[发明专利]基于掺杂层辅助的大面积高质量石墨烯无损转移方法

说明书

本发明提供了一种基于掺杂层辅助的大面积高质量石墨烯无损转移方法，涉及二维材料的应用技术领域。本发明的基于掺杂层辅助的大面积高质量石墨烯无损转移方法，包括单层石墨烯薄膜的生长、掺杂层的生成、支撑层的贴附、催化金属衬底的去除、石墨烯薄膜转移的步骤，利用掺杂材料同时作为石墨烯转移的保护层和掺杂层，解决了现有石墨烯转移技术中石墨烯材料沾污、薄膜破损、电学性能差等诸多问题，还可以重复上述操作，转移制备逐层掺杂的大面积高质量多层石墨烯薄膜。本发明的基于掺杂层辅助的大面积高质量石墨烯无损转移方法，保证了释放到目标衬底上的石墨烯薄膜具有连续的表面形貌和完整的二维结构，同时改善了石墨烯的功函数和电导率。

技术领域

本发明涉及二维材料的应用技术领域，具体涉及一种基于掺杂层辅助的大面积高质量石墨烯无损转移方法。

背景技术

石墨烯作为单原子层厚度的二维薄膜材料，具有高的透明度(≈97.7％)、良好的导电性(理论电导率优于Ag)及出色的机械柔性，能够作为理想的透明导电电极应用于各类光电器件领域，如：发光二极管(LEDs)、太阳能电池(SCs)、场效应晶体管(FETs)、紫外/红外探测器和超级电容器等。此外，石墨烯材料还具备高的热导率(5×10³W m^-1K^-1)和机械强度(1TPa)，同时在高温氛围和严苛的化学环境中表现出良好的稳定性。基于此，石墨烯可以作为GaN等半导体材料生长的高温缓冲层，用于降低半导体材料与生长衬底(Al₂O₃或SiC)间的晶格失配并释放应力，实现高质量半导体外延层的生长。

化学气相沉积(CVD)法合成石墨烯是指在高温(1000℃)氛围中，H₂还原分解CH₄形成C原子沉积到催化金属衬底(Cu或Ni)，在金属晶格的作用下自发排列形成六角形“蜂窝”状的石墨烯材料。相比于液相剥离石墨、石墨烯氧化物的还原及SiC高温分解等方法，CVD法可以在催化金属衬底上合成大面积、高质量且层数可控的石墨烯薄膜，同时具有高效率、低成本的优势。然而，CVD法合成石墨烯的实用化通常需要附加转移过程(生长衬底→目标衬底)，目标衬底包括：玻璃、石英、Al₂O₃、Si和PET等。此外，原始石墨烯由于特殊的能带结构和多晶晶界的存在，通常具有较低的功函数(WF≈4.4eV)及大的方块电阻。可在石墨烯表面修饰吸电子或给电子材料作为吸附掺杂剂，通过界面电荷转移掺杂以提高原始石墨烯的功函数和电导率，进而优化其在器件中的性能。

目前，现有技术中石墨烯转移工艺主要包括以下两种：

1)基于PMMA辅助的湿法转移：

单层石墨烯仅有原子层厚度，为保持其在转移过程中的完整度，通常在石墨烯表面旋涂PMMA高分子聚合物作为转移过程的支撑层。在腐蚀液(FeCl₃或(NH₄)₂S₂O₈)中刻蚀去除催化金属衬底→使用湿法捞取工艺将PMMA/石墨烯复合膜转移到目标衬底→加热去除界面的水分，在热的有机溶剂中去除PMMA。

然而，基于PMMA辅助的石墨烯湿法转移方法存在如下问题：①湿法捞取工艺将腐蚀液中的离子/灰尘等夹带到石墨烯和目标衬底界面，造成样品沾污和非可控掺杂；②由于石墨烯和衬底间热膨胀系数的差异，在加热去除界面水分时石墨烯形成褶皱；③PMMA分子量较大、在有机溶剂中的溶解度较低，去胶后石墨烯表面存在大量的PMMA残余，影响石墨烯的表面形貌；④PMMA支撑层的厚度通常限制在百纳米量级，不适用于大面积(>2inch)的石墨烯转移。

2)基于热释放胶带(TRT)/聚二甲基硅氧烷薄膜(PDMS)的干法转移：