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Abstract

一种基于电辅助液桥的二维材料转移方法，先制作由原始基底和二维材料组成的待转移样品，将待转移样品置于下电极上，在上电极下方贴合柔性支撑；在二维材料和原始基底的表面形成第一液体薄膜，控制上电极运动，使柔性支撑与二维材料和原始基底的上表面贴合，形成液桥；在上、下电极之间施加外部电场，使柔性支撑和原始基底上表面分离，二维材料转移到柔性支撑上；然后将原始基底取下，将目标基底置于下电极上，在目标基底上形成第二液体薄膜，使附着有二维材料的柔性支撑与目标基底紧密贴合，形成液桥；最后在上、下电极之间施加外部电场，使柔性支撑和目标基底分离，二维材料转移到目标基底上；本发明实现二维材料的高质量、高效率转移。

Description

一种基于电辅助液桥的二维材料转移方法
技术领域
本发明涉及二维材料转移技术领域，具体涉及一种基于电辅助液桥的二维材料转移方法。
背景技术
自石墨烯发现以来，二维材料以其独特的力学、热学和光学性质不断吸引着世界各国科研人员的目光，并对其投入了大量的精力进行研究，在各个领域都得到了广泛的应用。现有的几乎所有二维材料都必须在相应的特定基底上生长，因此二维材料的使用必然涉及到将二维材料从原始基底转移到目标基底的问题。现有的二维材料转移的方法大致可以分为三类：干法、湿法和液桥转移法，这些方法都存在有转移动力不足、引入化学污染、残胶难以去除等问题。通过这些方法制作出来的电子器件难以真正发挥出二维材料自身的优越特性，从而严重影响最终整体产品的性能。因此，实现二维材料从原始基底到任意目标基底的高质量、高效率转移对生产具有超高性能的电子器件有着重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于电辅助液桥的二维材料转移方法，通过引入外部电场，减小液桥在基底上的接触角，从而增强液桥力，提高转移动力，最终实现二维材料从原始基底到任意目标基底的高质量、高效率转移。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于电辅助液桥的二维材料转移方法，包括以下步骤：
第一步：制作并选择待转移二维材料样品，其中待转移样品由原始基底6和二维材料5组成，通过相关二维材料的表征仪器对所制样品进行表征，选取质量优良的样品作为待转移样品；
第二步：将制作好的待转移样品置于下电极8之上，在上电极1下方贴合柔性支撑2；
第三步：利用喷雾器在二维材料5和原始基底6的表面形成一层均匀第一液体薄膜3；
第四步：通过控制上电极1运动，使柔性支撑2与二维材料5和原始基底6的上表面贴合，通过控制上电极1的运动距离或上电极1对下电极8的压力实现对第一液体薄膜3厚度的调节，形成液桥，并保持该状态1-10min；
第五步：在上电极1、下电极8之间施加外部电场，外部电场使柔性支撑2和原始基底6上表面分离，二维材料5转移到柔性支撑2上；
第六步：将原始基底6取下，将目标基底7置于下电极8上；利用喷雾器在目标基底7上形成一层均匀第二液体薄膜4，接着使附着有二维材料5的柔性支撑2与目标基底7紧密贴合，保持该状态1-10min，形成液桥；最后在上电极1、下电极8之间施加外部电场，外部电场使柔性支撑2和目标基底7分离，二维材料5转移到目标基底7上，实现了二维材料5从原始基底6到目标基底7的转移；
第七步：使用光学显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜仪器对转移后的样品进行表征，确定转移质量。
所述的第一步中相关二维材料的表征仪器为光学显微镜、原子力显微镜、扫描电子显微镜和拉曼光谱仪。
所述的第二步中上电极1和下电极8固定在具有测力功能的运动平台上，能实现上电极1和下电极8的相对运动，由高精度力学传感器所测得的力信号作为运动平台的运动控制信号。
所述的第二步中柔性支撑2为柔性薄膜材料，能够实现其和各种基底间的良好贴合，厚度为50-200μm。
所述的第二步中柔性支撑2采用化学性质极为稳定的聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
所述的第三步中第一液体薄膜3为易挥发液体。
所述的第三步中第一液体薄膜3为乙醇或去离子水。
所述的第五步、第六步中的外加电场为直/交流电场，由函数信号发生器和高压放大器提供；外部电场为交流电场时，波形为方波，频率为0-50Hz，幅值为100-5000V，占空比为0-70％。
所述的电辅助液桥的二维材料转移方法在超净间完成，温度为20-25℃，湿度为40-60％。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(a)本发明的转移二维材料方法，能实现任意二维材料向任意基底的转移；
(b)本发明的转移二维材料方法，所得到的目标基底上的二维材料具有很好的完整性，并且转移过程中不涉及任何化学物质的引入；
(c)本发明的转移二维材料方法不涉及任何高温退火过程，该转移方法适用于大多数二维材料的转移需求。
(d)本发明的转移二维材料方法，操作简单，成本低；一方面可以通过该方法进行二维材料的基础研究，如二维材料对纳微米复合材料的增强机理的研究等；另一方面可以生产高性能、小体积的电子设备。
附图说明：
图1是转移前含有二维材料5和原始基底6的待转移样品，以及贴合有柔性支撑2的上电极1和下电极8上的示意图。
图2是利用喷雾器在二维材料5和原始基底6上形成液体薄膜3的示意图。
图3是柔性支撑2与二维材料5和原始基底6之间液桥(液体薄膜3)的示意图。
图4是二维材料5在柔性支撑2上的示意图。
图5是柔性支撑2与二维材料5和目标基底7之间液桥(液体薄膜4)的示意图。
图6是二维材料5已转移至目标基底7上的示意图。
图7中图(a)是二氧化硅基底上石墨烯薄膜的光学显微镜图片；图(b)是金基底上石墨烯薄膜的光学显微镜图片。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
本实施例中二维材料5为石墨烯，将完成石墨烯从原始基底6(二氧化硅基底)到目标基底7(金基底)的转移，转移操作在超净间完成，温度为20-25℃，湿度为40-60％。
一种基于电辅助液桥的二维材料转移方法，包括以下步骤：
第一步：通过机械剥离法制备的石墨烯样品作为二维材料5，以二氧化硅基底作为原始基底6，将二维材料5制作在原始基底6上；
通过光学显微镜观察所制备的样品，选取质量优良的石墨烯样品作为待转移样品，如图7(a)所示；
制作柔性支撑2，选取聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性支撑2材料，以硅片为基底，利用匀胶机制备柔性支撑2(PDMS薄膜)，转速为500r/min，时间40s，置于70℃烘台上1h固化，固化后将柔性支撑2(PDMS薄膜)从硅片表面剥离，厚度为50-200μm，留用；
第二步：将拉伸试验机的工作台面做绝缘处理，表面粘贴导电胶带作为下电极8，拉伸试验机的力传感器探头下方做绝缘处理后粘贴导电胶带作为上电极1，将含有二维材料5的原始基底6置于下电极8上，将柔性支撑2粘贴在上电极1下方，如图1所示；
第三步：在喷雾器内部注入去离子水，利用喷雾器在二维材料5和原始基底6的表面上形成一层均匀第一液体薄膜3，即水膜，如图2所示；
第四步：通过控制拉伸试验机力传感器探头，带动上电极1向下运动，停止条件为力传感器示数为0.5-2mN，静止保持1-10min，确保多余去离子水的蒸发，同时保持第一液体薄膜3的厚度，并形成较薄的第一液体薄膜3，即去离子水液桥，如图3所示；
第五步：通过函数信号发生器和高压放大器在上电极1、下电极8之间施加交流电场，设置函数信号发生器的输出波形为方波，频率0-50Hz，幅值1-50V，占空比0-70％，设置高压放大器的放大倍数为100；在外部电场存在的状态下，控制拉伸试验机的力传感器带动上电极1缓慢向上运动，速度为0.1-2mm/min，直至柔性支撑2(PDMS薄膜)和原始基底6(二氧化硅基底)完全分离，此时二维材料5(石墨烯)已转移到柔性支撑2上，如图4所示；
第六步：将原始基底6取下，将目标基底7置于下电极8之上，利用喷雾器在目标基底7上形成一层均匀第二液体薄膜4(水膜)，接着利用运动平台使附着有二维材料5的柔性支撑2和目标基底7紧密贴合，保持该状态1-10min，形成液桥，如图5所示；最后在上电极1、下电极8之间施加交流电场，设置函数信号发生器的输出波形为方波，频率0-50Hz，幅值1-50V，占空比0-70％，设置高压放大器的放大倍数为100，外部电场使柔性支撑2和目标基底7分离，完成了二维材料5(石墨烯)从原始基底6(二氧化硅基底)到目标基底7(金基底)的完整转移，如图6所示；
第七步：使用光学显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜仪器对转移后的样品进行表征，确定转移质量，如图7(b)为转移至金基底上石墨烯薄膜的光学显微镜图片。
本实施例的有益效果：
(a)本发明基于电辅助液桥的二维材料转移方法，能实现任意二维材料向任意基底的转移；
(b)本发明基于电辅助液桥的二维材料转移方法，所得到的目标基底上的二维材料具有很好的完整性，并且转移过程中不涉及任何化学物质的引入；
(c)本发明基于电辅助液桥的二维材料转移方法不涉及任何高温退火过程，适用于大多数二维材料的转移需求。
(d)本发明基于电辅助液桥的二维材料转移方法，操作简单，成本低；一方面可以通过该方法进行二维材料的基础研究，如二维材料对纳微米复合材料的增强机理的研究等；另一方面可以生产高性能、小体积的电子设备。

Claims (9)

1.一种基于电辅助液桥的二维材料转移方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：制作并选择待转移二维材料样品，其中待转移样品由原始基底(6)和二维材料(5)组成，通过相关二维材料的表征仪器对所制样品进行表征，选取质量优良的样品作为待转移样品；
第二步：将制作好的待转移样品置于下电极(8)之上，在上电极(1)下方贴合柔性支撑(2)；
第三步：利用喷雾器在二维材料(5)和原始基底(6)的表面形成一层均匀第一液体薄膜(3)；
第四步：通过控制上电极(1)运动，使柔性支撑(2)与二维材料(5)和原始基底(6)的上表面贴合，通过控制上电极(1)的运动距离或上电极(1)对下电极(8)的压力实现对第一液体薄膜(3)厚度的调节，形成液桥，并保持该状态1-10min；
第五步：在上电极(1)、下电极(8)之间施加外部电场，外部电场使柔性支撑(2)和原始基底(6)上表面分离，二维材料(5)转移到柔性支撑(2)上；
第六步：将原始基底(6)取下，将目标基底(7)置于下电极(8)上；利用喷雾器在目标基底(7)上形成一层均匀第二液体薄膜(4)，接着使附着有二维材料(5)的柔性支撑(2)与目标基底(7)紧密贴合，保持该状态1-10min，形成液桥；最后在上电极(1)、下电极(8)之间施加外部电场，外部电场使柔性支撑(2)和目标基底(7)分离，二维材料(5)转移到目标基底(7)上，实现了二维材料(5)从原始基底(6)到目标基底(7)的转移；
第七步：使用光学显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜仪器对转移后的样品进行表征，确定转移质量。
2.根据权利要求1所述的一种基于电辅助液桥的二维材料转移方法，其特征在于：所述的第一步中相关二维材料的表征仪器为光学显微镜、原子力显微镜、扫描电子显微镜和拉曼光谱仪。
3.根据权利要求1所述的一种基于电辅助液桥的二维材料转移方法，其特征在于：所述的第二步中上电极(1)和下电极(8)固定在具有测力功能的运动平台上，能实现上电极(1)和下电极(8)的相对运动，由高精度力学传感器所测得的力信号作为运动平台的运动控制信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于电辅助液桥的二维材料转移方法，其特征在于：所述的第二步中柔性支撑(2)为柔性薄膜材料，能够实现其和各种基底间的良好贴合，厚度为50-200μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于电辅助液桥的二维材料转移方法，其特征在于：所述的第二步中柔性支撑(2)采用化学性质极为稳定的聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
6.根据权利要求1所述的一种基于电辅助液桥的二维材料转移方法，其特征在于：所述的第三步中第一液体薄膜(3)为易挥发液体。
7.根据权利要求1所述的一种基于电辅助液桥的二维材料转移方法，其特征在于：所述的第三步中第一液体薄膜(3)为乙醇或去离子水。
8.根据权利要求1所述的一种基于电辅助液桥的二维材料转移方法，其特征在于：所述的第五步、第六步中的外加电场为直/交流电场，由函数信号发生器和高压放大器提供；外部电场为交流电场时，波形为方波，频率为0-50Hz，幅值为100-5000V，占空比为0-70％。
9.根据权利要求1所述的一种基于电辅助液桥的二维材料转移方法，其特征在于：所述的电辅助液桥的二维材料转移方法在超净间完成，温度为20-25℃，湿度为40-60％。
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