[发明专利]一种转移和清洗石墨烯薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯电子薄膜材料领域，尤其涉及一种转移和清洗石墨烯薄膜的方法，更具体地，涉及一种将生长在金属衬底的石墨烯薄膜无损地转移至目标基底并进行清洁处理的方法。

背景技术

石墨烯是碳原子按六角结构紧密堆积成的单原子层二维晶体，载流子的本征迁移率可达到2×10⁵cm²/(V·S)，这种优异的电学性质使其在高频电子器件中有着巨大的应用价值。为了制备石墨烯电子器件，首要的问题是制备出大尺寸、具有优异电学性能的石墨烯薄膜，并转移至合适的目标基底上。石墨烯的制备方法主要包括以下几种：(1)胶带剥离法(或微机械剥离法)，过程简单，产物质量高，但产量低，难以实现石墨烯的大面积和规模化制备；(2)化学剥离法，可宏量制备石墨烯，但制备得到的石墨烯含有较多缺陷、导电性差；(3)碳化硅(SiC)外延生长法，虽可获得高质量大面积的单层石墨烯，但是所使用的SiC的价格昂贵，生长条件苛刻，且生产出的石墨烯难于转移；(4)化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)，可以在金属衬底上生长大面积的单层或多层石墨烯薄膜，所得石墨烯质量好、易于转移，是目前制备石墨烯薄膜的常用方法，被广泛用于制备石墨烯晶体管和透明导电薄膜。

石墨烯薄膜的转移技术是将石墨烯在不同基体之间转移的方法，通常是将石墨烯从制备基体转移到目标基体之上。石墨烯薄膜的转移技术是制约石墨烯薄膜发展的关键因素，理想的转移技术应具有如下特点：(1)在转移过程中能保持石墨烯完整、无破损；(2)对石墨烯无污染(包括掺杂)；(3)工艺稳定、可靠，具有较强的适用性和稳定性。

“腐蚀基体法”是目前比较常用的转移石墨烯的方法，此方法采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等作为转移介质，确保了石墨烯转移的可靠性和稳定性，较好地保存了石墨烯的完整性。“腐蚀基体法”采用化学试剂腐蚀金属生长基体不但增大生产成本、延长转移周期，而且会在石墨烯的表面残留许多金属氧化物，这些杂质会成为散射中心，进而降低石墨烯的迁移率。

热释放胶带是一种适合转移大面积石墨烯的转移介质，其特点是常温下具有一定的粘合力，在特定温度以上，粘合力急剧下降甚至消失，表现出“热释放“特性”，该方法可以实现30英寸石墨烯的转移。但在该方法中，需要使用“热滚压”技术实现热释放胶带的剥离，难以将石墨烯转移至如玻璃、硅片类的脆性目标基体上；此外，胶带上的粘结剂易残留在石墨烯表面，难以清洗，影响石墨烯的电学性能。

有研究采用电化学方法剥离在铜箔上生长的石墨烯薄膜，该方法通过电解水持续产生氢气气泡使石墨烯与铜箔的结合边界分离，然后铜箔表层约几十纳米厚的铜被腐蚀，石墨烯被剥离出去。此方法实现了铜箔的重复利用，相对于“腐蚀基体法”，节约生产成本，在一定程度上缩短了转移周期。但是一方面，电解水持续产生的氢气气泡会大量依附于石墨烯薄膜的表面，在将石墨烯薄膜转移至目标基板上时，这些气泡夹在石墨烯膜与目标基板之间，使石墨烯无法与目标基板紧密结合，造成有气泡的区域在后续的处理过程中容易破损，严重影响石墨烯的完整性；另一方面，由于同时发生了化学刻蚀反应和电解反应，同样会在石墨烯的表面残留大量的金属离子和金属氧化物，降低石墨烯的迁移率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种转移和清洗大尺寸石墨烯薄膜的方法，所述方法采用电化学方法剥离得到石墨烯薄膜，剥离后向所用电解液中加入润湿剂。

本发明优选采用大尺寸的石墨烯/金属生长基体作为起始原料，所述大尺寸为宏观意义上的石墨烯的大小，即所生长的整片石墨烯薄膜的大小。

本发明采用电化学剥离制备石墨烯薄膜的原理为采用电解水得到的氢气剥离石墨烯层与金属基体，同时电解液与金属生长基体的表面发生化学反应生成氧化性沉淀沉积在金属生长基体表面，达到保护金属基体的目的。