使用极化的铁电聚合物无缺陷地直接干法层离CVD石墨烯制造技术

一种从其生长基底剥离石墨烯层的方法，包括使用来自极化的铁电层的静电场在石墨烯层与生长基底之间产生相对于石墨烯层与极化的铁电聚合物层之间的粘附力而言降低的相对粘附力。提供了用于从生长基底层离石墨烯层的相关制品和技术。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用极化的铁电聚合物无缺陷地直接干法层离CVD石墨烯相关申请本申请要求了2015年2月3日提交的美国临时申请号62/111,195的权益，该申请的全部教导通过引用并入本文。
技术介绍
由于其优异的特性，石墨烯引起了人们极大的兴趣。然而，其工艺仍是阻碍石墨烯应用商业化的瓶颈。由于生长基底和/或生长条件与最终设备不匹配，因此需要将石墨烯从其生长基底转移到设备表面。这种转移工艺的主要步骤是：(1)用转移层完全或部分地涂覆或覆盖石墨烯。参见图1，图1示出了根据现有技术的基底/石墨烯/剥离层结构的示意图，该结构包括剥离层100、石墨烯110和基底120。(2)通过化学蚀刻基底、通过(电)化学层离(delaminating)或从基底中机械剥离石墨烯来从生长基底中释放石墨烯/转移层。由于是在溶液中处理石墨烯，因此化学蚀刻和(电)化学层离是湿法工艺。机械剥离是干法工艺。(3)将石墨烯/转移层转移到目标基底上。如果转移层是石墨烯的目标基底，则可跳过该步骤。(4)去除转移层。如果将转移层保留在石墨烯上，则可跳过该步骤。这种多步骤工艺会导致石墨烯上出现污染物并引起结构缺陷，使最终设备的特性变差并使其在整个样品中不均匀。从生长基底释放石墨烯/转移层的方法会强烈影响所得石墨烯的残留量和缺陷水平。如上所述，方法可分组为湿法(化学蚀刻、(电-)化学层离)或干法(机械剥离)。在湿法工艺的情况下：-使用的化学物质或来自化学反应的产物在石墨烯上留下残留物，该残留物无法很容易地通过彻底冲洗去除。-这些残留物可与石墨烯结合并使其晶体结构产生缺陷。这会导致石墨烯更脆，并且在处理期间容易发生机械缺陷，例如在转移到基底期间或去除转移层时。当在电子设备中使用时，这些缺陷也将降低石墨烯的电子性能。-即使残留物不引起缺陷时，残留物存在于石墨烯上仍然会使石墨烯的电气、光学、化学或机械性能降低和/或变得不均匀。例如，在设备内，需要石墨烯与相邻层之间的清洁界面来实现高的设备效率，并且这种残留物将降低设备性能和不同设备的均匀性。-一旦将石墨烯转移到目标基底上，石墨烯与目标基底之间的界面处的化学残留物会降低石墨烯与基底的粘附力，并因此限制设备的机械稳定性。-由于会发生化学反应，因此湿法工艺很缓慢。例如，蚀刻可生长石墨烯的35微米厚的铜基底通常将持续2个多小时。(电-)化学层离工艺是包括任何蚀刻的更快的工艺，但其速度限于每秒约1毫米。这些处理速度与高通量制造不匹配。在干法工艺的情况下：-通过确保剥离层与石墨烯的充分粘附力，使得该粘附力将高于石墨烯与其基底之间的粘附力来剥离石墨烯的方法。在基底是铜的情况下，石墨烯与铜的粘附力为约8J/m2。-第一机械剥离方法利用压力和/或温度来实现石墨烯与剥离层之间的共形接触(conformalcontact)，和/或利用高电压诱导它们之间的直接化学结合。然后，剥离层与石墨烯的化学粘附力需高于石墨烯与其基底的粘附力。-第二类型的机械剥离方法需要粘合剂层作为剥离层。然后，粘合剂层与石墨烯的粘附力需高于石墨烯与其基底的粘附力。-然而，已经证实，由于应变不均匀和/或剥离力不均匀，转移的石墨烯总是被严重损坏。-当剥离层在整个石墨烯表面上不具有均匀的涂层时或者当诸如温度和压力等参数变化很大时，会发生不均匀的应变。-剥离力不均匀是由基底上的石墨烯的实际条件导致的，其中基底形貌由晶界和阶地(terraces)组成(长度尺寸为10-100μm2)。这种变化的形貌导致剥离期间的剥离力不均匀。-在剥离期间，不均匀性引起裂纹和/或未转移的石墨烯区域。由于这些裂纹，转移的石墨烯的质量不可逆地降低。这些裂纹以0.1mm的量级形成，并且当测量到长度量级为1mm或更长的裂纹时，将对石墨烯质量产生显著影响。当在生长基底上使用理想的晶体石墨烯作为原始材料时，这种测量结果显示迁移率下降至小于200cm-2/Vs并对具有最低薄层电阻的透明电极表现出不适应性，即使在>1,000ohm/sq的高掺杂的情况下。相比之下，如果这种石墨烯保持无缺陷，则迁移率通常为约5,000cm-2/Vs，且最低薄层电阻为150ohm/sq。-两种类型的剥离方法都致力于在石墨烯与剥离层之间实现足够高且足够均匀的粘附能量以产生无缺陷剥离。这些方法不会影响石墨烯与基底之间的粘附能量。因此，从基底层离石墨烯所需的最小能量保持不变。为了进一步提高层离的石墨烯的质量，仍需要对石墨烯具有较强粘附力的剥离层以及将整个石墨烯表面上的非均匀性最小化的技术。因此，仍然需要用于从生长基底层离石墨烯的商业上可行的技术，并且该技术应优选是无缺陷的机械剥离方法。
技术实现思路
根据本专利技术的一种版本，提供了一种从其生长基底剥离石墨烯层的方法。先前的方法依赖于通过使石墨烯与一表面接触(该表面与石墨烯的结合强于石墨烯与其基底的结合)实现石墨烯与剥离层之间的粘附力强于石墨烯与其基底的粘附力。替而代之，根据本专利技术的一种版本的方法，与在石墨烯与其基底之间的粘附力相比，利用铁电聚合物层的极化在石墨烯与铁电层之间诱导更强的粘附力。根据本专利技术的一种版本，提供了一种用于从生长基底层离石墨烯层的制品。该制品包含在生长基底上的石墨烯层和在石墨烯层上的极化的铁电聚合物层。石墨烯层被粘附于并夹在极化的铁电聚合物层与生长基底之间。对极化的铁电聚合物层进行布置和极化以在石墨烯层与生长基底之间产生相对于石墨烯层与极化的铁电聚合物层之间的粘附力而言降低的相对粘附力。可对极化的铁电聚合物层进行布置和极化，以增强铁电聚合物层与石墨烯的粘附力，以及铁电聚合物和石墨烯复合材料与基底之间的粘附力。进一步的，在本专利技术的其它相关版本中，石墨烯层可以包括通过类似化学气相沉积的方法在催化基底(例如，铜)上生长的单层或多层石墨烯(例如，2至10层)。催化基底可以是其它金属，包括镍、铂或钴，或已知会催化石墨烯(包括锗)的其它材料。催化剂可以包含在另一基底上的金属箔或金属薄膜。石墨烯可以是通过其它外延方法获得的石墨烯，例如通过加热碳化硅。极化的铁电聚合物层可以包含含氟聚合物，例如聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物。极化的铁电聚合物层可以包含约1纳米至约1毫米的厚度，例如约100纳米至约2000纳米的厚度。极化的铁电聚合物层可以包含约5μC/cm2至约10μC/cm2的剩余极化，例如约7.5μC/cm2。根据本专利技术的另一种版本，提供了一种从生长基底分离复合材料的方法，该复合材料包括铁电聚合物层和石墨烯层，并且石墨烯层被粘附于并夹在铁电聚合物层与生长基底之间。该方法包括：(i)极化铁电聚合物以在石墨烯层与生长基底之间产生相对于石墨烯层与极化的铁电聚合物层之间的粘附力而言降低的相对粘附力；和(ii)剥离复合材料以将石墨烯层从生长基底分离。可使铁电聚合物层极化以产生吸引力，从而增强铁电聚合物层与石墨烯的粘附力以及铁电聚合物和石墨烯复合材料与基底之间的粘附力。进一步的，在本专利技术的其它相关版本中，该方法还可包括将铁电聚合物层施加到石墨烯层以形成复合材料。该方法还可包括通过将石墨烯层粘附到目标基底上以将剥离的复合材料转移到目标基底；并且还可包括从石墨烯层除去铁电聚合物层以留下粘附于目标基底的石墨烯层。剥离后，石墨烯层在铁电聚合物层上的连续性可以是石墨烯层在生长基底上的的初始覆盖率的90本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从生长基底层离石墨烯层的制品，该制品包含：在生长基底上的石墨烯层；和在所述石墨烯层上的极化的铁电聚合物层，所述石墨烯层被粘附于并夹在所述极化的铁电聚合物层与所述生长基底之间，对所述极化的铁电聚合物层进行布置和极化以在所述石墨烯层和所述生长基底之间产生相对于所述石墨烯层与所述极化的铁电聚合物层之间的粘附力而言降低的相对粘附力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.03 US 62/111,1951.一种用于从生长基底层离石墨烯层的制品，该制品包含：在生长基底上的石墨烯层；和在所述石墨烯层上的极化的铁电聚合物层，所述石墨烯层被粘附于并夹在所述极化的铁电聚合物层与所述生长基底之间，对所述极化的铁电聚合物层进行布置和极化以在所述石墨烯层和所述生长基底之间产生相对于所述石墨烯层与所述极化的铁电聚合物层之间的粘附力而言降低的相对粘附力。2.如权利要求1所述的制品，其中所述极化的铁电聚合物层包含含氟聚合物。3.如权利要求2所述的制品，其中所述极化的铁电聚合物层包含聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物。4.如权利要求1所述的制品，其中所述极化的铁电聚合物层包含约1纳米至约1毫米的厚度。5.如权利要求4所述的制品，其中所述极化的铁电聚合物层包含约100纳米至约2000纳米的厚度。6.如权利要求1所述的制品，其中所述极化的铁电聚合物层包含约5μC/cm2至约10μC/cm2的剩余极化。7.一种从生长基底分离复合材料的方法，所述复合材料包括铁电聚合物层和石墨烯层，所述石墨烯层被粘附于并夹在所述铁电聚合物层与所述生长基底之间，该方法包括：(i)极化所述铁电聚合物以在所述石墨烯层与所述生长基底之间产生相对于所述石墨烯层与所述极化的铁电聚合物层之间的粘附力而言降低的相对粘附力；和(ii)剥离所述复合材料以将所述石墨烯层从所述生长基底分离。8.如权利要求7所述的方法，还包括将所述铁电聚合物层施加到所述石墨烯层以形成所述复合材料。9.如权利要求7所述的方法，还包括通过将所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·欧伊尔迈兹，I·马丁费尔南德斯，C·T·卓，
申请(专利权)人：新加坡国立大学，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG