石墨烯的制造和转移方法技术

本文提供了用于将高质量大面积的石墨烯层(例如单层石墨烯)转移到柔性基材的方法，其基于某些薄金属膜优先粘附到石墨烯，随后在与卷对卷制造兼容的方法中将所述金属化的石墨烯层层压到柔性目标基材，提供了将石墨烯转移到柔性基材的环境良好和可扩展的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年6月20日提交的美国申请No.62/015,116的权益，其全部内容通过引用并入本文。联邦资助的研究或开发本专利技术是在政府支持下在空军科学研究办公室(AirForceOfficeofScientificResearch)授予的GrantNo.FA9550-13-1-0156和由国家科学基金会研究生研究奖学金(NationalScienceFoundationGraduateResearchFellowship)授予的DGE-1144086下完成。政府对本专利技术具有一定的权利。
本专利技术涉及石墨烯领域，更具体地涉及将石墨烯层转移到基材上的方法。
技术介绍
石墨烯是由碳原子的二维六边形排列组成的碳的同素异形形式。每个石墨烯层基本上是以蜂窝状晶格键合的碳原子的单原子厚的平面层。石墨烯可以是具有一个、两个、数百或数千个石墨烯层的形式。石墨烯的电学、机械、光学和化学性质使其对于在高性能电子和光学装置中的应用具有吸引力，并且期望在跨越从消费电子产品到用于能量的转化和储存的装置、到适合的健康护理的生物医学装置的未来技术中起到重要作用。然而，为了实现这些应用，需要合成大面积的高质量石墨烯的低成本方法。与卷对卷(roll-to-roll)制造兼容的用于生长高质量大面积单层石墨烯的当前的方法是高度浪费的，生产的每1g石墨烯毁坏大约300kg铜箔(厚度＝25μm)。减少这种浪费的努力是由两个目标驱动的。第一个目标是降低对于相对高端应用(即，纳米电子学和透明电极)的成本和环境影响，对于相对高端应用，石墨烯目前被认为是重要的组成部分。第二个目标是实现潜在的应用，即一次性电子器件、纺织品、适合的生物医学装置和薄膜光伏模块，其在当前成本下难以使用石墨烯实现。在由Bae等人最初描述的众所周知的卷对卷兼容的方法(Bae,S.等，S.Nat.Nanotechnol.2010,5,574.)中，通过化学气相沉积(CVD)在大面积铜箔上生长单层石墨烯，并通过铜的化学蚀刻剥离到载体基材上。该方法在其在大面积上生产膜的能力方面是重要的，但是单原子厚度的石墨烯层的成本包括，毁坏等面积的七万原子厚的铜箔，以及经济成本和与处理大量腐蚀性废物相关的环境外部性。因此，需要改进的合成大面积的高质量石墨烯的方法。
技术实现思路
本专利技术至少部分地基于将石墨烯转移到基材(例如柔性的、坚固的或刚性的基材)的环境良好和可扩展的方法的开发。该方法是基于某些薄金属膜对石墨烯的优先粘附；从催化的金属箔(例如铜箔或镍箔)分离石墨烯，然后以与卷对卷制造兼容的方法层压到柔性目标基材上。金属箔(例如铜箔或镍箔)基材无限期地可重复使用，并且该方法比使用腐蚀性氯化铁(III)蚀刻金属(例如铜)的当前工艺基本上更绿色。一方面，本公开提供了一种在基材上制造石墨烯层的方法，包括提供设置在第一基材上的石墨烯层，将金属层施加到石墨烯层以形成金属化的石墨烯层，从所述第一基材移除(例如剥离、剥落)金属化的石墨烯层，并且将金属化的石墨烯层施加(例如，层压)到第二基材。在一些方面，该方法还包括从金属层移除热脱模粘合胶带。提供设置在第一基材上的石墨烯层的工序可以包括：提供第一基材，随后使用化学气相沉积方法在第一基材层上生长石墨烯层。第一基材可以是选自铜箔、镍箔或能够经由化学气相沉积方法支持石墨烯沉积的任何其它金属箔材料的金属箔(例如催化的金属箔)。在一些实施方式中，第一基材包括铜、镍、或其合金。在一些实施方式中，石墨烯层是单层。在其它实施方式中，石墨烯层包括两层以上石墨烯层。在一些方面，本文公开的方法包括将金属层施加到石墨烯层的工序。将金属层施加到石墨烯层的工序可以通过真空金属化方法或电化学金属化方法来完成。在一些方面，真空金属化方法选自由电子束蒸镀、热蒸镀和溅射组成的组。在一些方面，电化学金属化方法选自由电镀工艺、无电沉积和原子层沉积组成的组。在一些实施方式中，施加到石墨烯层的金属层包括金、镍、钴、铁、银、铜、锡、钯、铂、其合金、或其组合。在一些其它实施方式中，施加到石墨烯的金属层包括过渡金属或其合金(例如钪，钛，钒，铬，锰，铁，钴，镍，铜，锌，钇，锆，铌，钼，锝，钌，铑，钯，银，镉，镧，铪，钽，钨，铼，锇，铱，铂，金和汞)。例如，可以使用选自钴和镍中的至少一种金属或合金。在示例性实施方式中，金属层包括镍、钴或金。施加到石墨烯层的金属层可以具有约1至约1000纳米(nm)，约20nm至约1000nm，约50nm至约750nm，约100nm至约500nm，约125nm至约250nm，或约150nm至约200nm的厚度。例如，金属层可以以约20nm至约1000nm，约50nm至约750nm，约100nm至约500nm，约125nm至约250nm，约150nm至约200nm，约75nm，约100nm，约125nm，约150nm，约175nm或约200nm的厚度施加至石墨烯。在一些实施方式中，施加到石墨烯层的金属层包括两层以上顺序沉积的金属层。例如，施加到石墨烯层的金属层可以包括两层以上顺序沉积的金属层，金属层包括过渡金属或合金(例如钪，钛，钒，铬，锰，铁，钴，镍，铜，锌，钇，锆，铌，钼，锝，钌，铑，钯，银，镉，镧，铪，钽，钨，铼，锇，铱，铂，金和汞)。例如，可以使用选自钴和镍中的至少一种金属或合金。在示例性实施方式中，金属层包括镍、钴或金。两层以上顺序沉积的金属层可以具有约1至约1000纳米(nm)，约20nm至约1000nm，约50nm至约750nm，约100nm至约500nm，约125nm至约250nm，或约150nm至约200nm的厚度。例如，各个金属层可以具有约20nm至约1000nm，约50nm至约750nm，约100nm至约500nm，约125nm至约250nm，约150nm至约200nm，约75nm，约100nm，约125nm，约150nm，约175nm或约200nm的厚度。在一些方面，本文公开的方法包括用于从第一基材剥落金属化的石墨烯层的方法。在一些实施方式中，用于从第一基材剥落金属化的石墨烯层的工序包括：将中间基材粘附到所述金属，并且向中间基材施加足以克服第一基材与石墨烯层之间的相互作用的力，以从第一基材移除所述金属化的石墨烯。中间层可以是热脱模粘合胶带、另一金属(磁性)层，或者包括导电性或绝缘性层。使用辊将热脱模粘合胶带施加到金属层，以将热脱模粘合胶带从金属层的一个边缘施加到金属层的相对边缘。在一些实施方式中，剥落工序包括从金属层移除中间层(例如，移除热剥离粘合胶带、金属(磁性)层、导电性层或绝缘性层)。在一些方面，本文公开的方法包括将热剥离粘合胶带层直接施加在设置在石墨烯层上的金属层上的步骤。可以通过手工或使用辊(例如，卷对卷转移法)将热剥离粘合胶带施加到金属层，其中所述辊从热剥离粘合胶带的一个边缘到热剥离粘合胶带的相对边缘施加热剥离粘合胶带。在一些方面，本文公开的方法还包括在将石墨烯层层压到第二基材上之后从石墨烯层移除金属层。在一个实施方式中，本文公开的方法包括蚀刻金属层以从石墨烯层移除金属层。在一些方面，本公开提供了用于将石墨烯层转移到柔性基材的方法，所述方法包括提供石墨烯层，将金属层施加到石墨烯层以形成金属化的石墨烯层，将热剥离粘合胶带本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在基材上制造石墨烯层的方法，其包括：提供设置在第一基材上的石墨烯层；将金属层施加到所述石墨烯层，以形成金属化的石墨烯层；使所述金属化的石墨烯层从所述第一基材剥落；和将所述金属化的石墨烯层层压到第二基材。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.20 US 62/015,1161.一种在基材上制造石墨烯层的方法，其包括：提供设置在第一基材上的石墨烯层；将金属层施加到所述石墨烯层，以形成金属化的石墨烯层；使所述金属化的石墨烯层从所述第一基材剥落；和将所述金属化的石墨烯层层压到第二基材。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一基材包括铜、镍、或其合金。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述石墨烯层是石墨烯单层。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述石墨烯层包括两层以上的石墨烯层。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属层包括金、镍、钴、铁、银、铜、锡、钯、铂、或其合金。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述金属层包括镍或钴。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属层包括过渡金属或其合金。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述金属层包括两层以上的顺序沉积的金属层，其中每层包括过渡金属或其合金。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述两层以上的顺序沉积的金属层各自具有约1至约1000纳米(nm)，约20nm至约1000nm，约50nm至约750nm，约100nm至约500nm，约125nm至约250nm，或约150nm至约200nm的厚度。10.根据权利要求1所述的方法，其中使用真空金属化方法或电化学金属化方法将所述金属层施加到所述石墨烯层。11.根据权利要求10所述的方法，其中所述真空金属化方法选自由电子束蒸镀、热蒸镀和溅射组成的组。12.根据权利要求10所述的方法，其中所述电化学金属化方法选自由电镀工艺、无电沉积和原子层沉积组成的组。13.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属层具有约1至约1000纳米(nm)，约20nm至约1000nm，约50nm至约750nm，约100nm至约500nm，约125nm至约250nm，或约150nm至约200nm的厚度。14.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属层具有约75nm，约100nm，约125nm，约150nm，约175nm或约200nm的厚度。15.根据权利要求1所述的方法，其中提供...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·扎雷特西，D·利波米，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学校董会，
类型：发明
国别省市：美国;US