一种图形化石墨烯的转移制备方法

摘要

本发明公开一种图形化石墨烯的转移制备方法，该方法包括如下步骤：先在生长在催化金属衬底上的石墨烯表面按照设计的图案涂覆粘性材料；再在石墨烯表面涂覆一层PDMS，加热固化；将得到的样品浸泡在腐蚀溶液中，腐蚀去掉催化金属衬底，黏附有粘性材料和PDMS的石墨烯漂浮在溶液中；将所得黏附有粘性材料和PDMS的石墨烯转移到目标衬底上；再将PDMS从上述目标衬底剥离，得到图形化的石墨烯。本发明的方法对目标衬底的材料使用上没有限制，在剥离PDMS时，能够得到预想的图形，不会对石墨烯造成额外的结构性破损，同时保持石墨烯表面洁净，无需昂贵的刻蚀设备，即可实现图形化石墨烯制作。

权利要求

1.一种图形化石墨烯的转移制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）在生长在催化金属衬底上的石墨烯样品表面按照设计的图案涂覆粘性材料，所述粘性材料为PMMA、聚乙烯或聚苯乙烯；

（2）再在整个样品表面涂覆一层PDMS保护层；

（3）将步骤（2）得到的样品浸泡在腐蚀溶液中，腐蚀去掉催化金属衬底，使黏附有粘性材料和PDMS保护层的石墨烯漂浮在溶液中；

（4）将步骤（3）所得黏附有粘性材料和PDMS保护层的石墨烯转移到目标衬底上；

（5）再将PDMS保护层从目标衬底剥离，得到图形化的石墨烯。

2.根据权利要求1所述图形化石墨烯的转移制备方法，其特征在于：所述催化金属为铜或镍。

3.根据权利要求1所述图形化石墨烯的转移制备方法，其特征在于：步骤（1）中，采用手绘、印刷或打印方式涂覆粘性材料。

4.根据权利要求1所述图形化石墨烯的转移制备方法，其特征在于：所述腐蚀溶液为三氯化铁溶液、过硫酸铵溶液、过硫酸钠溶液或硝酸。

说明书

一种图形化石墨烯的转移制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于纳米材料及微电子器件领域，具体涉及一种图形化石墨烯的转移制备方法。

背景技术

[0002] 石墨烯是近几年来新兴的二维纳米材料，由于该材料具有优异的机械性能、透光率、导热性、导电性能，在工业上可以在太阳能电池、触控面板等领域作用为透明电极材料，同时也可以替代目前的铜导线作为集成电路的导线材料。在催化金属衬底（如铜、镍等）上采用化学气相沉积法（CVD）制备石墨烯是目前适用于大规模工业化应用的主要生产方法，采用这种方法生产的石墨烯必须采用一定的工艺手段将石墨烯转移到目标衬底上，并将其制成特殊的结构图形，才能实现真正的工业应用。目前为止图形化石墨烯制作方法主要有两种：一种是先采用离子束刻蚀、电子束刻蚀或激光刻蚀工艺将生长在金属衬底上的石墨烯图形化，然后再使用PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）将图形化的石墨烯整体转移至目标衬底上；第二种是直接将生长在金属衬底上的石墨烯全部转移至目标衬底上，使用PMMA作为保护介质，对转移后的石墨烯通过离子束刻蚀、电子束刻蚀或激光刻蚀工艺进行图形化处理，如专利文献CN 101872120 B。在石墨烯由金属生长衬底转移至目标衬底的过程，可以采用湿法或干法转移，湿法转移主要是采用旋涂法在石墨烯表面沉积PMMA或其他胶体薄膜，再利用化学试剂腐蚀金属衬底，使石墨烯与金属衬底分离，石墨烯转移到新的目标衬底上后，再利用丙酮或氯仿等有机溶剂将胶体薄膜溶去，得到石墨烯样品，如目标转移衬底表面附着有其他有机材料时，或目标衬底本身容易被有机溶剂破坏，则该方法的应用就受到限止；干法转移主要是采用PDMS（聚二甲基硅氧烷）或其它热分解胶带直接压印在石墨烯表面，作为保护石墨烯的介质材料，再利用化学试剂使用石墨烯与金属衬底分离，石墨烯转移到新的目标衬底上后，再用机械方法揭去PDMS保护膜，得到最终的石墨烯样品，但这种方法容易造成石墨烯样品的破裂。采用离子束刻蚀、电子束刻蚀或激光束刻蚀对石墨烯进行图形化的制作时，通常在石墨烯表面旋涂胶体作为掩膜，刻蚀完后，需要使用有机溶剂将胶体洗去，同样也存在溶剂对衬底的损害，而且使用离子束、电子束或激光束这此高能粒子或光束对有机材料衬底的存在损害，仅适用于硅片、石英等无机材料衬底。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种新的图形化石墨烯的转移制备方法，该方法无需刻蚀即可将石墨烯转移到新的目标衬底上并实现石墨烯的图形化。

[0004] 本发明实现上述目的所采用的技术方案如下：

[0005] 一种图形化石墨烯的转移制备方法，包括如下步骤：

[0006] （1）在生长在催化金属衬底上的石墨烯样品表面按照设计的图案涂覆粘性材料；

[0007] （2）再在整个样品表面涂覆一层PDMS保护层；

[0008] （3）将步骤（2）得到的样品浸泡在腐蚀溶液中，腐蚀去掉催化金属衬底，使黏附有粘性材料和PDMS保护层的石墨烯漂浮在溶液中；

[0009] （4）将步骤（3）所得黏附有粘性材料和PDMS保护层的石墨烯转移到目标衬底上；

[0010] （5）再将PDMS保护层从目标衬底剥离，得到图形化的石墨烯。

[0011] 进一步，所述催化金属为铜或镍。

[0012] 进一步，所述粘性材料为PMMA、聚乙烯或聚苯乙烯。

[0013] 进一步，步骤（1）中，采用手绘、印刷或打印方式涂覆粘性材料。

[0014] 进一步，所述腐蚀溶液三氯化铁溶液、过硫酸铵溶液、过硫酸钠溶液或硝酸。

[0015] 有益效果：

[0016] 本发明利用PMMA和PDMS与石墨烯粘附力的差异，在完成石墨烯转移地同时，也完成石墨烯图形化制作，与现有的湿法转移方法相比，本发明不需要使用有机溶剂如丙酮清洗石墨烯表面的胶体，因此该方法对目标衬底的材料使用上没有限制，本发明图形化制备无需离子束、电子束或激光束这些昂贵的刻蚀设备，即可实现图形化石墨烯的制作，更适用于工业化应用。与现有的干法转移相比，由于在PDMS与石墨烯之间增加了一层图形化的PMMS，在剥离PDMS时，能够得到预想的图形化石墨烯，不会对石墨烯造成额外的结构性破损以及石墨烯表面过多的胶体残留，保持石墨烯表面的洁净。

附图说明

[0017] 图1为本发明方法的流程示意图。

[0018] 图2为石墨烯转移实例中不同步骤时的样品表面示意图。

具体实施方式

[0019] 以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

[0020] 本发明先用粘性材料（如PMMA、聚乙烯、聚苯乙烯）覆盖住石墨烯最终需要去除的部分，未覆盖的部分即为最终需要制作的图案，然后再用PDMS覆盖整个石墨烯表面，形成一层保护层，利用PDMS、PMMA和石墨烯三者粘附力的不同，由于PDMS与PMMA之间、PMMA与石墨烯之间存在强的粘附力，而PDMS与石墨烯的粘附非常弱，当从目标衬底上剥离PDMS时，PMMA以及由其覆盖住的石墨烯部分也一同被剥离，而未被PMMA覆盖的部分仍留在目标衬底上，得到图形化的石墨烯。本发明制作图形化石墨烯过程中的印刷、打印、腐蚀方法、剥离均采用本领域公知的技术手段，在此不再详述。

[0021] 实施例1

[0022] 使用化学气相沉积法在铜箔表面生长制备石墨烯，具体过程：以氢气和甲烷为气源，将铜箔放置在管式炉中，在真空环境下将管式炉加热至1000摄氏度，通入2sccm的氢气和35sccm的甲烷并保持十五分钟，关闭加热装置，待管式炉冷却至常压后，在铜箔的表面即生长有单层的石墨烯，如图2 A。

[0023] 使用玻璃纤维蘸取少量的PMMA溶液，在生长有石墨烯的铜箔表面绘制网格状结构，网格的大小约为1mm，网格线条的粗细约为0.3mm。将绘制好PMMA图案的样品放置在空气中静置半小时，待溶剂挥发后，即在石墨烯表面得到图形化的PMMA薄膜，如图2 B。也可采用印刷或打印技术将PMMA绘制在石墨烯样品表面上。

[0024] PDMS采用道康宁公司 SYLGARD 184硅胶套件，该制剂包括PDMS以及交联剂两部分，按照该产品的使用说明将二者按照质量比１２：１的关系均匀混合，并放入真空室内半小时，即可得到无色透明的PDMS液体。

[0025] 在上述完成图案绘制的样品表面滴落少许的PDMS液体，并将样品放置在加热台上在100摄氏度下加热1小时，使PDMS固化，得到一层PDMS保护层，如图2 C。

[0026] 将附着有PMMA和PDMS的石墨烯样品放入三氯化铁溶液中，样品由于表面张力和浮力，会漂浮在液体中，生长石墨烯的铜箔将逐渐被三氯化铁腐蚀，约半小时后，铜箔将被完全腐蚀，得到漂浮在液体表面的石墨烯样品。

[0027] 去除了铜箔的石墨烯样品经过反复稀释漂洗，最后得到漂浮在去离子水表面的洁净的石墨烯样品。

[0028] 使用目标衬底将上述石墨烯样品从去离子水中捞出，随后将衬底放置在加热台上在70摄氏度下保持半小时，去除石墨烯和衬底之间的水分，使石墨烯和衬底完全接触，如图2 D。

[0029] 烘干后，将PDMS保护层从目标衬底上揭去，由于PMMA和PDMS的粘结力较强，同时PMMA和其覆盖的石墨烯也有较强的作用力，而PDMS与石墨烯的粘结力较弱，因此PMMA及其覆盖的石墨烯将随着PDMS一起被剥离，最后在衬底上留下表面没有覆盖过PMMA的点阵装的方块石墨烯图形，其中方块的大小与之前绘制的PMMA的网格大小一致，约为1mm，如图2 E。