[发明专利]一种低成本无损转移石墨烯的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及石墨烯的低成本无损转移技术，具体为一种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从初始基体向任意目标基体上低成本无损转移的新方法，适用于无损转移导体或半导体基体表面的单层、少层石墨烯。

背景技术：

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200,000cm²/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、外延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方法和外延生长法是目前可控制备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)生长出高结晶度的石墨烯，并可在一定范围内对石墨烯的层数和尺寸进行控制。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，因此发展高质量石墨烯的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：腐蚀基体法与直接转移法。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方法或者外延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，由于该方法以牺牲金属基体为代价，在转移过程中损耗了金属基体材料，因此显著增加了石墨烯的制备成本(尤其对于价格昂贵的基体)，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，如钌(Ru)和铂(Pt)等。对于在高成本基体上生长的石墨烯，可采用直接转移法，即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，因此无法实现高质量石墨烯的无损转移。综上，目前亟需发展石墨烯的无损转移技术(基体材料、石墨烯均无损)，这在一定程度上决定了高质量石墨烯的发展前景。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种利用电解过程中产生的气泡的推动力及气体插层作用低成本无损转移石墨烯的新方法，可将石墨烯从初始基体转移到任意目标基体上。该转移方法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、无污染，有望实现规模化放大，因此可作为一种低成本转移高质量石墨烯的理想方法。

本发明的技术方案是：

本发明提供了一种低成本无损转移石墨烯的新方法。该方法以表面生长或覆盖有石墨烯的初始基体作为电极，石墨烯任意覆盖在初始基体表面，利用电解过程中在其表面所产生的气泡的推动力及气体插层作用相结合，将石墨烯与初始基体无损分离，并将石墨烯无损结合到任意目标基体表面。具体步骤如下：

(1)转移介质层的涂覆：在生长有或覆盖有石墨烯的初始基体上涂覆一层转移介质，以防止石墨烯在后续处理中损坏；

(2)转移介质/石墨烯复合层与初始基体的分离：将覆盖有转移介质的石墨烯和初始基体作为电极置于溶液中，通过电解的方法在其表面产生气体，并利用气泡的推动力和气体的插层作用将石墨烯与初始基体无损分离；

(3)转移介质/石墨烯复合层与目标基体的结合：采用直接接触等方法将转移介质/石墨烯复合层置于目标基体表面；

(4)转移介质的去除：采用溶剂溶解或者加热等方法将覆盖在石墨烯表面的转移介质去除。

本发明中，石墨烯为采用化学气相沉积方法生长的石墨烯，或外延生长方法获得的石墨烯，或析出方法生长的石墨烯，或胶带剥离法获得的石墨烯，或化学剥离法获得的石墨烯，或组装方法组装的石墨烯薄膜。