CN110330013B - 一种悬浮石墨烯转移方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬浮石墨烯转移方法，属于悬浮石墨烯制备技术领域。其包括以下步骤：将掩模材料固定在通过化学气相沉积法生长有石墨烯的金属基底上，在石墨烯上方蒸镀金属；蒸镀金属完成后取下掩模材料，将具有金属/石墨烯/金属基底的结构层置于刻蚀液中将金属基底刻蚀后，形成具有金属/石墨烯的结构层；对具有金属/石墨烯的结构层进行漂洗，然后采用中空基底将其捞出，并进行干燥。本发明采用多种掩模材料来对石墨烯表面进行蒸镀金属，这些掩模材料固定在石墨烯表面蒸镀金属后可以得到不同面积的裸露石墨烯，经刻蚀转移后可得到不同悬浮面积的石墨烯，实现面积可控的悬浮石墨烯转移。
Description
技术领域
本发明涉及悬浮石墨烯制备技术领域，具体涉及一种悬浮石墨烯转移方法。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子构成的蜂窝状结构的物质，自2004被发现以来，就因其独特的性质引起了许多科学家的关注。本征石墨烯的电子迁移率可达20000cm2·V-1·s-1，但在目前许多器件应用中石墨烯电子迁移率远低于此数值。石墨烯与基底之间的相互作用是限制其迁移率的主要因素，表面电荷陷阱、界面声子、衬底的凸凹表面和转移石墨烯过程中的残留物都可能是散射来源。而较强的载流子散射，限制电子平均自由程小于1μm，一直是石墨烯本征性质研究与应用中的主要障碍。因此利用实验技术将石墨烯悬浮起来使其脱离衬底有望制备出更高质量的石墨烯样品，提高后续制作的电学器件的性能。此外，对于石墨烯及其他二维材料在某些领域的应用，比如海水淡化，纳米孔DNA测序，需要得到纳米孔/缝结构，为了其在这些领域的应用，必须先制作悬浮的石墨烯，再此基础上打孔得到所需结构。因此悬浮石墨烯结构的制作对于石墨烯的应用颇为重要。
目前制作悬浮石墨烯结构的办法通常有以下两种：一是对目标基底进行处理，使其出现狭缝或者裂孔，从而将金属基底上的石墨烯转移至带孔基底，或者直接对带有转移石墨烯的基底进行开缝或者开孔处理；二是将石墨烯先与带微孔碳膜的TEM铜或金网先结合，然后在刻蚀液中刻蚀掉石墨烯生长过程中的金属基底，然后将其漂洗，蒸发溶液，得到在铜网上的悬浮石墨烯膜。但是第一种方法转移过程中会引入聚合物如PMMA等辅助转移，在转移后仍有聚合物残留，从而对石墨烯造成掺杂，降低石墨烯的电学性能，第二种方法则只能得到较小尺寸的悬浮石墨烯，约为几微米左右，因此大面积洁净悬浮石墨烯的转移是急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种悬浮石墨烯转移方法，以解决现有转移悬浮石墨烯时出现的有机物残留以及尺寸小的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种悬浮石墨烯转移方法，其包括以下步骤：
(1)将掩模材料固定在通过化学气相沉积法生长有石墨烯的金属基底上，在石墨烯上方蒸镀金属；
(2)蒸镀金属完成后取下掩模材料，将具有金属/石墨烯/金属基底的结构层置于刻蚀液中将金属基底刻蚀后，形成具有金属/石墨烯的结构层；
(3)对具有金属/石墨烯的结构层进行漂洗，然后采用中空基底将其捞出，并进行干燥。
本发明采用多种掩模材料通过在石墨烯表面蒸镀金属形成金属层，将掩模材料取下后，石墨烯上方一部分被金属层覆盖，另一部分直接裸露，悬浮将生长石墨烯的金属基底刻蚀掉之后，石墨烯上没有被金属层覆盖的区域就形成了悬浮结构，从而实现对悬浮石墨烯的转移。
本发明采用多种掩模材料在石墨烯表面进行蒸镀金属，不同的掩模材料固定在石墨烯表面从而可以得到不同面积的裸露石墨烯，经刻蚀转移后可得到不同悬浮面积的石墨烯供选择，实现对悬浮石墨转移面积可控。同时在悬浮石墨烯转移过程中没有引入有机聚合物，转移完成后的石墨烯表面没有有机物的残留，保证了悬浮石墨烯优异的电学性能。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(1)中掩模材料包括：微米粉末、微米细丝或金属掩模板。
优选地，微米粉末包括：微米铁粉、微米镍粉或微米四氧化三铁粉末，其直径为1μm以上；微米细丝包括微米铜丝或微米银丝，其直径为20μm以上；掩模板为不锈钢板，狭缝间隙参数为60μm以上。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(1)蒸镀金属方式包括：电阻蒸发、电子束蒸发、磁控溅射镀膜或原子层沉积。
优选地，采用电阻蒸发方式的蒸镀金属包括：金、银或铂；采用电子束蒸发方式的蒸镀金属包括：金、银、铂或钨；采用磁控溅射镀膜方式的蒸镀金属及金属氧化物包括：金、银、铂、钨或氧化银；采用原子层沉积方式的蒸镀金属氧化物包括：氧化铝。
更优选地，本发明中蒸镀金属采用电子束蒸发金。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(1)中蒸镀金属得到金属层的厚度为50nm-1μm。
优选地，蒸镀金属得到金属层的厚度为50nm、100nm、200nm、240nm、300nm、320nm、400nm、480nm、600nm、800nm或1μm。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(2)采用的刻蚀液为0.1mol/L-1mol/L的过硫酸铵或氯化铁。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(3)干燥过程包括：自然晾干后，在50℃-70℃温度下干燥10min-20min。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(3)漂洗采用的漂洗液为体积比为6：4或者7：3的去离子水和异丙醇的混合液。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(3)中空基底包括：铜网、铜滤网或中空PET。
优选地，本发明采用的中空基底为铜网。
进一步地，本发明采用的金属基底包括铜箔基底、镍箔基底或合金基底。
优选地，本发明采用的金属基底为铜箔。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用多种掩模材料来对石墨烯表面进行蒸镀金属，这些掩模材料固定在石墨烯表面蒸镀金属后可以得到不同面积的裸露石墨烯，经刻蚀转移后可得到不同悬浮面积的石墨烯，实现面积可控的悬浮石墨烯转移。
2、本发明的转移过程中没有引入有机聚合物，转移完成后的石墨烯表面无有机物残留，避免了有机物带来的掺杂影响，保证了悬浮石墨烯优异的电学性能。
3、通过本发明的制备方法，可以得到百微米级别(约100微米)大尺寸的的单层悬浮石墨烯，增加石墨烯的层数可得到厘米级的悬浮石墨烯。
4、本发明还可增加蒸镀金属的厚度，将石墨烯下方的金属基底刻蚀掉后，以蒸镀的金属层作为中空基底，从而实现对悬浮石墨烯的转移。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的悬浮石墨烯转移方法的转移流程图；
图2为本发明的实施例3金属掩膜板的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
请参照图1，本发明的悬浮石墨烯转移方法，其包括以下步骤：
(1)将掩模材料固定在通过化学气相沉积法生长有石墨烯的金属基底上，在石墨烯上方蒸镀金属；其中，掩模材料包括：微米粉末、微米细丝或金属掩模板；蒸镀金属方式包括：电阻蒸发、电子束蒸发、磁控溅射镀膜或原子层沉积；蒸镀金属得到金属层的厚度为50nm-1μm。
本发明下面的实施例中具体采用电子束蒸镀金在石墨烯表面形成金属层。其中，采用微米粉末作为掩膜材料，通过电子束蒸发方式蒸镀金的步骤包括：在140mA-160mA电流下，进行电子束蒸镀5min-15min，在石墨烯表面形成200nm-600nm的金属层；
采用微米细丝或金属掩膜板作为掩膜材料，通过电子束蒸发方式蒸镀金的步骤包括：在140mA-160mA电流下，进行电子束蒸镀2min-6min后，在石墨烯表面形成100nm-240nm的金属层；将微米细丝或金属掩膜板旋转90°后再次蒸镀2min-6min，最终在石墨烯表面形成200nm-480nm的金属层。
(2)蒸镀金属完成后取下掩模材料后在石墨烯上方形成裸露方块，将具有金属/石墨烯/金属基底的结构层置于刻蚀液中将金属基底刻蚀后，形成具有金属/石墨烯的结构层；其中，采用的刻蚀液为0.1mol/L-1mol/L的过硫酸铵或氯化铁。
(3)对具有金属/石墨烯的结构层进行漂洗，然后采用中空基底将其捞出，并进行干燥；其中，干燥过程包括：自然晾干后在50℃-70℃温度下，干燥10min-20min；漂洗采用的漂洗液体积比为6：4或者7：3的去离子水和异丙醇的混合液；中空基底包括：铜网、铜滤网或中空PET。
实施例1：
本实施例的悬浮石墨烯转移方法，掩模材料为微米铁粉，其包括以下步骤：
(1)将微米铁粉固定在通过化学气相沉积法生长有石墨烯的铜箔基底上，在石墨烯上方进行电子束蒸镀金；其中，微米粉末为直径为1μm-10μm，微米铁粉的固定方式：将微米铁粉在去离子水中超声分散10min，然后静置2min后形成悬浮液，用滴管吸取悬浮液滴至石墨烯上方，待去离子水蒸发后，微米铁粉吸附固定在石墨烯表面；电子束蒸镀金步骤包括：在150mA电流下，进行电子束蒸镀8min，在石墨烯表面形成320nm的金层。
(2)蒸镀金完成后在去离子水中超声处理2min并用去离子水冲洗石墨烯表面去除微米粉末，将具有金/石墨烯/铜箔基底的结构层置于刻蚀液中将铜箔基底刻蚀后，形成具有金/石墨烯的结构层；其中，采用的刻蚀液为0.1mol/L的过硫酸铵(过硫酸铵可替换成同浓度的氯化铁)。
(3)对具有金/石墨烯的结构层用漂洗液进行漂洗，漂洗液体积比为7：3的去离子水和异丙醇的混合液：然后采用铜网将其捞出，待自然晾干后在50℃温度下干燥20min。
实施例2：
本实施例的悬浮石墨烯转移方法，掩模材料为微米铜丝，其包括以下步骤：
(1)将微米铜丝固定在通过化学气相沉积法生长有石墨烯的铜箔基底上，在石墨烯上方进行电子束蒸镀金；其中，微米铜丝的直径为20μm-40μm，微米铜丝的固定方式：将微米铜丝放置在石墨烯上方，通过胶带将微米铜丝的两端进行固定；电子束蒸镀金步骤包括：在160mA电流下，进行电子束蒸镀5min后，在石墨烯表面形成约200nm的金层；将微米铜丝旋转90°后再次蒸镀5min，最终在石墨烯表面形成约400nm厚的金层。
(2)蒸镀金完成后取下微米铜丝，将具有金/石墨烯/铜箔基底的结构层置于刻蚀液中将铜箔基底刻蚀后，形成具有金/石墨烯的结构层；其中，采用的刻蚀液为0.3mol/L的过硫酸铵(过硫酸铵可替换成同浓度的氯化铁)。
(3)对具有金/石墨烯的结构层用漂洗液进行漂洗，漂洗液体积比为7：3的去离子水和异丙醇的混合液：然后采用铜网将其捞出，待自然晾干后在60℃温度下干燥15min。
实施例3：
本发明的悬浮石墨烯转移方法，掩模材料为不锈钢掩模板(如图2所示)，其包括以下步骤：
(1)将不锈钢掩模板固定在通过化学气相沉积法生长有石墨烯的铜箔基底上，在石墨烯上方进行电子束蒸镀金；其中，不锈钢掩模板的狭缝间隙为60μm-200μm，不锈钢掩模板的固定方式：将不锈钢掩模板放置在石墨烯上方，通过胶带将不锈钢掩模板进行固定；电子束蒸镀金步骤包括：在150mA电流下，进行电子束蒸镀6min后，在石墨烯表面形成240nm的金层；将微米细丝或金属掩膜旋转90°后再次蒸镀6min，最终在石墨烯表面形成480nm的金层。
(2)蒸镀金完成后取下铜掩模板，将具有金/石墨烯/铜箔基底的结构层置于刻蚀液中将铜箔基底刻蚀后，形成具有金/石墨烯的结构层；其中，采用的刻蚀液为1mol/L的过硫酸铵(过硫酸铵可替换成同浓度的氯化铁)。
(3)对具有金/石墨烯的结构层用漂洗液进行漂洗，漂洗液体积比为6：4的去离子水和异丙醇的混合液：然后采用铜网将其捞出，待自然晾干后在70℃温度下干燥10min。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种悬浮石墨烯转移方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)将掩模材料固定在通过化学气相沉积法生长有石墨烯的金属基底上，在石墨烯上方蒸镀金属；
(2)蒸镀金属完成后取下掩模材料，将具有金属/石墨烯/金属基底的结构层置于刻蚀液中将金属基底刻蚀后，形成具有金属/石墨烯的结构层；
(3)对具有金属/石墨烯的结构层进行漂洗，然后采用中空基底将其捞出，并进行干燥。
2.根据权利要求1所述的悬浮石墨烯转移方法，其特征在于，步骤(1)中掩模材料包括：微米粉末、微米细丝或金属掩模板。
3.根据权利要求1所述的悬浮石墨烯转移方法，其特征在于，步骤(1)蒸镀金属方式包括：电阻蒸发、电子束蒸发、磁控溅射镀膜或原子层沉积。
4.根据权利要求3所述的悬浮石墨烯转移方法，其特征在于，步骤(1)中蒸镀金属得到金属层的厚度为50nm-1μm。
5.根据权利要求1所述的悬浮石墨烯转移方法，其特征在于，步骤(2)采用的刻蚀液为0.1mol/L-1mol/L的过硫酸铵或氯化铁。
6.根据权利要求1所述的悬浮石墨烯转移方法，其特征在于，步骤(3)干燥过程包括：自然晾干后，在50℃-70℃温度下干燥10min-20min。
7.根据权利要求1所述的悬浮石墨烯转移方法，其特征在于，步骤(3)漂洗采用的漂洗液为体积比为6：4或者7：3的去离子水和异丙醇的混合液。
8.根据权利要求1-7任一项所述的悬浮石墨烯转移方法，其特征在于，步骤(3)其特征在于，步骤(3)中的中空基底包括：铜网、铜滤网或中空PET。
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