CN109824043B - 通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石墨烯领域,具体为一种调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法。该方法包括:在生长基底上采用化学气相沉积法生长石墨烯;将转移介质与在生长基底上的石墨烯贴合,形成“转移介质/石墨烯/生长基底”的复合结构,通过提高转移介质层的柔性减小鼓泡过程中分离“转移介质/石墨烯”和生长基底的阻力,使气泡更容易在石墨烯和生长基底间滑移;最后气泡在石墨烯和生长基底间快速滑移将石墨烯从生长基底表面剥离,获得的石墨烯具有良好的完整性。本发明可显著提高鼓泡转移石墨烯的速度,实现大面积高质量石墨烯薄膜的高效转移。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯领域,具体为一种调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法。
背景技术
石墨烯是sp2键碳原子组成的二维纳米材料,其独特的物理特性和带隙结构使其具有高电导率、高电导率、高力学强度、高透明度等优良特性而广泛应用于透明导电薄膜、超级电容器、太阳能电池、锂离子电池、燃料电池等领域。目前石墨烯制备方法主要有机械剥离法、外延生长法、氧化还原法和化学气相沉积法。其中,化学气相沉积法是目前可控制备大面积、高质量石墨烯的主要方法。对于石墨烯的表征、物性测量以及应用研究而言,通常需要将石墨烯放置在除制备基体之外的特定基体上,并希望在转移过程中大面积、高质量的石墨烯不产生破损。所以发展大面积高质量无损转移石墨烯的技术对于石墨烯的研究和实际应用具有重要的作用和意义。
目前大面积高质量石墨烯转移可以分为两类,一类是刻蚀基底法,一种是基底无损转移法。刻蚀基底法是通过采用转移介质层与生长基底上的石墨烯结合,通过化学溶解的方法使用刻蚀液去除生长基底,再将“转移介质/石墨烯”与目标基底结合,完成石墨烯的转移,具有操作简单的优点,但是存在着金属基底无法回收再利用、耗时长、容易残留未溶解金属、刻蚀液的使用会引来新杂质等问题,此外,大规模工业化生产过程中生长基底和刻蚀液的大量使用会带来巨大的转移成本。基底无损转移法主要是电解鼓泡转移法。电解鼓泡转移法是将生长基底上的石墨烯与支撑层结合作为电极,在电解过程中,产生的气泡将石墨烯与生长基底的边缘剥离开,同时电解液渗入石墨烯与生长基底之间,产生的气泡进一步将石墨烯与生长基底分离,从而最终实现大面积石墨烯与生长基底的剥离以及向目标基底的洁净无损转移。此方法生长基底可重复利用,不使用刻蚀液,减少金属残留,大大降低转移成本。此外,该方法耗时短,减少时间成本,所以具有大规模工业应用的可能性。但是目前鼓泡转移法转移速度比较慢,导致规模化生产中的转移效率低。其主要原因是由于剥离过程中生长基底与石墨烯张开的角度小,使得电解液和气泡进入石墨烯与生长基底的界面困难,造成电解液和气泡在石墨烯和生长基底界面的扩散较慢。此外,大部分转移介质不耐受电解液,在电解液中长时间浸泡会导致转移介质受损,造成石墨烯完整性差,因此,需要发展增大石墨烯与生长基底间张开角度加快气泡在石墨烯与生长基底界面滑移和扩散的方法来提高电解鼓泡转移石墨烯的速度和石墨烯的质量,提高大规模高质量转移石墨烯的效率。
发明内容
本发明目的在于提供一种通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,将转移介质与石墨烯结合,通过调控转移介质的柔性,使转移介质在电解鼓泡转移过程中与石墨烯分开角度增大,加速电解液和气泡在石墨烯与生长基底界面的扩散,从而提高气泡在石墨烯和生长基底间的产生和滑移速度,提高大面积高质量石墨烯的转移效率。
本发明的技术方案是:
一种通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,包括以下步骤:
(1)采用化学气相沉积法或析出方法在生长基底上生长石墨烯薄膜;
(2)将转移介质层与生长基底上的石墨烯薄膜结合,通过调控转移介质层的柔性来增加鼓泡剥离过程中“转移介质/石墨烯”与其生长基底间的张开角度,从而减小气泡在石墨烯与生长基底界面间扩散的阻力;
(3)将“转移介质/石墨烯/生长基底”作为电极浸入电解液中,采用鼓泡转移法使电解过程产生的气泡在石墨烯和生长基底界面快速滑移,将石墨烯从生长基底表面剥离,完成石墨烯的快速完整转移;
(4)将“转移介质/石墨烯”清洗,自然晾干、氮气吹干或烘干,与目标基底结合。
所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,生长基底为导体:Cu、Ni、Co、Ir、Ru、Pd、Pt、Au、Ag、Mo、Fe金属或其合金;或者,生长基底为金属碳化物:碳化钛、碳化钼、碳化锆、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钨的一种或两种以上的组合;或者,生长基底为金属氮化物:氮化钛、氮化钽、氮化钒的一种或两种以上的组合;或者,生长基底为金属硼化物:硼化钛、硼化铬的一种或两种以上的组合,生长基底厚度为1μm~1mm。
所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,采用化学气相沉积方法生长的石墨烯或析出方法生长的石墨烯,位于初始基体上的石墨烯的平均层数为单层、双层、少层或多层,层数小于50层。
所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,转移介质层与石墨烯或目标基底的结合方法包括沉积、贴合、涂覆、印刷一种或两种以上的组合,具体包括但不局限于:物理气相沉积法、化学气相沉积法、溅射镀膜法、蒸发镀膜法、静电吸附法、粘结法、旋涂法、刮涂法、喷涂法、线棒涂布法、辊压涂覆法、丝网印刷法、喷墨印刷法或凹版印刷法。
所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,转移介质层与石墨烯或目标基底间采用的结合力包括静电力、范德华力、共价键结合力、氢键结合力、真空吸附作用力、机械连接力之一种或两种以上的组合。
所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,电解过程采用的电解液为一种或两种以上电解质酸、碱、盐类的水溶液;或者,电解过程采用的电解液为一种或两种以上电解质酸、碱、盐类的水溶液与一种或两种以上有机溶剂的混合溶液,有机溶剂为链烷烃、烯烃、醇、醛、胺、酯、醚、酮、芳香烃、氢化烃、萜烯烃、卤代烃、杂环化物、含氮化合物及含硫化合物。
所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,电解质在溶液中的浓度在0.01mol/L~10mol/L,电解过程的操作温度在–10℃~100℃,电解过程所用电压在1~100伏特,电流在0.01~100安培;电解所产生的气体为氢气、氧气、氯气之一种或两种以上的组合。
所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,转移介质层材料包括有机物、金属、非金属、金属化合物和非金属化合物之一种或两种以上的组合;或者,转移介质与目标基底共同作为转移介质层。
所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,转移介质层柔性的调控包括转移介质层厚度的调控、转移介质层密度的调控或转移介质层形状的调控,转移介质层中加入柔性添加剂,转移介质层厚度调控范围为0.1~500μm。
所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,目标基底为高分子聚合物:聚萘二甲酸乙二醇酯、聚苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚砜、聚烯烃、芳族聚酰胺、乙烯纤维素或溴化苯氧基化合物;或者,目标基底为半导体:硅、氧化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝或玻璃;或者,目标基底为导体:Pt、Ni、Cu、Co、Ir、Ru、Au、Ag、Fe、Mo或其合金;目标基底的形状为平面,曲面或网面,目标基底的厚度为1~500μm。
本发明的设计思想为:
本发明提出一种通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,通过调控转移介质的柔性调节转移介质在电解鼓泡转移石墨烯过程中与石墨烯的分开角度,减小电解液和气泡在石墨烯与生长基底界面扩散的阻力,实现电解液和气泡在石墨烯与生长基体界面间的快速扩散,促进气泡在石墨烯与生长基底界面间的快速成核、生长、滑移,减少转移介质在电解液中的浸泡时间,从而达到快速完整剥离石墨烯的目的,节省时间成本,增加石墨烯转移的完整性,既提高大面积石墨烯在转移过程中的结构完整性,又易于转移多层石墨烯,并且与卷对卷工艺兼容,因此可作为一种规模化、连续化转移大面积高质量石墨烯的可控方法。
本发明的优点及有益效果是:
1、本发明通过调控转移介质的柔性可以调控电解鼓泡转移石墨烯过程中转移介质与石墨烯的分开角度,减小电解液和气泡在石墨烯与生长基底界面扩散的阻力,加快电解液和气泡在石墨烯与生长基体界面间的扩散,促进气泡在石墨烯和生长基底间的成核、生长和滑移,提高电解鼓泡转移石墨烯的速度,提高大规模石墨烯的转移效率。
2、本发明减少转移介质在电解液中的浸泡时间,减少转移介质被电解液影响性质发生变化的可能性,提高石墨烯转移的完整性。
3、本发明的各工艺步骤均与典型的卷对卷转移工艺兼容,容易实现自动化连续转移。
附图说明
图1为通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的过程图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细描述。
如图1所示,通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的过程如下:
首先采用化学气相沉积法或析出法在生长基底表面生长石墨烯;然后将转移介质与在生长基底上的石墨烯贴合,形成“转移介质/石墨烯/生长基底”的复合结构;通过调控转移介质的柔性增大电解鼓泡过程中“转移介质/石墨烯”复合膜与生长基底间的张开角度,减小鼓泡过程中分离“转移介质/石墨烯”和生长基底的阻力,使气泡更容易在石墨烯和生长基底间滑移,快速地将“转移介质/石墨烯”复合膜从生长基底上剥离,获得的石墨烯具有良好的完整性;再将“转移介质/石墨烯”复合膜的石墨烯表面与目标基底结合,在剥离转移介质之后,即可实现石墨烯到目标基体的转移。本发明可显著提高鼓泡转移石墨烯的速度,实现大面积高质量石墨烯薄膜的高效转移。
实施例1:
采用紫外线固化胶作为转移介质层,选用辊压法通过紫外线固化胶将“铜箔/石墨烯”与目标基底聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)贴合,形成“PET/紫外线固化胶/石墨烯/铜箔”的复合结构,PET的厚度为125μm,紫外线固化胶的厚度为15μm。将PET面朝上,在50mW/cm2光照密度的紫外光下将紫外线固化胶固化5分钟,通过调节光照密度和光照时间调控紫外线固化胶的柔性。将“PET/紫外线固化胶/石墨烯/铜箔”连接直流电源负极,石墨棒连接电源正极,浸入90ml浓度为1.5mol/L的硫酸钠水溶液和10ml乙醇的混合电解液中,电压恒定为6V,电流为1.5~2A,电解过程温度为25℃,电解过程中所产生的气体为氢气,剥离速度为50cm/min。待铜箔被氢气完全剥离后,将“PET/紫外线固化胶/石墨烯”从电解液中取出,用去离子水浸泡10min,氮气吹干,完成石墨烯的快速完整转移。
实施例2:
与实施例1不同之处在于:
采用粘结力随温度变化的热释放胶带作为转移介质层,热释放胶带的厚度为100μm。通过辊压方式将撕去剥离层的热释放胶带与“石墨烯/铜箔”平整地紧密贴合,通过压力的控制调控转移介质层的柔性,然后将“热释放胶带/石墨烯/铜箔”连接上直流电源的负极,铂片连接电源正极。本实施例中,电解液为1.5mol/L的氢氧化钠水溶液和0.01mol/L十六烷基三甲基溴化铵水溶液的混合电解液,将“热释放胶带/石墨烯/铜箔”浸入电解液中后,施加1A电流,电解过程所用电压为5~6V,电解过程的操作温度为30℃,电解所产生的气体为氢气,剥离速度为45cm/min。待“热释放胶带/石墨烯”与铜箔完全分离后,将“热释放胶带/石墨烯”从电解液中取出,用水冲洗数次并在60℃下烘烤至完全干燥。通过热压的方法将“热释放胶带/石墨烯”与目标基底PET紧密贴合,热压温度130℃,压力0.5MPa。待热释放胶带失去粘结力后,直接将热释放胶带从石墨烯表面剥离,完成石墨烯的快速完整转移。
实施例3:
与实施例1不同之处在于:
采用带有热熔胶(乙烯-乙酸乙烯酯共聚物)的PET作为转移介质层,厚度为200μm。首先将“PET/热熔胶”与“石墨烯/铜箔”通过热辊压方式贴合,形成“PET/热熔胶/石墨烯/铜箔”的复合结构。通过调节辊压的压力和温度调控转移介质层的柔性。再将此复合结构连接直流电源的负极,石墨板连接电源正极,浸入1mol/L的氢氧化钠水溶液和0.2mol/L过氧化氢水溶液的混合电解液中,电流恒定为1A,电压为4~5V,电解过程温度为25℃,电解过程中所产生的气体为氢气,剥离速度为35cm/min。待铜箔被氢气完全剥离后,将“PET/热熔胶/石墨烯”从电解液中取出,用去离子水漂洗3次,氮气吹干,完成石墨烯的快速完整转移。
实施例4:
与实施例1不同之处在于:
采用不同材料,利用不同方法生长单层或多层石墨烯。本实施例中,生长基底铜箔可以换成Ni、Co、Ir、Ru、Pd、Pt、Au、Ag、Mo、Fe等金属或其合金;或者换成碳化钛、碳化钼、碳化锆、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钨等金属碳化物的一种或两种以上的组合;或者换成氮化钛、氮化钽、氮化钒等金属氮化物的一种或两种以上的组合;或者换成硼化钛、硼化铬等金属硼化物的一种或两种以上的组合。
实施例5:
与实施例1不同之处在于:
目标基体作为转移介质层,可采用叠氮化物、自组装单分子膜等与石墨烯结合,采用的自组装单分子膜包括有链状分子、大环平面共轭分子和生物大分子的一种或多种;或者采用包括静电力、范德华力、共价键结合力、氢键结合力、真空吸附作用力、机械连接力之一种或多种使石墨烯与目标基体直接结合。
实施例结果表明,本发明通过调控转移介质层的柔性,可以调节电解鼓泡转移石墨烯过程中转移介质上的石墨烯与生长基底的分开角度,减小电解液和电解过程中产生的气泡在石墨烯与生长基底界面间移动的阻力,加快电解液和气泡的扩散,加速气泡在石墨烯与生长基底界面间的成核、生长和滑移,完成石墨烯从金属基底上的快速剥离,提高了高质量石墨烯的转移效率,还能够转移多层高质量石墨烯;此外,该方法能够减少转移介质在电解液中的浸泡时间,减小电解液对转移介质层的影响,提高石墨烯转移的完整性。该方法与卷对卷工艺兼容,可以实现规模化、连续化转移,解决工业上大规模转移石墨烯薄膜的转移效率和质量问题,推动其大规模应用于透明导电膜和电子器件等领域。
Claims (10)
1.一种通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)采用化学气相沉积法或析出方法在生长基底上生长石墨烯薄膜;
(2)将转移介质层与生长基底上的石墨烯薄膜结合,通过调控转移介质层的柔性来增加鼓泡剥离过程中“转移介质/石墨烯”与其生长基底间的张开角度,从而减小气泡在石墨烯与生长基底界面间扩散的阻力;
(3)将“转移介质/石墨烯/生长基底”作为电极浸入电解液中,采用鼓泡转移法使电解过程产生的气泡在石墨烯和生长基底界面快速滑移,将石墨烯从生长基底表面剥离,完成石墨烯的快速完整转移;
(4)将“转移介质/石墨烯”清洗,自然晾干、氮气吹干或烘干,与目标基底结合;
转移介质层柔性的调控包括转移介质层厚度的调控、转移介质层密度的调控、转移介质层形状的调控或转移介质层中加入柔性添加剂,转移介质层厚度调控范围为0.1~500 μm。
2.按照权利要求1所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,其特征在于,生长基底为导体:Cu、Ni、Co、Ir、Ru、Pd、Pt、Au、Ag、Mo、Fe金属或其合金;或者,生长基底为金属碳化物:碳化钛、碳化钼、碳化锆、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钨的一种或两种以上的组合;或者,生长基底为金属氮化物:氮化钛、氮化钽、氮化钒的一种或两种以上的组合;或者,生长基底为金属硼化物:硼化钛、硼化铬的一种或两种以上的组合,生长基底厚度为1μm~1mm。
3.按照权利要求1所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,其特征在于,采用化学气相沉积方法生长的石墨烯或析出方法生长的石墨烯,位于初始基体上的石墨烯的平均层数小于50层。
4.按照权利要求1所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,其特征在于,转移介质层与石墨烯或目标基底的结合方法包括沉积、贴合、涂覆、印刷一种或两种以上的组合,具体包括但不局限于:物理气相沉积法、化学气相沉积法、溅射镀膜法、蒸发镀膜法、静电吸附法、粘结法、旋涂法、刮涂法、喷涂法、线棒涂布法、辊压涂覆法、丝网印刷法、喷墨印刷法或凹版印刷法。
5.按照权利要求1所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,其特征在于,转移介质层与石墨烯或目标基底间采用的结合力包括静电力、范德华力、共价键结合力、氢键结合力、真空吸附作用力、机械连接力之一种或两种以上的组合。
6.按照权利要求1所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,其特征在于,电解过程采用的电解液为一种或两种以上电解质酸、碱、盐类的水溶液;或者,电解过程采用的电解液为一种或两种以上电解质酸、碱、盐类的水溶液与一种或两种以上有机溶剂的混合溶液,有机溶剂为链烷烃、烯烃、醇、醛、酯、醚、酮、芳香烃、氢化烃、萜烯烃、卤代烃、杂环化物、含氮化合物及含硫化合物。
7.按照权利要求1或6所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,其特征在于,电解质在溶液中的浓度在 0.01mol/L~10mol/L,电解过程的操作温度在–10℃~100℃,电解过程所用电压在 1~100 伏特,电流在 0.01~100 安培;电解所产生的气体为氢气、氧气、氯气之一种或两种以上的组合。
8.按照权利要求1所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,其特征在于,转移介质层材料包括金属、非金属之一种或两种的组合;或者,转移介质与目标基底共同作为转移介质层。
9.按照权利要求1所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,其特征在于,转移介质层材料包括金属化合物、非金属化合物之一种或两种的组合。
10.按照权利要求1所述的通过调控转移介质层柔性提高鼓泡转移石墨烯速度的方法,其特征在于,目标基底为高分子聚合物:聚萘二甲酸乙二醇酯、聚苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚砜、聚烯烃、芳族聚酰胺、乙烯纤维素或溴化苯氧基化合物;或者,目标基底为半导体:硅、氧化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝或玻璃;或者,目标基底为导体:Pt、Ni、Cu、Co、Ir、Ru、Au、Ag、Fe、Mo或其合金;目标基底的形状为平面,曲面或网面,目标基底的厚度为1~500 μm。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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