，可以通过利用丙酮洗涤来移除保护性涂层，这在目标衬底上仅留下石墨烯层。

图2是根据一个实施例的由用于转移石墨烯层220的暂时性衬底205支撑的石墨烯层220的图。如所说明，石墨烯层220生长在生长衬底215上，仅借助于实例，所述生长衬底可以包含由铜或镍制成的薄金属箔。生长衬底215的薄金属箔也可附连到暂时性衬底205，以便当处置或转移石墨烯层220时防止薄金属箔弯曲或起皱。为了进一步确保生长衬底215的薄金属箔恰当地扁平且附连到刚性衬底205，可以施加粘合剂层210以便将生长衬底215的底部粘附到刚性衬底205的顶部表面上。

因为石墨烯层220暴露于环境条件且对污染和损坏高度敏感，所以石墨烯层220可以包含保护性涂层225，仅借助于实例，例如PMMA聚合物。所述涂层可以提供必要的结构支撑和主动覆盖以在整个转移过程中保护石墨烯层。

图3是在生长衬底315的表面上的石墨烯层320的图，其中鼓泡330存在于石墨烯层320与生长衬底315之间。另外，石墨烯层320可进一步包含保护性涂层325以便保护石墨烯层320的暴露部分。类似于图2，生长衬底315可以经由粘合剂层310附连到暂时性衬底305，以便当处置或转移石墨烯层时防止生长衬底弯曲或起皱。

为了将石墨烯层320转移到另一衬底的表面上，石墨烯层必须首先从生长衬底315脱离。为了这样做，可以施加电极电位以使得电化电池的阳极连接到生长衬底315的薄金属箔，且阴极浸没在导电离子溶液中以完成回路。通过施加所述电位，氢气和氧气气泡330可以形成于生长衬底315的薄金属箔与石墨烯层320之间。通过氢气和氧气气泡330的形成，石墨烯层320可以平缓地从生长衬底315的薄金属箔剥离。这允许经涂覆的石墨烯层320从生长衬底320分离，因此允许石墨烯层随后放置于所选择目标衬底的表面上。

图4是一个实施例的生长衬底401的图。如所说明，生长衬底401可以包含由铜制成的材料或适合于生长石墨烯层的任何其它材料。仅借助于实例，实施例可进一步包含将暂时性衬底划刻有刻痕标记402或在生长衬底401的表面上开窗。刻痕标记402可以添加在生长衬底401的包围边缘处。可以添加刻痕标记402以当含有石墨烯层的生长衬底401浸没到导电离子溶液中时帮助在石墨烯层与生长衬底401之间导引气泡。在不放置刻痕标记402的情况下，气泡可能聚集在生长衬底401的外边缘，这是不理想的且不大可能提供石墨烯层从生长衬底401的清洁分离。因此，通过在生长衬底401处包含刻痕标记402，这允许气泡更有效地穿透且位于生长衬底401与石墨烯层之间，因此确保石墨烯层从生长衬底401的平缓且完整分离。

仅借助于实例，刻痕标记402可以沿着生长衬底401的边缘形成，但距生长衬底的所有侧面上的边缘不小于1mm。另外，在其它实施例中，可以沿着其中石墨烯的边缘将位于生长衬底401之上的区域添加刻痕标记402。

仅借助于实例，生长衬底401可具有若干尺寸，其中生长衬底401的长度404可以从1英寸到12英寸变动。另外，在另一实例中，生长衬底401可以具有范围从1英寸到6英寸的宽度405。然而，应注意这些示例性尺寸决不是限制性的，且可以包含小于和/或大于一英寸的任何长度404和宽度405，如本领域的任何一般技术人员所理解。

图5是根据一个实施例的具有沉积于顶部上的生长衬底503的暂时性衬底501的图。此处，生长衬底503可为可能容易弯曲或起皱的薄金属箔，其随后将损坏生长在生长衬底503的顶部上的石墨烯层。因此，生长衬底503可以转移到暂时性衬底501上，其中暂时性衬底501提供支撑平台以保护生长衬底503的完整性。另外，仅借助于实例，暂时性衬底501的尺寸可以在比生长衬底503的尺寸长和宽0.5英寸到1英寸的范围中。这随后允许人员或机器处置暂时性衬底501而不必触摸或接触石墨烯层，因此进一步防止对石墨烯层的污染和损坏的可能性。

此外，暂时性衬底501可以在顶部包含粘合剂层505，其中粘合剂层505策略性放置于暂时性衬底501的顶部表面与生长衬底503的底部表面之间。再次，粘合剂层505可以帮助确保生长衬底503是光滑且不起皱的，以使得在顶部生长的石墨烯层不损坏。

如相对于图4所论述，生长衬底503可以沿着其中石墨烯的边缘将位于生长衬底503之上的区域包含刻痕标记504。

图6是根据一个实施例的用于剥离石墨烯层的系统600的图。此处，系统600可以包含容器604，所述容器用于装纳用以从例如生长衬底的衬底602剥离石墨烯层的导电液体。因此，通过借助致动器和平台607将衬底放置到附接于臂606的平台607上，衬底602可以浸没到导电液体中以开始剥离。

线性致动器可以允许平台607使臂606以受控速率上下前进，因此允许控制衬底602进入导电液体的浸没速率。仅借助于实例，臂606可以经过配置以使得平台607具有平稳的浸没速率，其中带有石墨烯层的平台可以在范围从0.5mm/s到10mm/s的平稳速率下进入和退出溶液。仅借助于实例，平均的进入和退出速率可以是2mm/s。另外，仅借助于进一步实例，浸没速率可以对应于剥离速率，在所述剥离速率下石墨烯随后恰当地且干净地从暂时性衬底剥离。

另外，含有具有石墨烯层的衬底的平台的进入和退出速率可能需要靠近观察以确定石墨烯是否恰当地且干净地从衬底602剥离。举例来说，如果衬底602的进入前进太快地进入导电液体，那么石墨烯层可能不恰当地从衬底剥离。图7中描绘了石墨烯从衬底的恰当剥离。如所说明，石墨烯层701当浸没在填充有导电溶液的容器703中时平缓地与生长衬底702分离。

然而应注意，平台无需连接到致动器以在平稳的浸没速率下浸没平台进出导电溶液。实际上，平台可以简单地放入导电溶液中历时选择的时间段，以从暂时性衬底剥离石墨烯。当剥离完成时，将含有石墨烯薄片和暂时性衬底的平台简单地从导电溶液取出。

因此，返回参看图6，系统的一些实施例可以包含直接在容器604顶部上的相机601以监视石墨烯层的剥离。因此，观看者可能够经由相机601提供的相机馈送来监视剥离过程。此外，在其它实施例中，线性致动器可以连接到相机601，其中线性致动器放置于反馈环路中以用于自动化。

容器604也可以放置在用于对比的有色背景605上。通过提供有色背景605，这可允许观看者容易地快速观看和看见石墨烯层的剥离。另外，为了进一步区分在衬底上的层，在石墨烯顶部上的临时保护性涂层也可以是有色的，这进一步允许观看者观看石墨烯层剥离的进展。

另外，此转移过程不限于石墨烯的转移。实际上，此转移工艺也可以应用于其它低尺寸材料，包含(但不限于)碳纳米管、二硫化钼、磷烯、二硒化钨及类似物。

尽管上文已描述所公开技术的各种实施例，但应理解，它们仅通过举例而非限制的方式呈现。同样，各种图可以描绘所公开技术的实例架构或其它配置，这有助于理解所公开技术中可包含的特征和功能性。所公开技术并不限于所说明的示例架构或配置，而是所希望的特征可以使用多种替代架构和配置实施。实际上，所属领域的技术人员将了解可以如何实施替代的功能、逻辑或物理分割和配置以实施本文公开的技术的所需特征。并且，除本文中所描绘的那些模块名称外的众多不同组成的模块名称可以应用于各种分区。另外，关于流程图、操作描述和方法权利要求项，除非上下文另外指定，否则在本文中呈现步骤的次序将不要求各种实施例被实施成以相同次序执行所叙述的功能性。

尽管上文就各种示例性实施例和实施方案而言描述所公开技术，但应理解，个别实施例中的一个或多个中所描述的各种特征、方面和功能性的适用性并不限于与其一起描述的特定实施例，而是可单独或以各种组合应用于所公开技术的其它实施例中的一个或多个，无论是否描述此类实施例且无论是否将此类特征呈现为所描述实施例的一部分。因此，本文公开的技术的宽度和范围不应受到任何上述示例性实施例限制。

除非另有明确陈述，否则在本文档中使用的术语和短语及其变体都应该被解释为与限制性相反的开放性。作为上述内容的实例：术语“包含”应该被理解为意味着“包含但不限于”等；术语“实例”用于提供论述的物品的示例性实例，而非其详尽的或限制性的列表；术语“一个”应该被理解为意味着“至少一个”、“一个或多个”等；以及形容词例如“常规的”、“传统的”、“通常的”、“标准的”、“已知的”以及类似含义的术语不应被解释将描述的物品限制到给定时间周期或在给定时间内可用的物品，而是实际上应该被理解为涵盖现在已知的或在将来任何时间可用的常规的、传统的、通常的或标准的技术。类似地，虽然本文档参照对于所属领域的一般技术人员将是显而易见或已知的技术，但是此类技术涵盖现在或在将来任何时间对于所属领域的技术人员是显而易见或已知的那些技术。

在一些情况下拓宽词语和短语的存在例如一个或多个、至少、但不限于，或其它类似短语不应被理解为意味着在可能不存在此类拓宽短语的实例中意图或需要较狭窄的情况。术语“模块”的使用并不暗示所描述的或所主张的作为所述模块的一部分的组件或功能都配置在一个共同的封装中。实际上，模块的各种组件中的任何一个或所有的，无论是否是控制逻辑或其它组件都可以组合在单个封装中或单独地维持并且可以进一步被分配在多个分组或封装中或跨越多个位置。

另外，本文中阐述的各个实施例是就示例性框图、流程图和其它图示而言描述的。如本领域的技术人员在阅读此文档之后将明白，可以实施所示出的实施例和其各种替代方案而不限于所示出的实例。举例来说，框图和它们的随附的描述不应被解释为要求特定的架构或配置。

Claims (20)

1.一种转移石墨烯的方法，其包括：

在生长衬底的表面上生长石墨烯层；

将所述生长衬底附连到暂时性衬底的表面上；

从所述生长衬底剥离所述石墨烯层；以及

将所述石墨烯层转移到目标表面上。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述生长衬底包括铜。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述暂时性衬底包括玻璃、塑料、金属、硅、氧化硅、铝或氧化铝。

4.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括将粘合剂层附连到所述暂时性衬底，且将所述生长衬底附连到所述粘合剂层。

5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述石墨烯层上沉积保护性涂层。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述保护性涂层包括碳聚合物。

7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将所述暂时性衬底的顶部表面划刻有多个刻痕标记。

8.根据权利要求7所述的方法，其中每个刻痕标记位于所述暂时性衬底的边缘附近。

9.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括将所述暂时性衬底浸没在含有电化电池的导电溶液中，其中所述浸没以平稳的浸没速率发生。

10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括对所述电化电池通电以使所述导电溶液在位于所述暂时性衬底的所述表面上的所述刻痕标记处冒气泡。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述气泡使所述石墨烯以对应于所述平稳浸没速率的剥离速率从所述暂时性衬底剥离。

12.一种用于转移石墨烯的系统，其包括：

石墨烯晶片，其包括：

生长衬底，其用于生长石墨烯层；以及

暂时性衬底，其附连到所述生长衬底；

容器，其填充有导电溶液；以及

臂，其连接到平台以浸没所述平台进出所述导电溶液。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述臂连接到线性致动器以用于在平稳浸没速率下浸没所述平台进出所述导电溶液。

14.根据权利要求12所述的系统，其进一步包括相机以提供所述容器的相机馈送，以用于监视所述石墨烯层从所述生长衬底的剥离。

15.根据权利要求12所述的系统，其中所述生长衬底包括铜。

16.根据权利要求12所述的系统，其中所述暂时性衬底包括玻璃、塑料、金属、硅、氧化硅、铝或氧化铝。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述暂时性衬底包括处于所述暂时性衬底上的粘合剂层以将所述生长衬底附连到所述暂时性衬底。

18.根据权利要求12所述的系统，其中所述暂时性衬底包括处于表面上的刻痕标记。

19.根据权利要求19所述的系统，其中每个刻痕标记位于所述暂时性衬底的边缘附近。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述刻痕标记提供用于气泡定位的空间，且使所述石墨烯以对应于所述平台的平稳浸没速率的剥离速率从所述暂时性衬底剥离。