[发明专利]异质外延生长的石墨烯的脱裂与转移技术及包含其之产品

说明书

技术领域

本发明的某些实施例示例涉及包含石墨烯的薄膜。尤其是本发明的某些实施例示例涉及到石墨烯作为透明导电涂层(TCC)的应用。在某些实施例示例中，在催化剂薄膜上从烃气(hydrocarbon gas)(例如像C₂H₂、CH₄或类似物)大面积的异质外延生长为石墨烯薄膜。某些实施例示例中的石墨烯薄膜可为掺杂的或无掺杂的。在某些实施例示例中，石墨烯薄膜一旦形成，便可被剥离开其载体基底从而被转移至接收基底，例如其可被并入中间产品或成品。

背景技术

铟锡氧化物(ITO)和掺氟氧化锡(FTO或SnO:F)涂层广泛应用于光电器件的窗口电极(window electrodes)。这些透明导电氧化物(TCOs)在各种不同的应用中都非常成功。然而由于许多的原因，对于ITO和FTO的应用变的越来越困难。这些困难包括，例如地球上铟元素含量有限的事实、TCOs在酸或酸基(acide or base)的环境下的不稳定性、其对于离子导电层中离子扩散的磁化性(susceptibility)、在近红外区域(例如能量充足的频段(power-rich spectrum))其有限的透明度、由FTO的结构缺陷导致的FTO器件的高漏电流等等。ITO的脆性与其高沉积温度也限制了它的应用。另外，SnO2:F的表面的粗糙可导致问题电弧。

因此，可以理解高稳定性、高透明度与优良导电率的光滑且可图案化(patternable)的电极材料在本技术领域是很需要的。

对高稳定性、高透明度与优良导电率的新型电极材料的研发工作正在进行中。此研发工作的一个方面包括确定这种普通TCOs可行的替代品。基于此，本发明的发明者基于碳，特别是石墨烯开发出一种可行的透明导电涂层(TCC)。

术语石墨烯指的是一个或多于一个的石墨原子层，例如单层的石墨烯可延伸成为n层的石墨(例如，这里n可约为10)。在电子行业的趋势为将电路元件的尺寸降到纳米级的时候，在曼彻斯特大学发现了石墨烯及其分离方法(通过切割晶质石墨)。就这样，是石墨烯而不是标准的电子材料意外地开创了了独特光电特性的新领域。从线性色散关系(E vs.k)可知，石墨烯中的载荷子(charge carriers)具有零静止质量(zero rest mass)且其遵守相对论粒子的规律。绕碳原子运动的类似相对论行为的不受位置限制的电子与石墨烯的蜂窝状晶格周期电势(periodic potential)的相互作用引起新的准粒子(quasi-particles)，通过(2+1)维迪拉克方程以有效光速V_F≈c/300＝10⁶ms^-1精确描述处于低能态(E＜1.2eV)的该准粒子。所以，所建立起的量子电动力学(QED)的完好技术(用来处理光子)可用做对石墨烯研究的手段-石墨烯在进一步的优点方面的效果增大到原来的300倍。例如，石墨烯中普通的耦合常数α相比于真空中的1/137，为2.见发表在科学杂志第306卷上(Science，vol.306)K.S.Novoselov所著的“原子级碳薄膜上的电场效应”(″Electrical Field Effect inAtomically Thin Carbon Films，″)(2004版第666-69页)，其内容并入本文.

尽管只有一个原子的厚度(至少)，但是石墨烯在化学及热学上是稳定的(即使石墨烯在300℃时可被表面氧化)，因此成功制成的石墨烯基的器件能适应周围环境条件。通过散装石墨(bulk graphite)的微机械分离首次制备成高品质的石墨烯片。相同的技术可将当前所提供的高品质石墨烯微晶微调至100μm²的大小。这样的大小足以满足微型电子领域的大多数研究的需求。因此，目前为止大多数技术上的进展主要发生在大学中，所述进展更多的是集中在微观样本、器件制备和特性描述上，而不是批量生产上。