基于聚合物颈缩工艺制备块状石墨烯薄膜方法及其在蓝光LED器件中的应用技术

本发明专利技术公开了一种基于聚合物颈缩工艺制备块状石墨烯薄膜方法及其在蓝光LED器件中的应用，属于蓝光LED器件技术领域。本发明专利技术利用聚合物颈缩工艺制备块状石墨烯薄膜，可以实现界面剪切强度与拉伸石墨烯断裂带宽度之间的控制，并可通过再加热的方式进一步调节块状石墨烯的尺寸大小，具有简单易操作、省钱、省时、高精度的优势。本发明专利技术将采用聚合物颈缩工艺实现纳米薄膜材料石墨烯的图案化，以用作蓝光LED的透明导电层，工艺流程简单，且单层多晶石墨烯材料具有高透过率和高导电性，最终实现了工艺简单、成本低廉且高精度等优良特性。

【技术实现步骤摘要】
基于聚合物颈缩工艺制备块状石墨烯薄膜方法及其在蓝光LED器件中的应用
本专利技术属于蓝光LED器件
，尤其涉及到一种基于聚合物颈缩工艺制备块状石墨烯薄膜方法及其在蓝光LED器件中的应用。
技术介绍
石墨烯由单层碳原子组成，是有史以来测得的最坚固的材料，具有出色的物理性能，光学透明，导电性强。研究石墨烯的断裂行为对于理解其机械物理基础和开发其可靠的应用都是必不可少的。承受连续拉伸应力的热塑性聚合物会经历机械不稳定的状态，从而导致颈的形成和扩展。通过在热塑性聚合物的颈缩过程中利用强大的局部应变，引入一种简单可控的方法，将单层多晶石墨烯(MPG)片撕成有序的石墨烯带，再将石墨烯带拉伸并撕裂成预期尺寸的石墨烯块。常规光刻法存在制备过程步骤多、周期长、设备价格昂贵等问题，利用聚合物颈缩工艺实现纳米薄膜材料石墨烯的图案化，获得的断裂边界十分平滑，该方法具备简单易操作、省钱、省时、高精度的特性，具备制作周期短、成本低廉、尺寸可调、通用且高精度的优点。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出了一种基于聚合物颈缩工艺制备块状石墨烯薄膜方法及其在蓝光LED器件中的应用，通过可控的拉伸方法将单层多晶石墨烯(MPG)片撕成有序的石墨烯带，再将石墨烯带拉伸并撕裂成预期尺寸的石墨烯块。得到的块状石墨烯薄膜可作为GaN光电二极管的透明导电层，具有简单易操作、省钱、省时、高精度等特点。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于聚合物颈缩工艺制备块状石墨烯薄膜方法，包括以下步骤：(1)将单层片状石墨烯负载在聚醚酰亚胺PEI衬底上进行热固化，热固化温度为120-160℃，固化时间为40-70min；(2)对PEI衬底沿一个方向进行拉伸，拉力为30-60MPa，使其断裂形成宽度为1-2μm的条状石墨烯；(3)沿垂直于步骤(2)的方向再次进行拉伸，拉力为30-60Mpa，使其断裂形成块状石墨烯；步骤(1)和步骤(2)拉伸得到的条状或块状石墨烯尺寸可控，界面剪切强度τc与拉伸石墨烯断裂带宽度的关系满足公式：其中，τc为界面剪切强度，为石墨烯拉伸断裂带宽度，E2D为刚度，Γ为断裂韧性，h为膜厚度。优选的，步骤(1)中的热固化温度为160℃，固化时间为60min。优选的，对拉伸后的PEI加热可使其回缩，因此，在步骤(1)和步骤(2)对PEI衬底进行拉伸后，通过再加热方式调节块状石墨烯尺寸。通过上述方法制备得到的块状石墨烯薄膜在蓝光LED器件中的应用，将其作为蓝光LED器件的透明导电层。所述的蓝光LED器件包括从下至上依次堆叠设置的硅衬底、粘合层、高反射镜面层、p-GaN层、p-AlGaN层、量子阱层、n-GaN层、透明导电层和Cr/Au电极层。所述的蓝光LED器件制备方法包括以下步骤：步骤一、通过金属有机化学气相沉积法，将LED外延层生长在蓝宝石衬底上；步骤二、将Ni/Ag/Ti/Au金属沉积在p-GaN顶层上，作高反射镜面层，并保持与p-GaN层的欧姆接触；步骤三、在O2环境中进行高温退火，退火温度为450-500℃，时间为5-10min；步骤四、沉积Cr/Au层作为粘合层；步骤五、在250℃的温度和0.5MPa的压力条件下，在真空中通过锡熔合技术将器件粘合到硅衬底上，粘合时间为1-10min；步骤六、使用准分子激光器进行自动激光剥离工艺；步骤七、将器件加热到40-50℃保持1-5min，以去除蓝宝石衬底，然后用HCl溶液去除残留的Ga，再通过电感耦合等离子体蚀刻掉未掺杂的GaN，以暴露n-GaN层；步骤八、采用聚合物颈缩工艺将单层多晶石墨烯延某一方向拉伸，使其断裂形成均匀的条状石墨烯；步骤九、延垂直于步骤八的方向再次拉伸条状石墨烯，使其断裂形成均匀的块状石墨烯；步骤十、将聚甲基丙烯酸甲酯PMMA旋涂在石墨烯上，旋转速度1000-3000rpm，涂覆时间30-60s；步骤十一、使用烘箱烘烤PEI/MPG/PMMA，烘烤时间为10-30min；步骤十二、将获得的PEI/MPG/PMMA在低温下用真空烘箱固化；步骤十三、将固化后的PEI/MPG/PMMA通过热压的方法粘在n-GaN层上，使用真空烘箱烘烤，以使PEI/MPG/PMMA粘附到n-GaN表面；步骤十四、使用丙酮除去PMMA保护层；步骤十五、通过二氯甲烷除去PEI层；步骤十六、通过电子束蒸发法制备Cr/Au电极。优选的，步骤一中的LED外延层生长在0001取向的蓝宝石衬底上。优选的，步骤十二中真空烘箱固化温度为100-150℃，固化时间为20-30min。优选的，步骤十六中的Cr厚度为30-80nm，Au厚度为140-180nm。本专利技术具备的有益效果是：本专利技术利用聚合物颈缩工艺制备块状石墨烯薄膜，可以实现界面剪切强度与拉伸石墨烯断裂带宽度之间的控制，并可通过再加热的方式进一步调节块状石墨烯的尺寸大小，具有简单易操作、省钱、省时、高精度的优势。本专利技术将采用聚合物颈缩工艺实现纳米薄膜材料石墨烯的图案化，以用作蓝光LED的透明导电层，工艺流程简单，且单层多晶石墨烯材料具有高透过率和高导电性，最终实现了工艺简单、成本低廉且高精度等优良特性。附图说明图1是本实施例中在PC衬底上进行的将片状石墨烯拉伸成宽度一致的条状石墨烯的过程示意图；图2是图1拉伸过程的侧视图；图3是单一方向拉伸石墨烯的效果图；图4是将基于聚合物颈缩工艺制备的块状石墨烯薄膜作为GaN光电二极管的透明导电层的应用。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本专利技术的实施方式仅仅是示例性的，并且本专利技术并不限于这些实施方式。本专利技术提出了一种基于聚合物颈缩工艺制备块状石墨烯薄膜方法，拉伸过程如图1和图2所示，包括以下步骤：(1)将单层片状石墨烯负载在聚醚酰亚胺PEI衬底上进行热固化，热固化温度为120-160℃，固化时间为40-70min；(2)对PEI衬底沿一个方向进行拉伸，拉力为30-60MPa，使其断裂形成宽度为1-2μm的条状石墨烯；图3给出了单方向拉伸石墨烯的效果图。(3)沿垂直于步骤(2)的方向再次进行拉伸，拉力为30-60Mpa，使其断裂形成块状石墨烯；步骤(1)和步骤(2)拉伸得到的条状或块状石墨烯尺寸可控，界面剪切强度τc与拉伸石墨烯断裂带宽度的关系满足公式：其中，τc为界面剪切强度，为石墨烯拉伸断裂带宽度，E2D为刚度，Γ为断裂韧性，h为膜厚度。除了τc和以外，式中其他的参数均为定值，所以对于一致的界面剪切强度τc，拉伸石墨烯断裂带宽度一致，拉伸尺寸可控。界面强度τc与石墨烯和基底的结合力相关，本申请中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于聚合物颈缩工艺制备块状石墨烯薄膜方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)将单层片状石墨烯负载在聚醚酰亚胺PEI衬底上进行热固化，热固化温度为120-160℃，固化时间为40-70min；/n(2)对PEI衬底沿一个方向进行拉伸，拉力为30-60MPa，使其断裂形成宽度为1-2μm的条状石墨烯；/n(3)沿垂直于步骤(2)的方向再次进行拉伸，拉力为30-60Mpa，使其断裂形成块状石墨烯；/n步骤(1)和步骤(2)拉伸得到的条状或块状石墨烯尺寸可控，界面剪切强度τ

【技术特征摘要】
1.一种基于聚合物颈缩工艺制备块状石墨烯薄膜方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将单层片状石墨烯负载在聚醚酰亚胺PEI衬底上进行热固化，热固化温度为120-160℃，固化时间为40-70min；
(2)对PEI衬底沿一个方向进行拉伸，拉力为30-60MPa，使其断裂形成宽度为1-2μm的条状石墨烯；
(3)沿垂直于步骤(2)的方向再次进行拉伸，拉力为30-60Mpa，使其断裂形成块状石墨烯；
步骤(1)和步骤(2)拉伸得到的条状或块状石墨烯尺寸可控，界面剪切强度τc与拉伸石墨烯断裂带宽度的关系满足公式：



其中，τc为界面剪切强度，为石墨烯拉伸断裂带宽度，E2D为刚度，Γ为断裂韧性，h为膜厚度。


2.根据权利要求1所述的聚合物颈缩工艺制备块状石墨烯薄膜方法，其特征在于，步骤(1)中的热固化温度为160℃，固化时间为60min。


3.根据权利要求1所述的聚合物颈缩工艺制备块状石墨烯薄膜方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)对PEI衬底进行拉伸后，能够通过再加热方式调节块状石墨烯尺寸。


4.权利要求1-3任一权利要求制备得到的块状石墨烯薄膜在蓝光LED器件中的应用，其特征在于，所述的蓝光LED器件包括从下至上依次堆叠设置的硅衬底、粘合层、高反射镜面层、LED外延层(p-GaN层、p-AlGaN层、量子阱层、n-GaN层)、透明导电层和Cr/Au电极层；将权利要求1-3任一权利要求制备得到的块状石墨烯薄膜作为蓝光LED器件的透明导电层。


5.根据权利要求4所述的块状石墨烯薄膜在蓝光LED器件中的应用，其特征在于，所述的蓝光LED器件制备方法包括以下步骤：
步骤一、通过金属有机化学气相沉积法，将LED外延层生长在蓝宝石衬底上；
步骤二、将Ni/Ag/Ti/Au金属沉积在p-GaN顶层上，作高反射镜面层，并保持与p-GaN层的欧姆接触；
步骤三、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琛，马庆，罗向东，余洋，陈明，杨春雷，王伟，张玉萍，胡明珠，彭燕君，张陈斌，杨佳伟，
申请(专利权)人：江苏度微光学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32