一种低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法技术

本发明专利技术涉及石墨烯的转移技术，具体为一种低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法。该方法利用目标基体作为转移石墨烯的结构支撑层，首先将初始基体上的大面积石墨烯与目标基体结合，然后将其作为电极利用电解过程中产生的气泡将石墨烯与初始基体无损分离，从而实现大面积石墨烯向目标基体的洁净无损转移。使用目标基体作为转移石墨烯的结构支撑层，简化了转移步骤，既减少了大面积石墨烯在转移过程中的破损，又避免了使用转移介质对石墨烯表面的污染，并且石墨烯与目标基体的结合可采用卷对卷的辊压工艺实现，易于实现规模化连续化转移；而且采用电解无损分离的方法不会对初始基体造成破坏，初始基体可重复使用，降低了转移成本。

【技术实现步骤摘要】
一种低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法
:本专利技术涉及石墨烯的转移技术，具体为一种低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法，利用目标基体作为结构支撑层将大面积石墨烯从初始基体向任意目标基体上洁净无损转移的新方法，适用于转移导体或半导体基体表面的大面积单层、少层、或多层石墨烯。
技术介绍
: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200000cm2/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和表面污染。因此，发展大面积、高质量石墨烯的洁净、无损转移技术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。目前，发展的石墨烯转移技术可以分为两大类：腐蚀基体法与基体无损转移法。对于仅有原子级或者数纳米厚度的石墨烯而言，由于其宏观强度低，转移过程中极易破损，因此与初始基体的无损分离是转移过程所须克服的主要问题。对于在过渡金属等表面采用CVD方法或者析出生长方法制备的石墨烯，可以通过腐蚀基体的方法解决该问题。但是，由于该方法损耗了金属基体材料，因此增加了石墨烯的制备成本，并且工艺步骤繁琐，制备周期长，环境污染严重。而且，该方法并不适用于化学稳定性高的贵金属基体材料上石墨烯的转移，如：铂(Pt)、钌(Ru)、金(Au)和铱(Ir)等。为降低石墨烯的转移成本，可采用基体无损转移法，主要包括直接转移法与气体鼓泡插层法。前者利用与石墨烯结合力较强的转移介质(如：胶带、粘结剂等)将石墨烯直接从基体表面剥离下来。该方法无需损耗基体材料，也不采用具有腐蚀性和污染性的化学试剂。但是，该方法易于造成石墨烯的破损，因此无法实现大面积石墨烯的无损转移。后者在石墨烯表面涂覆转移介质后，利用电解过程中产生的气泡的推动作用及气体插层作用将石墨烯与初始基体无损剥离。该过程对石墨烯及其初始基体均无任何破坏和损耗，并且操作简便、速度快、易于调控、无金属蚀刻剂的污染。然而，目前该方法转移石墨烯均使用高分子聚合物等薄膜材料作为转移介质，在转移大面积石墨烯的过程中存在诸多问题：首先，大面积的转移介质薄膜容易破损，从而破坏石墨烯的结构完整性。其次，转移介质难以通过后续的化学和热处理过程完全去除，其残留物造成石墨烯表面的污染。此外，相关的转移介质涂覆和去除步骤既增加了成本，又降低了转移效率，因此不利于连续化规模转移。综上，目前亟需发展针对大面积石墨烯的低成本、洁净无损转移技术，这在一定程度上决定了大面积高质量石墨烯的发展前景。
技术实现思路
:本专利技术的目的在于提供一种低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的新方法，可将大面积石墨烯从初始基体洁净无损地转移到任意目标基体上。该转移方法使用目标基体作为石墨烯的结构支撑层，既减少了大面积石墨烯在转移过程中的破损，又避免了使用转移介质对石墨烯表面造成污染，并且石墨烯与目标基体的结合可采用卷对卷的辊压工艺实现，因此可作为一种规模化、洁净无损转移大面积石墨烯的方法。本专利技术的技术方案是：一种低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法，该方法利用目标基体作为转移石墨烯的结构支撑层，首先将初始基体上的大面积石墨烯与目标基体结合，然后将其作为电极利用电解过程产生的气泡将石墨烯与初始基体无损分离，从而实现大面积石墨烯向目标基体的洁净无损转移；其具体步骤如下：(1)初始基体上的石墨烯与目标基体的结合：将初始基体上的石墨烯通过结合力或者结合层与目标基体结合；(2)石墨烯与初始基体的分离：将步骤(1)获得的“初始基体/石墨烯/目标基体”或者“初始基体/石墨烯/结合层/目标基体”复合材料作为电极置于电解液中，通过电解的方法在其表面产生气体，利用气泡的推动力及其插层作用将石墨烯与初始基体无损分离。所述的低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法，石墨烯为采用化学气相沉积方法生长的石墨烯或析出方法生长的石墨烯，位于初始基体上的石墨烯的平均层数为单层、双层、少层或多层，层数小于50层。所述的低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法，采用结合力或者结合层实现石墨烯与目标基体的结合，防止石墨烯在操作过程中的破损；其中，结合层形成在石墨烯表面，或者目标基体表面，或者同时形成在两者表面。所述的低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法，采用的结合力包括静电力、范德华力、共价键结合力、氢键结合力、真空吸附作用力、机械连接力之一种或两种以上；采用的结合层材料包括胶粘剂、叠氮化物、自组装单分子膜之一种或两种以上。所述的低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法，采用的胶粘剂为压敏胶、热熔胶、光固化胶、浸渗胶、厌氧胶、防水胶、白乳胶、酚醛胶、天然胶、脲醛胶、硅橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚酰胺胶、聚碳酸酯、酚醛树脂胶、聚烯烃胶、纤维素胶、丁苯橡胶、饱和聚酯胶、聚氨酯胶、异氰酸酯胶、聚氯乙烯胶、环氧胶、聚酰亚胺胶、丙烯酸酯胶之一种或两种以上，胶粘剂粘结层的厚度为50nm～1mm；采用的自组装单分子膜包括有链状分子、大环平面共轭分子和生物大分子之一种或两种以上。所述的低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法，石墨烯的初始基体为Pt、Ni、Cu、Co、Ir、Ru、Au、Ag、Fe、Mo金属或其合金之一或两种以上的复合材料，或者初始基体为碳化钛、碳化钼、碳化锆、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钨之一或两种以上的复合材料，或者初始基体为硅、锗、砷化镓、磷化镓、硫化镉、硫化锌、氧化钛、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜之一或两种以上复合，或者初始基体为导体与半导体两者的复合材料；采用的目标基体为高分子聚合物：聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚硅氧烷、聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯，或者目标基体为半导体：硅、氧化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝或玻璃，或者目标基体为导体：Pt、Ni、Cu、Co、Ir、Ru、Au、Ag、Fe、Mo及其合金；目标基体的形状为平面、曲面或网面。所述的低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法，当初始基体和目标基体同时为柔性基体时，采用卷对卷的辊压方法，综合使用结合力或者结合层实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法，其特征在于：该方法利用目标基体作为转移石墨烯的结构支撑层，首先将初始基体上的大面积石墨烯与目标基体结合，然后将其作为电极利用电解过程产生的气泡将石墨烯与初始基体无损分离，从而实现大面积石墨烯向目标基体的洁净无损转移；其具体步骤如下：(1)初始基体上的石墨烯与目标基体的结合：将初始基体上的石墨烯通过结合力或者结合层与目标基体结合；(2)石墨烯与初始基体的分离：将步骤(1)获得的“初始基体/石墨烯/目标基体”或者“初始基体/石墨烯/结合层/目标基体”复合材料作为电极置于电解液中，通过电解的方法在其表面产生气体，利用气泡的推动力及其插层作用将石墨烯与初始基体无损分离。

【技术特征摘要】
1.一种低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法，其特征在于：该方法基于电化学气体鼓泡剥离的原理，利用目标基体作为转移石墨烯的结构支撑层，首先将初始基体上的大面积石墨烯与目标基体结合，然后将其作为电极利用电解过程产生的气泡将石墨烯与初始基体无损分离，从而实现大面积石墨烯向目标基体的洁净无损转移；其具体步骤如下：(1)初始基体上的石墨烯与目标基体的结合：将初始基体上的石墨烯通过结合层与目标基体结合；(2)石墨烯与初始基体的分离：将步骤（1）获得的“初始基体/石墨烯/结合层/目标基体”复合材料作为电极置于电解液中，通过电解的方法在其表面产生气体，利用气泡的推动力及其插层作用将石墨烯与初始基体无损分离；采用结合层实现石墨烯与目标基体的结合，防止石墨烯在操作过程中的破损；其中，结合层形成在石墨烯表面，或者目标基体表面，或者同时形成在两者表面；采用的结合层材料包括胶粘剂、叠氮化物、自组装单分子膜之一种或两种以上。2.按照权利要求1所述的低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法，其特征在于：石墨烯为采用化学气相沉积方法生长的石墨烯或析出方法生长的石墨烯，位于初始基体上的石墨烯的层数小于50层。3.按照权利要求1所述的低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法，其特征在于：采用的胶粘剂为压敏胶、热熔胶、光固化胶、浸渗胶、厌氧胶、防水胶、白乳胶、酚醛胶、天然胶、脲醛胶、硅橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚酰胺胶、聚碳酸酯、酚醛树脂胶、聚烯烃胶、纤维素胶、丁苯橡胶、饱和聚酯胶、聚氨酯胶、异氰酸酯胶、聚氯乙烯胶、环氧胶、聚酰亚胺胶、丙烯酸酯胶之一种或两种以上，胶粘剂粘结层的厚度为50nm～1mm；采用的自组装单分子膜包括有链状分子、大环平面共轭分子和生物大分子之一种或两种以上。4.按照权利要求1所述的低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法，其特征在于：石墨烯的初始基体为Pt、Ni、Cu、Co、Ir、Ru、Au、Ag、Fe、Mo金属或其合金之一或两种以上的复合材料，或者初始基体为碳化钛、碳化钼、碳化锆、碳化...

【专利技术属性】
技术研发人员：任文才，马来鹏，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21