[发明专利]一种通过调控结合力转移大面积石墨烯的方法

说明书

技术领域:

本发明涉及石墨烯的转移技术，具体为一种通过调控结合力转移大面积石墨烯的方法。

背景技术:

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶体结构，是构建其他维数炭材料(零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本结构单元。石墨烯独特的晶体结构使它具有优异的电学、热学和力学性能，如室温下其电子迁移率高达200,000cm²/V·s，热导率高达5300W/m·k，可望在多功能纳电子器件、透明导电膜、复合材料、催化材料、储能材料、场发射材料、气体传感器及气体存储等领域获得广泛应用。为了综合利用石墨烯的众多优异特性，高质量石墨烯的制备及将石墨烯转移到特定基体上变得至关重要。自2004年英国曼彻斯特大学的研究组采用胶带剥离法(或微机械剥离法)首次分离获得稳定存在的石墨烯后，很多制备石墨烯的方法陆续被发展起来，包括化学氧化剥离法、析出生长法和化学气相沉积(CVD)法。由于相对简单的制备过程，且产量较大，化学氧化剥离法制得的石墨烯已经被广泛用于复合材料、柔性透明导电薄膜以及储能电极材料等。但是，化学剥离石墨烯的质量较差，存在大量结构缺陷，而且难以控制石墨烯的尺寸和层数等结构特征。CVD方法是目前可控制备大面积、高质量石墨烯的主要方法。通过控制温度、碳源和压力等制备条件，可以实现在多种基体材料表面(金属和非金属)生长出大面积、高质量的石墨烯。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。因此，发展大面积、高质量石墨烯的无损转移方法对于推动石墨烯材料的研究乃至应用具有重要的作用和意义。

根据石墨烯与目标基体的结合力不同，大面积石墨烯的转移方法可以分为两大类：范德华力转移与粘接力转移。在转移效果方面，两种方法各有优势和局限。前者在转移过程中使用转移介质膜作为大面积石墨烯的结构支撑层，在将石墨烯向目标基体转移的过程中，通过使用低表面能的转移介质或弱化转移介质与石墨烯的作用力，实现石墨烯与目标基体结合并与转移介质分离。典型的转移介质膜如：聚二甲基硅氧烷(PDMS)等具有良好的化学稳定性和力学性能，并可转移多层石墨烯；而且目标基体上的石墨烯具有低的表面粗糙度。然而，由于石墨烯分别与目标基体和转移介质之间范德华结合力的差异较小，石墨烯与目标基体结合后剥离转移介质的过程易导致石墨烯破损。后者直接采用目标基体作为大面积石墨烯的结构支撑层，通过胶粘剂实现石墨烯与目标基体的结合。由于使用胶粘剂，石墨烯与目标基体的结合力较高，有利于提高转移的可控性。但是，在分离石墨烯与初始基体的溶液处理中(例如化学蚀刻基体或电解水鼓泡剥离)，因为胶粘剂在溶液中的化学稳定性相对较低，典型的工艺过程均造成胶粘剂的表面形貌和结构产生不同程度的改变，从而造成石墨烯破损。而且溶液耐受性较高的胶粘剂通常在固化后无法再次粘接，所以不适用于转移多层石墨烯。此外，大面积石墨烯的初始基体多为多晶金属箔片，胶粘剂在转移过程中复制了多晶金属的粗糙表面形貌，导致目标基体上石墨烯的粗糙度显著增大。

综上，上述两种方法虽然在转移大面积石墨烯方面各有优点，但转移的完整性和可控性均存在明显不足。

发明内容:

本发明的目的在于提供一种通过调控结合力转移大面积石墨烯的方法，通过增大石墨烯分别与转移介质和目标基体之间结合力的差异提高大面积石墨烯的转移完整性和可控性的方法，适用于转移导体或半导体基体表面的大面积单层、双层、少层或多层石墨烯。

本发明的技术方案是：

一种通过调控结合力转移大面积石墨烯的方法，该方法通过增大石墨烯分别与转移介质和目标基体之间结合力的差异，提高大面积石墨烯的转移完整性和可控性；首先在位于初始基体的大面积石墨烯表面形成转移介质，所使用的转移介质与石墨烯之间为弱结合力或者可以降低为弱结合力；然后将“转移介质/石墨烯”复合膜与初始基体分离；再通过高粘接力的胶粘剂将“转移介质/石墨烯”复合膜的石墨烯表面与目标基体结合；最后，直接将转移介质与石墨烯剥离，或者降低两者之间的结合力后进行剥离，从而实现石墨烯到目标基体的转移；采用转移介质作为转移石墨烯过程中的支撑层，同时采用高粘接力的胶粘剂提高石墨烯与目标基体的结合，既提高大面积石墨烯在转移中的结构完整性，又易于转移多层石墨烯；具体步骤如下：

(1)位于初始基体表面的石墨烯与转移介质结合，并将“转移介质/石墨烯”复合膜与初始基体分离；

(2)通过胶粘剂将“转移介质/石墨烯”复合膜的石墨烯表面与目标基体结合；