[发明专利]高迁移率石墨烯在柔性衬底上的可规模放大、可印刷的图案化片材

说明书

本发明提供了制造石墨烯工件的方法。本发明还提供了通过本发明的方法生产的产品和用于执行本发明的方法的装置。

与相关申请的交叉引用

本申请要求2014年4月23日提交的美国专利申请号61/983,014的利益，所述专利申请的公开内容整体通过参考并入本文。

政府权利

本文公开的主题内容利用Nano/Bio Interface Center NSF NSEC授予的奖励/合同/资助号DMR08-32802下的政府支持做出。美国政府在本文公开的主题内容中具有一定权利。

技术领域

所公开的发明涉及石墨烯工件及其制造方法的领域。

背景技术

本发明总的来说涉及用于将膜从一个或多个衬底转移到另一个衬底的方法和装置，其中所述待转移的膜在所述转移步骤期间被图案化。

自从2004年首次分离到石墨烯以来，由于在石墨烯生产和应用中的首次商业投资已经出现，在研究团体中并且最近在工业中对这种材料的兴趣激增。石墨烯是在蜂巢晶格内堆积的碳原子的单原子厚度的片材，由于其二维几何结构和芳香族化学结构而具有独特性质。这种材料的独特能带结构在低能量下显示出线性弥散关系，允许空穴和电子具有零有效质量并且行为类似于相对论性粒子。这产生引人注目的电学性质，例如200,000cm²/V-s的实测迁移率，和在室温下在微米尺度上的弹道输运。另外，所述材料的优越的抗张强度允许即使在弯曲和变形情况下也具有高电学性能。由于这些不可思议的性质，对于在高性能纳米电子产品、柔性电子产品和环境/生物监测应用中的应用，存在着极大兴趣。

石墨烯可以在工业规模上通过化学气相沉积在催化金属上的高品质片材中生长，为多家公司所追求的石墨烯商业化提供了机会。在常规方法中，将石墨烯用薄的聚合物层(例如聚甲基丙烯酸甲酯-PMMA)涂层以提供机械稳定性，然后从铜生长衬底上取下，作为完整的片转移到另一个衬底上，然后将其图案化成电子器件等。这存在几个缺点，例如，由于PMMA层非常薄且柔性，因此在转移过程中所述石墨烯可能起皱；在清洁后，所述石墨烯可能被PMMA残留物污染；并且随后的图案化过程可能将所述石墨烯暴露于化学污染下。这些缺点中的每一个缺点都引起石墨烯的物理性质(包括载荷子迁移率)劣化。需要将石墨烯从生长衬底转移到其他表面，同时保护所述材料的有益性质以便可以将它用于商业化器件的方法。

因此，对于能够将石墨烯从生长衬底转移到其他表面的方法存在着需求。存在着几类对先进的膜转移方法具有类似需求的“超石墨烯(beyond granphene)”材料(例如多层石墨烯(few-layer granphene)、氮化硼、二硫化钼、其他过渡金属二硫族化物等)。本公开针对这些和其他重要需求。

发明概述

本公开提供了形成工件的方法，所述方法包括在催化膜上生长原始的单层连续石墨烯以形成石墨烯/催化膜双层，将第一材料层附着到所述石墨烯表面顶上，并且将所述石墨烯从所述催化膜上脱离，使得所述第一材料层足够刚性，以便它在方法的剩余过程中抵抗折叠或撕裂。通过这种方式，所述方法确保所述石墨烯膜保留其非常高的电子学和结构品质。此外，存在着几类对先进的膜转移方法具有类似需求的“超石墨烯”材料(例如多层石墨烯、氮化硼、二硫化钼、其他过渡金属二硫族化物等)。本公开针对这些和其他重要需求。

本公开还提供了工件，其包含衬底、配置在所述衬底上的图案化的石墨烯层、和配置在所述石墨烯上的图案化的材料层。本公开还提供了包含所述工件的电子器件。

本公开还提供了工件，其包含衬底、配置在所述衬底上的原始的单层连续石墨烯层、和配置在所述石墨烯上的图案化的材料层。

本公开还提供了工件，其包含图案化的石墨烯层、和配置在所述石墨烯上的图案化的第一材料层。