JP5840772B2 - 非破壊のグラフェン転写方法 - Google Patents
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Description
グラフェンの多くの優れた特性を総合的に利用するため、高品質グラフェンの調製及びグラフェンの特定基板への転写は極めて重要となっている。2004年にイギリスマンチェスター大学の研究グループがスコッチテープ法(または機械的剥離法)を採用し、初めて安定して存在するグラフェンを分離して以来、化学的酸化剥離法、エピタキシャル成長法及び化学気相成長(CVD)法を含む、グラフェンを調製する多くの方法が続々と開発されている。相対的に簡単な調製過程であり、さらに生産量が比較的大きいため、化学的酸化剥離法で得られたグラフェンは、すでに複合材料、フレキシブル透明導電膜及び蓄積電極材料などに幅広く応用されている。
しかし、化学的に剥離したグラフェンの質は比較的悪く、大量の構造的欠陥が存在し、なおかつグラフェンのサイズ及び層数などの構造的特徴を制御するのが難しい。CVD法及びエピタキシャル成長法は、現在、高品質グラフェンの調製を制御することができる主要な方法である。温度、炭素源、圧力などの調製条件を制御することにより、多種の基板材料の表面(金属及び非金属)に高結晶度のグラフェンを成長させるのを実現することができ、さらに一定範囲内でグラフェンの層数及びサイズを制御することができる。グラフェンの特性評価、物理的測定及び応用研究では、通常、調製した基板以外の特定の基板にグラフェンを載せる必要があるため、高品質グラフェンの転写技術の発展は、グラフェン材料の研究、ひいては応用の促進に重要な作用及び意義を有する。
しかし、この方法は金属基板の犠牲を代償とし、転写過程において金属基板材料を損失するため、グラフェンの調製コストが顕著に増加し(特に価格が高い基板に対して)、なおかつ生産工程が煩雑で煩わしく、調製時間が長く、環境汚染が深刻である。さらに、この方法は化学安定性が高い貴金属の基板材料におけるグラフェンの転写、例えばルテニウム(Ru)及び白金(Pt)などに適用されない。
高コストの基板に成長させたグラフェンについては、直接転写する方法を採用することができ、すなわちグラフェンとの結合力が比較的強い転写媒体(例えばテープ、粘着剤など)を利用し、グラフェンを直接基板の表面から剥離する。この方法は基板材料を損失する必要はなく、腐食性及び汚染性を有する化学試薬も採用しない。
しかし、この方法はグラフェンの破損を引き起こしやすいため、高品質グラフェンの非破壊での転写を実現することはできない。総合すると、現在、グラフェンを非破壊で転写する技術(基板材料、グラフェンのいずれも破損しない)を早急に開発する必要があり、これはある程度、高品質グラフェンの発展の将来性を決定する。
(2)転写媒体/グラフェン複合層及び第1基板の分離:転写媒体を被覆したグラフェン及び第1基板を電極として溶液中に設置する。電解法によりその表面にガスが産生され、さらに気泡の推進力及びガスのインターカレーション作用を利用し、グラフェン及び第1基板を非破壊で分離する。
(3)転写媒体/グラフェン複合層及びターゲット基板の結合:直接接触するなどの方法を採用し、転写媒体/グラフェン複合層をターゲット基板の表面に移す。
(4)転写媒体の除去:溶媒による溶解または加熱などの方法を採用し、グラフェンの表面を被覆する転写媒体を除去する。
(2)転写媒体/グラフェン複合層及び第1基板の分離:転写媒体を被覆したグラフェン及び第1基板を電極として溶液中に設置する。電解法によりその表面にガスが産生され、さらに気泡の推進力及びガスのインターカレーション作用を利用し、グラフェン及び第1基板を非破壊で分離する。
(3)転写媒体/グラフェン複合層及びターゲット基板の結合:直接接触するなどの方法を採用し、転写媒体/グラフェン複合層をターゲット基板の表面に移す。
(4)転写媒体の除去:溶媒による溶解または加熱などの方法を採用し、グラフェンの表面を被覆する転写媒体を除去する。
Claims (5)
- 非破壊でグラフェンを転写する方法であって、
転写媒体を被覆したグラフェン及び第1基板を電極とし、グラフェンが第1基板の表面を任意で被覆し、これを電解液中に設置し、電解過程においてグラフェンの電極表面に産生される気泡の推進力及びガスのインターカレーション作用を利用し、グラフェン及び第1基板を非破壊で分離し、その後、転写媒体を被覆したグラフェンをターゲット基板の表面に結合させ、転写媒体を除去し、グラフェンをターゲット基板に非破壊で転写し、その転写方法が、実施過程においてグラフェン及びその第1基板のいずれに対しても、いかなる破壊及び損失もなく、第1基板は繰り返し使用することができ、
(1)転写媒体層の塗布:グラフェンを表面に成長させた第1基板か、またはグラフェンを載せた第1基板に転写媒体を1層塗布して、グラフェンが以降の処理で破損するのを防止する工程と、
(2)転写媒体/グラフェン複合層及び第1基板の分離:転写媒体を被覆したグラフェン及び第1基板を陰極または陽極として電解溶液中に設置し、電解法により、その表面にガスが産生され、気泡の推進力及びそのインターカレーション作用を利用し、グラフェン及び第1基板を非破壊で分離する工程と、
(3)転写媒体/グラフェン複合層及びターゲット基板の結合:直接接触する方法により、転写媒体/グラフェン複合層をターゲット基板の表面に移す工程と、
(4)転写媒体の除去:有機溶媒による溶解または加熱方法により、グラフェンの表面を被覆した転写媒体を除去する工程と、を有し、
かつ、
前記転写媒体層は、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレンの1種または2種以上から成る高分子ポリマーであり、その厚さが1nm〜1mmであり、
前記電解過程は、定電圧電源または定電流電源を使用して行われ、電解質の溶液中の濃度が0.01〜10mol/Lであり、温度が−10〜100℃であり、電圧が1〜100ボルトであり、電流が0.01〜100アンペアであり、
前記転写媒体の除去は、有機溶媒による溶解方法の場合は、有機溶媒がケトン類、塩化アルキル、ハロゲン化アルキル、芳香族炭化水素類の試薬の1種または2種以上であり、溶解温度が0〜200℃であり、加熱方法の場合は、加熱温度が50〜600℃である
ことを特徴とする非破壊でグラフェンを転写する方法。 - グラフェンが化学気相成長法を採用して成長させたグラフェン、またはエピタキシャル成長法で得られたグラフェン、または析出法で成長させたグラフェン、またはスコッチテープ法で得られたグラフェン、または化学的剥離法で得られたグラフェンである
請求項1に記載の非破壊でグラフェンを転写する方法。 - グラフェンの第1基板がPt、Ni、Cu、Co、Ir、Ru、Au、Agの金属またはその合金である導体の1つまたは2種以上の組合せであるか、あるいはSi、SiO2、Al2O3である半導体の1つまたは2種以上の組合せであるか、あるいは導体及び半導体の両者を組み合わせた材料である
請求項1に記載の非破壊でグラフェンを転写する方法。 - 電解過程で使用する溶液が単一電解質の酸、アルカリまたは塩類の水溶液、あるいは1種以上の電解質の酸、アルカリまたは塩類の水溶液、あるいは単一電解質の酸、アルカリ、塩類と有機物のアルカン、アルケン、アルキン、芳香族炭化水素、アルコール、アルデヒド、カルボン酸、エステルの1種または2種以上との混合溶液、あるいは1種以上の電解質の酸、アルカリまたは塩類と有機物のアルカン、アルケン、アルキン、芳香族炭化水素、アルコール、アルデヒド、カルボン酸、エステルの1種または2種以上との混合溶液であり、第1基板と化学的または電気化学的反応を起こさない溶液を電解液として選択する
請求項1に記載の非破壊でグラフェンを転写する方法。 - 採用するターゲット基板が、Pt、Ni、Cu、Co、Ir、Ru、AuまたはAgの導体であるか、あるいはターゲット基板がSi、BN、SiO2またはAl2O3の半導体であるか、あるいはターゲット基板がガラスまたは石英の絶縁体であるか、あるいはターゲット基板がポリエチレンテレフタラートの高分子ポリマーであり、ターゲット基板の形状が平面、曲面またはグリッド面である
請求項1に記載の非破壊でグラフェンを転写する方法。
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