[发明专利]一种低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法

说明书

技术领域:

本发明涉及石墨烯的转移技术，具体为一种低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法，利用目标基体作为结构支撑层将大面积石墨烯从初始基体向任意目标基体上洁净无损转移的新方法，适用于转移导体或半导体基体表面的大面积单层、少层、或多层石墨烯。

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200000cm²/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、析出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方法是目前可控制备大面积、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)生长出大面积、高质量的石墨烯。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，并希望在转移过程中大面积、高质量的石墨烯不产生破损和表面污染。因此，发展大面积、高质量石墨烯的洁净、无损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：腐蚀基体法与基体无损转移法。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方法或者析出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，由于该方法损耗了金属基体材料，因此增加了石墨烯的制备成本，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：铂(Pt)、钌(Ru)、金(Au)和铱(Ir)等。

为降低石墨烯的转移成本，可采用基体无损转移法，主要包括直接转移法与气体鼓泡插层法。前者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，因此无法实现大面积石墨烯的无损转移。后者在石墨烯表面涂覆转移介质后，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与初始基体无损剥离。该过程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、无金属蚀刻剂的污染。然而，目前该方法转移石墨烯均使用高分子聚合物等薄膜材料作为转移介质，在转移大面积石墨烯的过程中存在诸多问题：首先，大面积的转移介质薄膜容易破损，从而破坏石墨烯的结构完整性。其次，转移介质难以通过后续的化学和热处理过程完全去除，其残留物造成石墨烯表面的污染。此外，相关的转移介质涂覆和去除步骤既增加了成本，又降低了转移效率，因此不利于连续化规模转移。综上，目前亟需发展针对大面积石墨烯的低成本、洁净无损转移技术，这在一定程度上决定了大面积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低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的新方法，可将大面积石墨烯从初始基体洁净无损地转移到任意目标基体上。该转移方法使用目标基体作为石墨烯的结构支撑层，既减少了大面积石墨烯在转移过程中的破损，又避免了使用转移介质对石墨烯表面造成污染，并且石墨烯与目标基体的结合可采用卷对卷的辊压工艺实现，因此可作为一种规模化、洁净无损转移大面积石墨烯的方法。

本发明的技术方案是：

一种低成本、洁净无损转移大面积石墨烯的方法，该方法利用目标基体作为转移石墨烯的结构支撑层，首先将初始基体上的大面积石墨烯与目标基体结合，然后将其作为电极利用电解过程产生的气泡将石墨烯与初始基体无损分离，从而实现大面积石墨烯向目标基体的洁净无损转移；其具体步骤如下：