激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法

摘要

提供了一种激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法，包括以下步骤：准备步骤：在硬质基底上结合牺牲层，在牺牲层上结合光敏聚酰亚胺薄膜；诱导步骤：采用CO2激光诱导光敏聚酰亚胺薄膜碳化从而形成碳基电子元件；转印步骤：将碳基电子元件和未被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜转印至柔性基底；曝光步骤：将碳基电子元件和未被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜曝光于紫外光中；清除步骤：用清洗剂清洗被紫外光照射过的未被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜；牺牲层与光敏聚酰亚胺薄膜和碳基电子元件的结合力小于光敏聚酰亚胺薄膜和碳基电子元件与柔性基底之间的结合力。未被碳化的聚酰亚胺薄膜能够溶解于清洗剂而被洗掉，从而获得不能被清洗剂溶解的碳基电子元件。

权利要求

1.一种激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法，其特征在于，包括以下步骤：准备步骤：在硬质基底(1)上结合牺牲层(2)，在所述牺牲层(2)上结合光敏聚酰亚胺薄膜(32)；

诱导步骤：采用CO2激光诱导所述光敏聚酰亚胺薄膜(32)碳化从而形成碳基电子元件(31)；

转印步骤：将所述碳基电子元件(31)和未被碳化的所述光敏聚酰亚胺薄膜(32)转印至柔性基底(4)；

曝光步骤：将所述碳基电子元件(31)和未被碳化的所述光敏聚酰亚胺薄膜(32)曝光于紫外光(5)中；

清除步骤：用清洗剂清洗被所述紫外光(5)照射过的未被碳化的所述光敏聚酰亚胺薄膜(32)；

所述牺牲层(2)与所述光敏聚酰亚胺薄膜(32)和所述碳基电子元件(31)的结合力小于所述光敏聚酰亚胺薄膜(32)和所述碳基电子元件(31)与所述柔性基底(4)之间的结合力。

2.根据权利要求1所述的激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法，其特征在于：所述曝光步骤包括第一曝光步骤和第二曝光步骤，所述清除步骤包括第一清除步骤和第二清除步骤，所述诱导步骤、所述第一曝光步骤、所述第一清除步骤、所述转印步骤、所述第二曝光步骤、所述第二清除步骤按顺序进行；

经过所述第一曝光步骤和所述第一清除步骤，所述碳基电子元件(31)的侧方的所述光敏聚酰亚胺薄膜(32)被去除；

经过所述第二曝光步骤和所述第二清除步骤，所述碳基电子元件(31)和所述牺牲层(2)之间的所述光敏聚酰亚胺薄膜(32)被去除。

3.根据权利要求2所述的激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法，其特征在于，在所述第一清除步骤中，将所述碳基电子元件(31)和所述光敏聚酰亚胺薄膜(32)浸泡在所述清洗剂中。

4.根据权利要求1所述的激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法，其特征在于，在所述转印步骤之后进行所述曝光步骤，在所述曝光步骤中，对所述碳基电子元件(31)和未被碳化的所述光敏聚酰亚胺薄膜(32)进行一次曝光。

5.根据权利要求1所述的激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法，其特征在于，所述光敏聚酰亚胺薄膜(32)的厚度大于所述牺牲层(2)的厚度。

6.根据权利要求1所述的激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法，其特征在于，所述紫外光(5)的波长为355nm。

7.根据权利要求1所述的激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法，其特征在于，在所述准备步骤中，在所述牺牲层(2)上旋涂液态的光敏聚酰亚胺，然后阶梯升温以在多个不同的温度下烘干液态的所述光敏聚酰亚胺。

8.根据权利要求1所述的激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法，其特征在于，所述碳基电子元件(31)包括石墨烯电极和/或石墨烯电路。

9.根据权利要求1所述的激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法，其特征在于，所述牺牲层(2)的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯，所述柔性基底(4)的材料包括聚二甲基硅氧烷和/或脂肪族芳香族无规共聚酯。

10.根据权利要求1所述的激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法，其特征在于，在所述诱导步骤中，在发射所述CO2激光之前，在激光加工平台里输入期望加工的图形，以使所述激光诱导碳基电子元件(31)形成具有所述图形的导电图案。

说明书

激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法

技术领域

[0001] 本发明涉及柔性可拉伸电子器件领域，特别涉及一种激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法。

背景技术

[0002] 随着现代电子工业和大规模消费市场的快速发展，柔性电子器件的制造和应用已经成为了现代电子产学研的前沿。通常，在制造柔性的导电图案，例如电极和电路时，在聚酰亚胺薄膜上旋涂金属层，然后借助掩模板进行光刻，然后再将生长在聚酰亚胺薄膜上的金属导线转印到柔性可拉伸基底(例如由聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、脂肪族芳香族无规共聚酯等制成的基底)，然后反应离子刻蚀除去多余的聚酰亚胺薄膜。

[0003] 考虑到掩模板的使用具有局限性，现阶段已经提出了一种激光直写诱导聚酰亚胺碳化从而直接在聚酰亚胺薄膜上生成电极或电路的方法。激光诱导聚酰亚胺碳化从而形成石墨烯电路或电极，石墨烯电极或电路成块体而非如金属电极或导线那样的同质材料。石墨烯电极或电路从聚酰亚胺薄膜内部膨出，转印用图章与石墨烯电极或电路之间的结合力小于石墨烯电极或电路与未被碳化的聚酰亚胺之间的结合力。

[0004] 在将石墨烯电极或电路转印到柔性基底上时存在以下问题：石墨烯电极或电路不易从聚酰亚胺薄膜脱离，极易发生导致转印不良的情况，即石墨烯电极和电路的仅仅一部分被转印，而另一部分则留在聚酰亚胺薄膜中。

发明内容

[0005] 鉴于上述现有技术的状态而做出本发明。本发明的目的在于提供一种激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法，在转印碳基电子元件方面，该方法能够获得较好的转印效果。

[0006] 提供了一种激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法，包括以下步骤：

[0007] 准备步骤：在硬质基底上结合牺牲层，在所述牺牲层上结合光敏聚酰亚胺薄膜；

[0008] 诱导步骤：采用CO2激光诱导所述光敏聚酰亚胺薄膜碳化从而形成碳基电子元件；

[0009] 转印步骤：将所述碳基电子元件和未被碳化的所述光敏聚酰亚胺薄膜转印至柔性基底；

[0010] 曝光步骤：将所述碳基电子元件和未被碳化的所述光敏聚酰亚胺薄膜曝光于紫外光中；

[0011] 清除步骤：用清洗剂清洗被所述紫外光照射过的未被碳化的所述光敏聚酰亚胺薄膜；

[0012] 所述牺牲层与所述光敏聚酰亚胺薄膜和所述碳基电子元件的结合力小于所述光敏聚酰亚胺薄膜和所述碳基电子元件与所述柔性基底之间的结合力。

[0013] 优选地，所述曝光步骤包括第一曝光步骤和第二曝光步骤，所述清除步骤包括第一清除步骤和第二清除步骤，所述诱导步骤、所述第一曝光步骤、所述第一清除步骤、所述转印步骤、所述第二曝光步骤、所述第二清除步骤按顺序进行；

[0014] 经过所述第一曝光步骤和所述第一清除步骤，所述碳基电子元件的侧方的所述光敏聚酰亚胺薄膜被去除；

[0015] 经过所述第二曝光步骤和所述第二清除步骤，所述碳基电子元件和所述牺牲层之间的所述光敏聚酰亚胺薄膜被去除。

[0016] 优选地，在所述第一清除步骤中，将所述碳基电子元件和所述光敏聚酰亚胺薄膜浸泡在所述清洗剂中。

[0017] 优选地，在所述转印步骤之后进行所述曝光步骤，在所述曝光步骤中，对所述碳基电子元件和未被碳化的所述光敏聚酰亚胺薄膜进行一次曝光。

[0018] 优选地，所述光敏聚酰亚胺薄膜的厚度大于所述牺牲层的厚度。

[0019] 优选地，所述紫外光的波长为355nm。

[0020] 优选地，在所述准备步骤中，在所述牺牲层上旋涂液态的光敏聚酰亚胺，然后阶梯升温以在多个不同的温度下烘干液态的所述光敏聚酰亚胺。

[0021] 优选地，所述碳基电子元件包括石墨烯电极和/或石墨烯电路。

[0022] 优选地，所述牺牲层的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯，所述柔性基底的材料包括聚二甲基硅氧烷和/或脂肪族芳香族无规共聚酯。

[0023] 优选地，在所述诱导步骤中，在发射所述CO2激光之前，在激光加工平台里输入期望加工的图形，以使所述激光诱导碳基电子元件(31)形成具有所述图形的导电图案。

[0024] 本公开提供的上述技术方案至少具有以下有益效果：

[0025] 当在紫外光中曝光时，未被碳化的聚酰亚胺薄膜发生化学反应而变得能够溶解于例如丙酮的清洗剂，而在CO2激光下发生光热反应而被碳化的聚酰亚胺薄膜不能被该清洗剂洗掉。在曝光步骤之后，再用清洗剂清洗掉未被碳化的聚酰亚胺薄膜即可获得需要的碳基电子元件。

附图说明

[0026] 图1为本公开提供的激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法的一个实施例的操作步骤的示意图。

[0027] 图2为本公开提供的激光诱导碳基电子元件的柔性转印方法的另一个实施例的操作步骤的示意图。

[0028] 附图标记说明：

[0029] 1硬质基底、2牺牲层、31激光诱导碳基电子元件、32光敏聚酰亚胺薄膜、4柔性基底、5紫外光。

具体实施方式

[0030] 下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。

[0031] 本公开提供一种激光诱导碳基电子元件31的柔性转印方法，其用于将激光诱导碳基电子元件31转印到柔性基底4。

[0032] 如图1所示，在一个实施例中，该柔性转印方法包括按顺序进行的：

[0033] 准备步骤：在硬质基底1(例如硅片、玻璃片等)上结合牺牲层2(例如聚甲基丙烯酸甲酯等)，在牺牲层2上结合光敏聚酰亚胺薄膜32；

[0034] 诱导步骤：采用CO2激光诱导光敏聚酰亚胺薄膜32碳化从而形成碳基电子元件31；

[0035] 转印步骤：将碳基电子元件31和未被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜32转印至柔性基底4(例如聚二甲基硅氧烷、脂肪族芳香族无规共聚酯等)；

[0036] 曝光步骤：将碳基电子元件31和未被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜32曝光于紫外光5中；

[0037] 清除步骤：用清洗剂(例如丙酮等)清洗被紫外光5照射过的未被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜32。

[0038] 下文定义，碳基电子元件31朝向硬质基底1的一侧为下侧，朝向柔性基底4的一侧为上侧。应当理解，仅为描述方便之目的而定义这里的上侧和下侧，该上侧和下侧不必与实际生产时空间中的上方和下方对应。

[0039] 利用例如激光加工平台发射CO2激光，CO2激光使光敏聚酰亚胺薄膜32的表面直接快速碳化成碳基电子元件31，例如石墨烯电路或电极。在发射CO2激光之前，可以在激光加工平台里输入期望加工的图形，从而利用激光诱导技术在光敏聚酰亚胺薄膜32上使碳基电子元件31形成设计好(具有上述期望加工的图形)的导电图案。

[0040] 牺牲层2与光敏聚酰亚胺薄膜32和激光诱导碳基电子元件31的结合力小于光敏聚酰亚胺薄膜32和激光诱导碳基电子元件31与柔性基底4之间的结合力，从而在转印步骤中，光敏聚酰亚胺薄膜32和碳基电子元件31与牺牲层2之间形成弱结合力界面，而与柔性基底4之间形成强结合力界面，光敏聚酰亚胺薄膜32和碳基电子元件31能够从牺牲层2脱离而结合到柔性基底4。

[0041] 当在紫外光5中曝光时，未被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜32发生化学反应而变得能够溶解于例如丙酮的清洗剂，而在CO2激光下发生光热反应而被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜32(已经形成为碳基电子元件31)不能被该清洗剂洗掉。在曝光步骤之后，再用清洗剂清洗掉未被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜32即可获得需要的碳基电子元件31。

[0042] 在该实施例中，对碳基电子元件31和未被曝光的光敏聚酰亚胺薄膜32进行一次曝光，在曝光之后进行清除，经一次曝光和一次清除即可去除未被碳化的全部的光敏聚酰亚胺薄膜32，工艺简单。

[0043] 如图2所示，在另一个实施例中，该柔性转印方法包括上述各步骤，且曝光步骤包括分别在转印步骤之前和之后进行的第一曝光步骤和第二曝光步骤，清除步骤包括分别在第一曝光步骤和第二曝光步骤之后进行的第一清除步骤和第二清除步骤。具体地，各步骤按照以下顺序进行：准备步骤、诱导步骤、第一曝光步骤、第一清除步骤、转印步骤、第二曝光步骤、第二清除步骤。

[0044] 在诱导步骤之后，可能仅仅光敏聚酰亚胺薄膜32在厚度上的一部分能够被碳化而形成碳基电子元件31，而在碳基电子元件31的下表面，即碳基电子元件31和牺牲层2之间还存在未被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜32。

[0045] 在第一曝光步骤中，可以对碳基电子元件31的上表面照射紫外光5，在第二曝光步骤中可以对未被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜32的下表面照射紫外光5。在第一清除步骤中可以将碳基电子元件31和未被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜32浸泡在清洗剂中，从而对未被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜32进行清洗。

[0046] 第一曝光步骤和第一清除步骤可以用于去除碳基电子元件31侧方(垂直于上下方向)的未被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜32。第二曝光步骤和第二清洗步骤可以用于去除可能存在于碳基电子元件31和牺牲层2之间的未被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜32。

[0047] 在本公开提供的柔性转印方法中，采用的紫外光5的波长为10nm至380nm，优选采用波长为355nm左右的深紫外光。

[0048] 光敏聚酰亚胺薄膜32的厚度可以大于牺牲层2的厚度，形成的碳基电子元件31从光敏聚酰亚胺薄膜32的上表面凸出。

[0049] 碳基电子元件31可以是由以下材料制成的电子元件：单层石墨烯、多层石墨烯、碳纤维、碳管的混合物(即激光诱导石墨烯材料)。

[0050] 可以在牺牲层2上旋涂液态的光敏聚酰亚胺，然后阶梯升温以在多个不同的温度下烘干液态的光敏聚酰亚胺从而形成聚酰亚胺薄膜。这样的聚酰亚胺薄膜较为平整且内部不易形成气泡。

[0051] 下面详细介绍上述另一个实施例。

[0052] 准备步骤：

[0053] 1、用N2(氮气)把4英寸的硅片表面吹干净，在硅片表面以600rpm的速度持续6s和3000rpm的速度持续30s地将液态聚甲基丙烯酸甲酯旋涂在硅片上；

[0054] 2、将加热台加热到180℃并固化聚甲基丙烯酸甲酯20分钟；

[0055] 3、在镀了聚甲基丙烯酸甲酯的硅片上以800rpm的速度持续8s和1000rpm的速度持续30s地将液态的光敏聚酰亚胺旋涂在聚甲基丙烯酸甲酯上；

[0056] 4、在烘箱里，依次以60℃持续2小时、80℃持续2小时、100℃持续2小时、120℃持续2小时、150℃持续2小时、180℃持续2小时、200℃持续2小时的阶梯加热方式烤干液态的光敏聚酰亚胺。

[0057] 诱导步骤：

[0058] 预先用CAD设计好电极的图形，在通用激光加工平台上，使用CO2激光在光敏聚酰亚胺薄膜32上诱导产生石墨烯电极。

[0059] 第一曝光步骤：

[0060] 用光刻机的深紫外光(波长＝355nm)照射石墨烯电极和光敏聚酰亚胺薄膜32表面10s。

[0061] 第一清除步骤：

[0062] 1、把硅片上的样品反复浸润在丙酮中，用丙酮洗掉未被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜32，只留下石墨烯电极；

[0063] 2、未被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜32已经被清洗，烘干硅片上的电极，因为丙酮容易挥发，所以在常温下的通风橱内干燥2小时即可；

[0064] 3、用N2进一步吹干石墨烯电极的表面。

[0065] 转印步骤：

[0066] 1、将聚二甲基硅氧烷薄膜贴在激光诱导石墨烯电极的上表面，然后用很快的速度从聚甲基丙烯酸甲酯上拉起，激光诱导石墨烯电极将会全部转印到聚二甲基硅氧烷薄膜上。

[0067] 第二曝光步骤：

[0068] 激光诱导石墨烯电极的下表面可能存留少许没被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜32，用深紫外光曝光10s。

[0069] 第二清除步骤：

[0070] 1、用丙酮清洗未被碳化的光敏聚酰亚胺薄膜32；

[0071] 2、在常温下，在通风橱内烘干丙酮洗过的激光诱导石墨烯电极。

[0072] 应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本发明。本领域实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本发明的范围。