RU2757239C1 - Method for transferring graphene onto a polymer substrate - Google Patents

Method for transferring graphene onto a polymer substrate Download PDF

Info

Publication number
RU2757239C1
RU2757239C1 RU2020116827A RU2020116827A RU2757239C1 RU 2757239 C1 RU2757239 C1 RU 2757239C1 RU 2020116827 A RU2020116827 A RU 2020116827A RU 2020116827 A RU2020116827 A RU 2020116827A RU 2757239 C1 RU2757239 C1 RU 2757239C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
graphene
polymer
substrate
initial
transfer
Prior art date
Application number
RU2020116827A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Артем Константинович Гребенко
Айсулуу Джаныбековна Айткулова
Дмитрий Викторович Красников
Альберт Галийевич Насибулин
Original Assignee
Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий»
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» filed Critical Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий»
Priority to RU2020116827A priority Critical patent/RU2757239C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2757239C1 publication Critical patent/RU2757239C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02Elements

Abstract

FIELD: electronics.
SUBSTANCE: invention relates to the field of creating processing of materials based on 2D structures, and in particular, the invention relates to the field of producing graphene-based conductive structures on a given carrier for electronics. The method for transferring graphene onto a polymer substrate includes applying a polymer film to the surface of graphene located on the initial substrate in order to create the "polymer/graphene/initial substrate" structure; spontaneously delaminating the "polymer/graphene" system from the surface of the initial substrate while cooling the "polymer/graphene/initial substrate" structure for no longer than 10 seconds in a medium of liquid nitrogen or helium in order to achieve a large temperature jump.
EFFECT: invention provides a possibility of transferring graphene onto a polymer substrate without additional structural defects with respect to the sample on the source surface, preserving the surface of the initial carrier for further use due to the absence of introduction of any structural changes thereto, as well as reducing the amount of waste water by 30 times compared to the basic "wet" methods.
7 cl, 5 dwg, 1 tbl, 11 ex

Description

Область техникиTechnology area

Изобретение относится к области создания обработки материалов на основе 2D-структур, который в ходе технологических процедур переносится с поверхности катализатора на полимерную подложку; в частности, изобретение относится к области получения проводящих структур на основе графена на заданном носителе для электроники. The invention relates to the field of creating processing of materials based on 2D structures, which is transferred from the catalyst surface to a polymer substrate during technological procedures; In particular, the invention relates to the field of obtaining conductive structures based on graphene on a given carrier for electronics.

Уровень техникиState of the art

Открытие графена в начале XXI века привело к взрывному росту исследований в области получения двумерных материалов (MoS2, h-BN, черный фосфор и т.д.) и созданию устройств на их основе. В частности, благодаря наличию уникального набора электрофизических, оптических и структурных свойств, графен рассматривается как перспективный материал в различных областях науки и техники. Несмотря на развитие различных методов получения, именно синтез однослойного графена методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) рассматривается в качестве оптимального с точки зрения качества материала, масштабируемости и затратности технологии. Тем не менее, вне зависимости от используемого катализатора (наиболее популярна медь) или источника углерода (наиболее распространен метан) одним из ключевых барьеров, определяющих последующее развитие области, является процесс переноса (трансфера) графена с поверхности катализатора на желаемый носитель (как правило диэлектрик в виде полимера или оксида кремния). The discovery of graphene at the beginning of the 21st century led to an explosive growth in research in the field of obtaining two-dimensional materials (MoS 2 , h-BN, black phosphorus, etc.) and the creation of devices based on them. In particular, due to the presence of a unique set of electrophysical, optical and structural properties, graphene is considered as a promising material in various fields of science and technology. Despite the development of various production methods, it is the synthesis of single-layer graphene by chemical vapor deposition (CVD) that is considered optimal in terms of material quality, scalability and technology cost. Nevertheless, regardless of the catalyst used (copper is the most popular) or carbon source (methane is the most common), one of the key barriers determining the subsequent development of the region is the process of transfer (transfer) of graphene from the catalyst surface to the desired support (usually a dielectric in the form of polymer or silicon oxide).

Ключевыми требованиями, предъявляемыми к стадии трансфера графена, являются универсальность и воспроизводимость по отношению к различным CVD процессам, степень сохранения структуры графена (внесение дефектов), масштабируемость, а также экологичность подхода. Развитые к настоящему моменту процессы переноса графена можно разделить на физические и химические. Так химические методы рассматривают проведение таких превращений на границе раздела фаз (интерфейс) катализатора и графена, которые приводят к деламинации (отщепление слоя) последнего. В частности, популярным подходом является селективное растворение катализатора (например, никеля или меди в FeCl3 [Kim, Keun Soo, et al. "Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes." nature 457.7230 (2009): 706-710], SiO2 в NaOH [Reina, Alfonso, et al. "Transferring and identification of single-and few-layer graphene on arbitrary substrates." The Journal of Physical Chemistry C 112.46 (2008): 17741-17744]) c предварительным нанесением полимерного слоя в качестве стабилизирующего графен. Несмотря на высокую распространенность данного подхода, он приводит к образованию складок [Liu, Nan, et al. "The origin of wrinkles on transferred graphene." Nano Research 4.10 (2011): 996] и трещин [Li, Xuesong, et al. "Transfer of large-area graphene films for high-performance transparent conductive electrodes." Nano letters 9.12 (2009): 4359-4363] в структуре графена, что существенным образом ограничивает его потенциальное промышленное применение. The key requirements for the graphene transfer stage are versatility and reproducibility with respect to various CVD processes, the degree of preservation of the graphene structure (introduction of defects), scalability, and environmental friendliness of the approach. The processes of graphene transfer developed to date can be divided into physical and chemical. Thus, chemical methods consider carrying out such transformations at the interface between the phases (interface) of the catalyst and graphene, which lead to delamination (detachment of the layer) of the latter. In particular, a popular approach is the selective dissolution of a catalyst (eg, nickel or copper in FeCl 3 [Kim, Keun Soo, et al. "Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes." Nature 457.7230 (2009): 706- 710], SiO 2 in NaOH [Reina, Alfonso, et al "Transferring and identification of single-and few-layer graphene on arbitrary substrates." The Journal of Physical Chemistry C 112.46 ( 2008):. 17741-17744]) c preliminary by applying a polymer layer as a stabilizing graphene. Despite the high prevalence of this approach, it leads to the formation of folds [Liu, Nan, et al. "The origin of wrinkles on transferred graphene." Nano Research 4.10 (2011): 996] and cracks [Li, Xuesong, et al. "Transfer of large-area graphene films for high-performance transparent conductive electrodes." Nano letters 9.12 (2009): 4359-4363] in the structure of graphene, which significantly limits its potential industrial applications.

Управление скоростью растворения катализатора на интерфейсe с графеном было достигнуто с помощью электрохимического окисления меди и выделения водорода из воды на границе раздела фаз [Wang, Yu, et al. "Electrochemical delamination of CVD-grown graphene film: toward the recyclable use of copper catalyst." ACS Nano 5.12 (2011): 9927-9933]. Несмотря на последующее развитие, позволившее избавиться от негативного влияния Архимедовой силы пузырей водорода [Cherian, Christie Thomas, et al. "‘Bubble‐Free’Electrochemical Delamination of CVD Graphene Films." Small 11.2 (2015): 189-194], данная технология обладает ограниченной равномерностью деламинации. Более того, жидкостные методы в целом приводят к допированию графена как молекулами воды [Wood, Joshua D., et al. "Annealing free, clean graphene transfer using alternative polymer scaffolds." Nanotechnology 26.5 (2015): 055302], так и солями/веществами в ней растворенными [Liu, Nan, et al. "The origin of wrinkles on transferred graphene." Nano Research 4.10 (2011): 996]. Следует отметить, что химическое растворение катализатора приводит к образованию сточных вод, что повышает экологическую нагрузку, а также не позволяет растворять такие носители как, например, SiC.Controlling the rate of dissolution of the catalyst at the interface with graphene was achieved by the electrochemical oxidation of copper and the release of hydrogen from water at the interface [Wang, Yu, et al. "Electrochemical delamination of CVD-grown graphene film: toward the recyclable use of copper catalyst." ACS Nano 5.12 (2011): 9927-9933]. Despite the subsequent development, which made it possible to get rid of the negative influence of the Archimedean force of hydrogen bubbles [Cherian, Christie Thomas, et al. "'Bubble-Free'Electrochemical Delamination of CVD Graphene Films." Small 11.2 (2015): 189-194], this technology has a limited uniformity of delamination. Moreover, liquid methods generally lead to doping of graphene with water molecules [Wood, Joshua D., et al. "Annealing free, clean graphene transfer using alternative polymer scaffolds." Nanotechnology 26.5 (2015): 055302], and salts / substances dissolved in it [Liu, Nan, et al. "The origin of wrinkles on transferred graphene." Nano Research 4.10 (2011): 996]. It should be noted that the chemical dissolution of the catalyst leads to the formation of waste water, which increases the environmental load, and also does not allow the dissolution of such carriers as, for example, SiC.

В свою очередь использование сухих методов основано на преодолении энергии адгезии межфазной границы путем использования агента с большей адгезией к графену [Caldwell, Joshua D., et al. "Technique for the dry transfer of epitaxial graphene onto arbitrary substrates." ACS nano 4.2 (2010): 1108-1114]. Последовательное развитие данной области привело к использованию таких полимеров как полиэтилен [Fechine, Guilhermino JM, et al. "Direct dry transfer of chemical vapor deposition graphene to polymeric substrates." Carbon 83 (2015): 224-231], полистирол с азидными линкерами [Lock, Evgeniya H., et al. "High-quality uniform dry transfer of graphene to polymers." Nano letters 12.1 (2012): 102-107] и парафин [Leong, Wei Sun, et al. "Paraffin-enabled graphene transfer." Nature communications 10.1 (2019): 1-8.]. Тем не менее, преодоление адгезии с катализатором путем отрывания графена полимером существенным образом осложняет следующий технологический этап производства устройств на основе графена – удаление полимера, обладающего теперь высокой адгезией. Данная проблема является общей для всех методов переноса графена. Так, в настоящий момент среди жидкостных методов оптимальными признаются ПММА (слабая адгезия) и парафильм ™ (средняя адгезия) [Hsieh, Ya-Ping, Chin-Lun Kuo, and Mario Hofmann. "Ultrahigh mobility in polyolefin-supported graphene." Nanoscale 8.3 (2016): 1327-1331]. Следует отметить, что среди других физических методов переноса графена следует отметить перенос за счет электростатических сил [US 2018 / 0244027 A1], хотя равномерность данного метода и повреждение графена пока не ясны.In turn, the use of dry methods is based on overcoming the adhesion energy of the interface by using an agent with greater adhesion to graphene [Caldwell, Joshua D., et al. "Technique for the dry transfer of epitaxial graphene onto arbitrary substrates." ACS nano 4.2 (2010): 1108-1114]. The consistent development of this area has led to the use of polymers such as polyethylene [Fechine, Guilhermino JM, et al. "Direct dry transfer of chemical vapor deposition graphene to polymeric substrates." Carbon 83 (2015): 224-231], polystyrene with azide linkers [Lock, Evgeniya H., et al. "High-quality uniform dry transfer of graphene to polymers." Nano letters 12.1 (2012): 102-107] and paraffin wax [Leong, Wei Sun, et al. "Paraffin-enabled graphene transfer." Nature communications 10.1 (2019): 1-8.]. Nevertheless, overcoming the adhesion with the catalyst by peeling off graphene with the polymer significantly complicates the next technological stage in the production of devices based on graphene - the removal of the polymer, which now has high adhesion. This problem is common to all graphene transfer methods. So, at the moment, among the liquid methods, PMMA (weak adhesion) and parafilm ™ (medium adhesion) are recognized as optimal [Hsieh, Ya-Ping, Chin-Lun Kuo, and Mario Hofmann. "Ultrahigh mobility in polyolefin-supported graphene." Nanoscale 8.3 (2016): 1327-1331]. It should be noted that among other physical methods of graphene transfer, the transfer due to electrostatic forces should be noted [US 2018/0244027 A1], although the uniformity of this method and the damage to graphene are not yet clear.

Важной физической неиспользованной характеристикой является вариация энергии адгезии интерфейса катализатор/графен при изменении температуры в том числе и при содействии разницы в коэффициентах температурного расширения (Таблица 1, хотя эксфолирование объемных материалов с помощью пониженных температур как с комнатной температуры [Wang, Yan, et al. "Cryo-mediated exfoliation and fracturing of layered materials into 2D quantum dots." Science advances 3.12 (2017): e1701500], так и с предварительным прогревом с целью ослабить Ван-дер-Ваальсово взаимодействие, было показано). Следует отметить, что поверхностное натяжения (относительная энергия поверхности) графена значительно меньше, чем у полимера и поверхности катализатора, представляющую собой медь или оксид меди [Kinloch, Anthony J. Adhesion and adhesives: science and technology. Springer Science & Business Media, 2012].An important physical unused characteristic is the variation in the adhesion energy of the catalyst / graphene interface with temperature changes, including due to the difference in the coefficients of thermal expansion (Table 1, although the exfoliation of bulk materials using low temperatures as from room temperature [Wang, Yan, et al. "Cryo-mediated exfoliation and fracturing of layered materials into 2D quantum dots." Science advances 3.12 (2017): e1701500], and with preheating to weaken the van der Waals interaction, has been shown). It should be noted that the surface tension (relative surface energy) of graphene is significantly less than that of the polymer and the catalyst surface, which is copper or copper oxide [Kinloch, Anthony J. Adhesion and adhesives: science and technology. Springer Science & Business Media, 2012].

Таблица 1. Свойства материаловTable 1. Material properties

материалmaterial МедьCopper Оксид меди (CuO)Copper oxide (CuO) ГрафенGraphene КТР, 1/KCTE, 1 / K

Figure 00000001
Figure 00000001
-1.1*10-4
(4-250K)
-1.1 * 10-4
(4-250K)
Figure 00000002
Figure 00000002
σ, мДж/м2 σ, mJ / m 2 16501650 760 – 1830
(в зависимости от кристаллографической ориентации)
760 - 1830
(depending on crystallographic orientation)
46.746.7
ИсточникA source http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Tables/thexp.htmlhttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Tables/thexp.html [Neely, Lauren A., et al. "Thermal expansion of Cu (II) O nano‐and micro‐particles and composites at cryogenic temperatures." physica status solidi (b) 249.9 (2012): 1698-1703].
[Mishra, Abhishek Kumar, Alberto Roldan, and Nora H. de Leeuw. "CuO surfaces and CO2 activation: a dispersion-corrected DFT+ U study." The Journal of Physical Chemistry C 120.4 (2016): 2198-2214.]
[Neely, Lauren A., et al. "Thermal expansion of Cu (II) O nano-and micro-particles and composites at cryogenic temperatures." physica status solidi (b) 249.9 (2012): 1698-1703].
[Mishra, Abhishek Kumar, Alberto Roldan, and Nora H. de Leeuw. "CuO surfaces and CO2 activation: a dispersion-corrected DFT + U study." The Journal of Physical Chemistry C 120.4 (2016): 2198-2214.]
[Yoon, Duhee, Young-Woo Son, and Hyeonsik Cheong. "Negative thermal expansion coefficient of graphene measured by Raman spectroscopy." Nano letters 11.8 (2011): 3227-3231.][Yoon, Duhee, Young-Woo Son, and Hyeonsik Cheong. "Negative thermal expansion coefficient of graphene measured by Raman spectroscopy." Nano letters 11.8 (2011): 3227-3231.]

В свете вышеизложенного, существует необходимость в разработке нового способа масштабируемого переноса графена, который предпочтительно обладал бы следующими характеристиками: In light of the above, there is a need to develop a new method for scalable transfer of graphene, which would preferably have the following characteristics:

• Метод должен быть физическим, чтобы не приводить к легированию растворителями, увеличению технологических этапов и созданию сточных вод. • The method must be physical so as not to lead to alloying with solvents, increase in technological steps and the creation of waste water.

• Полимер должен, с одной стороны, обладать относительно высокой адгезией к графену, но и в то же время должен быть способен к полному растворению и уходу с поверхности материала.• The polymer must, on the one hand, have relatively high adhesion to graphene, but at the same time, it must be capable of complete dissolution and leaving the material surface.

• поверхность катализатора должна остаться неизменной с целью обеспечения его многократного использования для получения графена.• the surface of the catalyst should remain unchanged in order to ensure its repeated use for the production of graphene.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Настоящее изобретение решает поставленные выше задачи путем мягкой деламинации графена с поверхности катализатора путем его охлаждения до пониженной температуры.The present invention solves the above problems by soft delamination of graphene from the catalyst surface by cooling it to a low temperature.

Ниже будут описаны варианты реализации настоящего изобретения с указанием достигаемых технических результатов.Below will be described options for implementing the present invention, indicating the achieved technical results.

В первом аспекте настоящее изобретение относится к способу переноса графена с исходной поверхности (включая, но не ограничиваясь, поверхность катализатора CVD роста графена) на полимерную подложку, включающий:In a first aspect, the present invention relates to a method for transferring graphene from an initial surface (including but not limited to the surface of a graphene CVD growth catalyst) onto a polymer support, comprising:

• нанесение полимерной среды на поверхность графена, с целью создания структуры «полимер/графен/исходная подложка»;• deposition of a polymer medium on the graphene surface in order to create a “polymer / graphene / initial substrate” structure;

• охлаждение объекта до пониженной температуры, приводящее к деламинации системы «полимер/графен» с исходной подложка;• cooling of the object to a lowered temperature, leading to delamination of the “polymer / graphene” system from the original substrate;

• физическое удаление исходной подложки из системы;• physical removal of the original substrate from the system;

• изменение температуры системы «полимер/графен» до заданной (включая и нулевое изменение) для последующих измерений.• change in the temperature of the "polymer / graphene" system to the set one (including zero change) for subsequent measurements.

Материалом исходной подложки (поверхности) является d-элемент или его оксид. В качестве d-элемента применяют Cu, Ni, Au, Ag, Co,Ti, Zr, Pt, Pd, Ru,V, Cr, Mo, Mn или их комбинации (т.е. сплавы, интерметаллиды (например, γ-Ni-Co, Cu3Ti2, Co3Mo), оксиды, в том числе сложные оксиды (например, CuO, TiO2, ZrO2, CoCuγO4).The material of the initial substrate (surface) is a d-element or its oxide. Cu, Ni, Au, Ag, Co, Ti, Zr, Pt, Pd, Ru, V, Cr, Mo, Mn or their combinations (i.e. alloys, intermetallic compounds (for example, γ-Ni -Co, Cu 3 Ti 2 , Co 3 Mo), oxides, including complex oxides (for example, CuO, TiO 2 , ZrO 2 , CoCu γ O 4 ).

Одним из технических результатов, достигаемых в настоящем изобретении, является графен на полимерной подложке без дополнительных дефектов структуры относительно образца на исходной поверхности. One of the technical results achieved in the present invention is graphene on a polymer substrate without additional structural defects relative to the sample on the original surface.

Еще одним техническим результатом, который достигается в настоящем изобретении, является сокращение сточных вод в 30 раз в сравнении с базовыми «мокрыми» методами (электрохимический безпузырьковый перенос, включающий травление исходной медной подложки). Another technical result, which is achieved in the present invention, is the reduction of wastewater by 30 times in comparison with the basic "wet" methods (electrochemical bubble free transfer, including etching the original copper substrate).

Еще одним техническим результатом, который достигается в настоящем изобретении, является возможность повторного использования исходной поверхности ввиду отсутствия внесения в нее каких-либо структурных изменений.Another technical result, which is achieved in the present invention, is the ability to reuse the original surface in the absence of any structural changes to it.

Еще одним техническим результатом, который достигается в настоящем изобретении, является упрощение процесса переноса графена путем уменьшения числа стадий и упрощения используемого оборудования. Another technical result that is achieved in the present invention is to simplify the graphene transfer process by reducing the number of stages and simplifying the equipment used.

Еще одним техническим результатом, который достигается в настоящем изобретении, является ускорение процесса переноса графена с десятков часов до десятков секунд. Another technical result, which is achieved in the present invention, is the acceleration of the process of transfer of graphene from tens of hours to tens of seconds.

В одном из вариантов реализации нанесение полимерной среды осуществляют с добавлением этапа прессования системы «полимер/графен/исходная поверхность» слабым давлением порядка единиц-сотен Торр (от 0.1 до 3000 Торр). Использование слабого прессования увеличивает адгезию к графену.In one embodiment, the application of the polymer medium is carried out with the addition of the step of pressing the "polymer / graphene / initial surface" system with a weak pressure of the order of several hundreds of Torr (from 0.1 to 3000 Torr). The use of weak pressing increases the adhesion to graphene.

В другом варианте реализации нанесение полимерной среды осуществляют с добавлением этапа прогрева системы «полимер/графен/исходная поверхность» при температурах 70 – 300 оС. В одном из вариантов используется комбинация слабого прессования с помощью разделительной бумаги и предварительного прогрева с целью изменения поверхности полимера. Использование прогрева увеличивает адгезию к графену.In another embodiment, the polymeric coating medium is carried out with the addition of warm-phase system "polymer / graphene / initial surface" at temperatures of 70 - 300 C. In one embodiment, a combination of a weak pressing through release paper and preheating in order to modify the polymer surface. The use of heating increases the adhesion to graphene.

В одном из вариантов охлаждение производится мгновенно после нанесения полимера до -196 оС путем помещения в жидкий азот. Быстрое охлаждение позволяет снизить повреждение графена. Использование жидкого азота позволяет ускорить теплоообмен и, соответственно, скорость охлаждения среды.In one embodiment, cooling is performed immediately after the application of the polymer to -196 ° C by placing in liquid nitrogen. Rapid cooling can reduce damage to graphene. The use of liquid nitrogen makes it possible to accelerate heat exchange and, accordingly, the rate of cooling of the medium.

В одном из вариантов охлаждение производится ступенчато до -40 оС, а затем до -196 оС. Ступенчатое охлаждение позволяет расширить круг используемых полимеров за счет снижения их хрупкости при вторичном охлаждении. Расширенный круг полимеров включает в себя полиолефины (включая, но не ограничиваясь полиэтиленом и полипропиленом), парафины, полистирол, парафилм, полиметилметакрилат.In one embodiment, cooling is performed in stages to -40 ° C and then to about -196 C. Stepwise cooling can extend the range of the polymers used by reducing their brittleness in secondary cooling. An extended range of polymers includes polyolefins (including but not limited to polyethylene and polypropylene), paraffins, polystyrene, parafilm, polymethyl methacrylate.

Полученные структуры «полимер/графен» могут использоваться во многих отраслях и во многих применениях как таковые так в качестве промежуточного этапа для последующего трансфера на диэлектрическую подложку. Среди сфер использования следует выделить, таких как, например, в электронике в качестве прозрачных электродов, в химической промышленности в качестве носителя активного компонента катализатора, в качестве биологических сенсоров.The resulting polymer / graphene structures can be used in many industries and in many applications as such, as an intermediate step for subsequent transfer to a dielectric substrate. Among the areas of use should be highlighted, such as, for example, in electronics as transparent electrodes, in the chemical industry as a carrier of an active catalyst component, as biological sensors.

После ознакомления с данным описанием специалисту станут понятны и другие технические результаты, обеспечиваемые настоящим изобретением.After reading this description, the specialist will understand other technical results provided by the present invention.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими чертежами и примерами реализации.The essence of the invention is illustrated by the following drawings and examples of implementation.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

На фиг. 1 представлена принципиальная схема изобретения (Схема сухого крио-переноса CVD-графена с медной подложки на полимерную. 1 – полимер; 2 – стекло/ поликор/ кварц; 3 – медь; 4 – графен; 5 – давление для усиления адгезии между полимером и графеном; 6 – среда (жидкий азот).FIG. 1 is a schematic diagram of the invention (Scheme of dry cryo-transfer of CVD graphene from a copper substrate to a polymer one. 1 - polymer; 2 - glass / polycor / quartz; 3 - copper; 4 - graphene; 5 - pressure to enhance adhesion between the polymer and graphene ; 6 - medium (liquid nitrogen).

I. Первым этапом является механическая обработка полимера с целью формирования пленки;I. The first step is mechanical treatment of the polymer to form a film;

II. Вторым – нанесение полимерной подложки с целью исключения воздушных прослоек в полимере посредством многократного пропускания через пресс (вальцы); II. The second is the application of a polymer substrate in order to exclude air gaps in the polymer by means of repeated passing through a press (rollers);

III. Далее полимер предварительно нагревается достижения однородной адгезии; расплавленное состояние уменьшает сил натяжения на краях полимерного слоя;III. The polymer is then preheated to achieve uniform adhesion; the molten state reduces the tensile forces at the edges of the polymer layer;

IV. Второй этап есть совмещение графена на меди с поверхностью нагретого полимера и давления в ~ 12 Торр без добавочного воздействия (от 0.1 до 3000 Торр). Давление оказывается в течение порядка минуты. Далее композит продолжает нагреваться при той же температуре в течение 40 минут;IV. The second stage is the combination of graphene on copper with the surface of a heated polymer and a pressure of ~ 12 Torr without additional action (from 0.1 to 3000 Torr). The pressure is applied for about a minute. Then the composite continues to be heated at the same temperature for 40 minutes;

V. По истечении необходимого времени образец быстро погружается в жидкий азот, промежуток не больше 10 секунд для достижения большого скачка температуры;V. After the required time has elapsed, the sample is quickly immersed in liquid nitrogen, for a period not exceeding 10 seconds to achieve a large temperature jump;

VI. В ходе последнего этапа наблюдается самопроизвольная деламинация.Vi. During the last stage, spontaneous delamination is observed.

На фиг. 2 представлены фотографии ванны с жидким азотом, в которую помещаются структуры «полимер/графен/исходная поверхность» произвольной формы.FIG. 2 shows photographs of a bath with liquid nitrogen, in which structures "polymer / graphene / initial surface" of arbitrary shape are placed.

Фиг. 3-5 иллюстрируют качество переноса графена.FIG. 3-5 illustrate the quality of graphene transfer.

На фиг. 3 представлены спектры комбинационного рассеяния графена после процесса переноса (PF+Graphene) и исходной подложки (PF). На фиг. 3 не наблюдается D мода колебаний (~1300 см-1), отвечающая за присутствие дефектов.FIG. 3 shows the Raman spectra of graphene after the transfer process (PF + Graphene) and the initial substrate (PF). FIG. 3, the D vibration mode (~ 1300 cm -1 ) is not observed, which is responsible for the presence of defects.

На фиг. 4 фотографии и результаты измерения вольтамперных характеристик графена, на полимерной подложке, перенесенного с помощью настоящей технологии. Пропорциональность сопротивления от длины канала свидетельствует о высокой масштабируемости подхода.FIG. 4 photographs and the results of measuring the current-voltage characteristics of graphene on a polymer substrate transferred using this technology. The proportionality of the resistance to the channel length indicates the high scalability of the approach.

На фиг. 5 представлена микрофотография оптической микроскопии графена на поверхности полимера, демонстрирующая однородность поверхности.FIG. 5 is a photomicrograph of optical microscopy of graphene on a polymer surface, showing surface uniformity.

Далее приведены примеры реализации настоящего изобретения. Настоящее изобретение не ограничивается представленными примерами.The following are examples of the implementation of the present invention. The present invention is not limited to the presented examples.

ПримерыExamples of

Пример 1Example 1

Однослойный графен на поверхности меди с помощью ножниц или любых других режущих устройств обрезается до заранее заданных размеров (например, 0.6*1 см2) для облегчения последующих манипуляций с образцом с целью успешного переноса. Затем объект помещается на подложку (стекло, кварц, тефлон, поликор). Далее, исходный образец нагревается при температуре 120 oС. Затем полимер, большей (соизмеримой) площади приводится в контакт с заготовленным образцом. Образование интерфейса между полимером и графеном, наблюдается посредством изменения цвета полимера (становится прозрачным). Образец в таком состоянии нагревается в течение 30-60 минут в зависимости толщины полимерной пленки. Далее образец охлаждается в течение 3 часов. Затем образец охлаждается при температуре -20 oС в течение 2 часов и при -40 oС в течение 10 часов. Обработанный, согласно вышеописанному порядку процедур, образец погружается в жидкий азот, температура - 190:196 oС. Смена температур происходит не дольше 30-60 секунд. Ступенчатое охлаждение позволяет расширить круг используемых полимеров за счет снижения их хрупкости при вторичном охлаждении. Расширенный круг полимеров включает в себя полиолефины (включая, но не ограничиваясь полиэтиленом и полипропиленом), парафины, полистирол, парафильм, полиметилметакрилат.Single-layer graphene on the copper surface is cut to predetermined sizes (for example, 0.6 * 1 cm 2 ) using scissors or any other cutting devices to facilitate subsequent manipulations with the sample for successful transfer. Then the object is placed on a substrate (glass, quartz, teflon, polycor). Further, the original sample is heated at a temperature of 120 o C. Then a polymer of a larger (commensurate) area is brought into contact with the prepared sample. The formation of an interface between polymer and graphene is observed by changing the color of the polymer (becomes transparent). The sample in this state is heated for 30-60 minutes, depending on the thickness of the polymer film. Then the sample is cooled for 3 hours. The sample is then cooled at -20 ° C for 2 hours and at -40 ° C for 10 hours. The sample processed according to the above-described order of procedures is immersed in liquid nitrogen, the temperature is 190: 196 o C. The temperature change does not take longer than 30-60 seconds. Step cooling allows you to expand the range of polymers used by reducing their fragility during secondary cooling. An extended range of polymers includes polyolefins (including but not limited to polyethylene and polypropylene), paraffins, polystyrene, parafilm, polymethyl methacrylate.

Пример 2Example 2

Однослойный графен на поверхности меди с помощью ножниц или любых других режущих устройств обрезается до заранее заданных размеров (например, 0.6*0.7 см2) для облегчения последующих манипуляций с образцом с целью успешного переноса. Полимерная пленка приводится в контакт с подложкой (стекло, кварц, тефлон, поликор). Далее, полимерная пленка на подложке нагревается при температуре 175 oС в течение 40-90 минут в зависимости от изначальной толщины пленки. Далее, графен на меди приводится в контакт с обработанной полимерной подложкой при той же температуре с последующим давлением в 12 Торр в течение 5 секунд. После приложенного давления стек «медь/графен/полимер/подложка» нагревается при той же температуре в течение 30-40 минут. После нагрева стек погружается в жидкий азот, - 196 oС. Временной промежуток между окончанием нагрева и погружением в жидкий азот 1-2 секунды. Далее в течение 30 секунд графен/полимер отделяются от медной подложки.Single-layer graphene on the copper surface is cut to predetermined sizes (for example, 0.6 * 0.7 cm 2 ) using scissors or any other cutting devices to facilitate subsequent manipulations with the sample for successful transfer. The polymer film is brought into contact with the substrate (glass, quartz, Teflon, polycor). Further, the polymer film on the substrate is heated at 175 ° C for 40-90 minutes, depending on the initial film thickness. Next, graphene on copper is brought into contact with the treated polymer substrate at the same temperature, followed by a pressure of 12 Torr for 5 seconds. After the applied pressure, the copper / graphene / polymer / substrate stack is heated at the same temperature for 30-40 minutes. After heating, the stack is immersed in liquid nitrogen, - 196 o C. The time interval between the end of heating and immersion in liquid nitrogen is 1-2 seconds. Then, within 30 seconds, the graphene / polymer is separated from the copper substrate.

Пример 3Example 3

Однослойный графен на поверхности меди с помощью ножниц или любых других режущих устройств обрезается до заранее заданных размеров (например, 0.6*1 см2) для облегчения последующих манипуляций с образцов с целью успешного переноса. Система «графен/медь» переносится на чистую и ровную поверхность и приводится в контакт с пленкой парафилма сопоставимого или большего размера (например, 1.5*3 см2). Полимерная пленка прессуется с помощью стеклянных подложек и разделительной бумаги для выравнивания поверхности. Затем система «полимер/графен/медь» нагревается на плитке до 200 оС в течение 15 минут с последующим быстрым (в течение 1 минуты с с момента снятия с нагревательного прибора) помещением в ванну с жидким азотом. Через 1.5 минуты стек «полимер/графен» отщепившийся от меди достается из ванны для последующих манипуляций, зависящих от конкретного приложения. Single-layer graphene on the copper surface is cut to predetermined sizes (for example, 0.6 * 1 cm 2 ) using scissors or any other cutting devices to facilitate subsequent manipulations with samples for successful transfer. The graphene / copper system is transferred to a clean and flat surface and brought into contact with a parafilm film of comparable or larger size (for example, 1.5 * 3 cm 2 ). The plastic film is pressed using glass substrates and release paper to level the surface. The system then "polymer / graphite / copper" on a hot plate heated to 200 ° C for 15 minutes followed by a rapid (within 1 minute after removal from the heating device) being placed in a liquid nitrogen bath. After 1.5 minutes, the “polymer / graphene” stack, split off from the copper, is removed from the bath for subsequent manipulations depending on the specific application.

Пример 4Example 4

Данный пример аналогичен примеру 1 и отличается тем, что вместо охлаждения производится мгновенное помещение в жидкий азот. Мгновенное погружение позволяет сократить время переноса на 15 часов и исключить использование холодильника на -40 оС.This example is similar to example 1 and differs in that instead of cooling, it is instantaneously placed in liquid nitrogen. Instant immersion reduces the transfer time is 15 hours and eliminate the use of the refrigerator at -40 ° C.

Пример 5Example 5

Данный пример аналогичен примеру 1 и отличается тем, что вместо одного слоя парафильма используется два и более слоев. В результате механическая стабильность пленки увеличивается с увеличением толщины полимерной пленки.This example is similar to example 1 and differs in that instead of one parafilm layer, two or more layers are used. As a result, the mechanical stability of the film increases with the thickness of the polymer film.

Пример 6Example 6

Данный пример аналогичен примеру 1 и отличается тем, что нагрев системы производится ступенчато: система «графен/исходный носитель» нагревается до 100 оС в течение 10 минут до 175 оС, полимер расплавляется отдельно с последующим соединением и оставлением под давлением в течение более чем 5 минут. Это позволяет увеличить адгезию полимера к графену и повысить однородность переноса.This example is similar to example 1 and differs in that the heating of the system is performed in steps: the "graphene / initial support" system is heated to 100 ° C for 10 minutes to 175 ° C, the polymer is melted separately followed by connection and 5 minutes. This makes it possible to increase the adhesion of the polymer to graphene and to improve the uniformity of the transfer.

Пример 7Example 7

Данный пример аналогичен примеру 2 и отличается тем, что полимерная пленка прокатывается через вальцы 10 раз. В результате механическая стабильность пленки увеличивается за счет исключения пузырьков воздуха между слоями полимера.This example is similar to example 2 and differs in that the polymer film is rolled through the rollers 10 times. As a result, the mechanical stability of the film is increased by eliminating air bubbles between the polymer layers.

Пример 8Example 8

Данный пример аналогичен примеру 1 и отличается тем, что процесс производится с прессованием при давлении 3000 торр. Деламинация в данном случае происходит неравномерно за несколько часов.This example is similar to example 1 and differs in that the process is performed with pressing at a pressure of 3000 torr. Delamination in this case occurs unevenly over several hours.

Пример 9Example 9

Данный пример аналогичен примеру 1 и отличается тем, что процесс производится без прессования, адгезия полимера к графену обеспечивается его расплавлением при 150 оС в течение 4 часов.This example is similar to Example 1 and is characterized in that the process is performed without pressing, adhesion of the polymer to its melting graphene is provided at 150 ° C for 4 hours.

Пример 10Example 10

Данный пример аналогичен примеру 8 и отличается тем, что процесс производится без прессования, адгезия полимера к графену обеспечивается его расплавлением при 300 оС в течение 2 часов.This example is similar to Example 8, and characterized in that the process is performed without pressing, adhesion of the polymer to its melting graphene is provided at 300 ° C for 2 hours.

Пример 11Example 11

Данный пример аналогичен примеру 4 и отличается тем, что система полимер/графен/медь погружается в закрытую ячейку, из высоко-теплопроводного материала, обладающий низким КТР. Это ячейка опускается в сосуд Дьюара или криостат, тем самым, обеспечивая постоянную температуру образца в отличие от всех выше указанных примеров, где жидкий азот непрерывно испаряется. Т.к. расслоение происходит в силу механических свойств материалов, такая ячейка увеличивает равномерность отщепления образца. This example is similar to example 4 and differs in that the polymer / graphene / copper system is immersed in a closed cell made of a highly heat-conducting material with a low CTE. This cell is lowered into a Dewar vessel or cryostat, thereby providing a constant sample temperature, in contrast to all of the above examples, where liquid nitrogen is continuously evaporated. Because delamination occurs due to the mechanical properties of the materials; such a cell increases the uniformity of sample cleavage.

Результаты экспериментов по получению конечного продукта (графен на полимерной подложке), различные варианты получения которого раскрыто в вышеописанных примерах (в том числе с различными заявленными соединениями для исходной положки) показали следующее:The results of experiments on obtaining the final product (graphene on a polymer substrate), various options for obtaining which are disclosed in the above examples (including with various claimed compounds for the initial support) showed the following:

1. В конечном продукте отсутствуют дефекты, что подтверждается фиг. 3, на которой не наблюдается D мода колебаний (~1300 см-1), отвечающая за присутствие дефектов.1. There are no defects in the final product, as evidenced by FIG. 3, in which the D vibration mode (~ 1300 cm -1 ) is not observed, which is responsible for the presence of defects.

2. При изготовлении конечного продукта объем сточных вод сокращается в 30 раз.2. In the manufacture of the final product, the volume of wastewater is reduced by 30 times.

3. При изготовлении конечного продукта достигается упрощение процесса переноса графена путем уменьшения числа стадий и упрощения используемого оборудования. 3. In the manufacture of the final product, a simplification of the graphene transfer process is achieved by reducing the number of stages and simplifying the equipment used.

4. При изготовлении конечного продукта достигается ускорение процесса переноса графена с десятков часов до десятков секунд. 4. In the manufacture of the final product, the process of graphene transfer is accelerated from tens of hours to tens of seconds.

Claims (9)

1. Способ переноса графена на полимерную подложку, включающий:1. A method for transferring graphene onto a polymer substrate, including: a. нанесение полимерной пленки на поверхность графена, расположенного на исходной подложке, с целью создания структуры «полимер/графен/исходная подложка»;a. deposition of a polymer film on the surface of graphene located on a parent substrate to create a polymer / graphene / parent substrate structure; b. самопроизвольную деламинацию системы «полимер/графен» с поверхности исходной подложки при охлаждении структуры «полимер/графен/исходная подложка» не более 10 с в среде жидкого азота или гелия для достижения большого скачка температуры.b. spontaneous delamination of the "polymer / graphene" system from the surface of the initial substrate during cooling of the "polymer / graphene / initial substrate" structure for no more than 10 s in liquid nitrogen or helium to achieve a large temperature jump. 2. Способ по п. 1, в котором исходная подложка выполнена из d-элемента, интерметаллида d-элементов, оксидов и интерметаллидов d-элементов.2. The method according to claim 1, wherein the initial substrate is made of a d-element, an intermetallic compound of d-elements, oxides and intermetallic compounds of d-elements. 3. Способ по п. 1, в котором нанесение полимерной пленки на поверхность графена осуществляют путем прогрева системы до температур 70-300°С.3. The method according to claim 1, in which the deposition of the polymer film on the graphene surface is carried out by heating the system to temperatures of 70-300 ° C. 4. Способ по п. 1, в котором нанесение полимерной пленки на поверхность графена осуществляют путем прогрева до температур 70-300°С и прессования системы «полимер/графен/исходная медная подложка».4. The method according to claim. 1, in which the deposition of a polymer film on the surface of graphene is carried out by heating to temperatures of 70-300 ° C and pressing the system "polymer / graphene / initial copper substrate". 5. Способ по п. 1, в котором охлаждение производят в криостате с жидком азотом или жидким гелием.5. The method according to claim 1, wherein the cooling is performed in a cryostat with liquid nitrogen or liquid helium. 6. Способ по п. 1, в котором охлаждение осуществляют в несколько этапов.6. The method according to claim 1, wherein the cooling is carried out in several stages. 7. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором исходная подложка многократно используется для получения нового слоя графена.7. A method according to any of the preceding claims, wherein the original substrate is reused to produce a new graphene layer.
RU2020116827A 2020-05-22 2020-05-22 Method for transferring graphene onto a polymer substrate RU2757239C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020116827A RU2757239C1 (en) 2020-05-22 2020-05-22 Method for transferring graphene onto a polymer substrate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020116827A RU2757239C1 (en) 2020-05-22 2020-05-22 Method for transferring graphene onto a polymer substrate

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2757239C1 true RU2757239C1 (en) 2021-10-12

Family

ID=78286381

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020116827A RU2757239C1 (en) 2020-05-22 2020-05-22 Method for transferring graphene onto a polymer substrate

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2757239C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19980033377A (en) * 1996-10-31 1998-07-25 이데이노부유끼 Thin film semiconductor device, manufacturing method and manufacturing apparatus thereof, and thin film single crystal semiconductor solar cell and manufacturing method thereof
US20150240038A1 (en) * 2014-02-26 2015-08-27 National University Of Singapore Method and apparatus for transferring graphene to a polymeric substrate
RU2568718C2 (en) * 2009-08-07 2015-11-20 Гардиан Индастриз Корп. Methods of peeling and transferring hetero-epitaxially grown graphene films and products containing said films
RU2688628C1 (en) * 2018-10-01 2019-05-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) Method of transferring graphene from a metal substrate to a polymer material

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19980033377A (en) * 1996-10-31 1998-07-25 이데이노부유끼 Thin film semiconductor device, manufacturing method and manufacturing apparatus thereof, and thin film single crystal semiconductor solar cell and manufacturing method thereof
RU2568718C2 (en) * 2009-08-07 2015-11-20 Гардиан Индастриз Корп. Methods of peeling and transferring hetero-epitaxially grown graphene films and products containing said films
US20150240038A1 (en) * 2014-02-26 2015-08-27 National University Of Singapore Method and apparatus for transferring graphene to a polymeric substrate
RU2688628C1 (en) * 2018-10-01 2019-05-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) Method of transferring graphene from a metal substrate to a polymer material

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Guo et al. Stacking of 2D materials
US9023220B2 (en) Method of manufacturing a graphene monolayer on insulating substrates
Yang et al. Chemical vapour deposition of graphene: Layer control, the transfer process, characterisation, and related applications
Kang et al. Graphene transfer: key for applications
Qing et al. Towards large-scale graphene transfer
JP6488350B2 (en) Direct and continuous formation of boron nitride and graphene on substrates
JP5872557B2 (en) Large-scale graphene sheet, article incorporating the same, composition, method and apparatus
US8597526B2 (en) Method for making graphene/carbon nanotube composite structure
US8920661B2 (en) Method for making graphene/carbon nanotube composite structure
EP2674396B1 (en) Method for producing graphene
TWI544527B (en) Direct formation of graphene on semiconductor substrates
KR20140041480A (en) Method for producing transparent electrically conductive film laminates and transparent electrically conductive film laminate
TW201637870A (en) Graphene and polymer-free method for transferring CVD grown graphene onto hydrophobic substrates
US9895870B2 (en) Graphene surface functionality transfer
WO2016136826A1 (en) Carbon nanotube high-density assembly and method for producing carbon nanotube high-density assembly
US20160194205A1 (en) Hybrid graphene materials and methods of fabrication
KR101563231B1 (en) Nanosheet-inorganic layered porous nanostructure, and preparing method of the same
Lai et al. Water-penetration-assisted mechanical transfer of large-scale molybdenum disulfide onto arbitrary substrates
CN101768012A (en) Method for preparing single-layer graphene film on SiO2 substrate directly
RU2722528C2 (en) Graphene and graphene production
RU2757239C1 (en) Method for transferring graphene onto a polymer substrate
Vaca et al. Photolithographically-patterned C-MEMS graphene by carbon diffusion through nickel
Vilani et al. Direct transfer of graphene films for polyurethane substrate
Comanescu et al. Assessing by Raman spectroscopy the quality of CVD graphene transferred on oxidized silicon and quartz substrates
Comanescu et al. Micro-Raman spectroscopy of graphene transferred by wet chemical methods