[发明专利]使用极化的铁电聚合物无缺陷地直接干法层离CVD石墨烯

说明书

相关申请

本申请要求了2015年2月3日提交的美国临时申请号62/111,195的权益，该申请的全部教导通过引用并入本文。

背景技术

由于其优异的特性，石墨烯引起了人们极大的兴趣。然而，其工艺仍是阻碍石墨烯应用商业化的瓶颈。

由于生长基底和/或生长条件与最终设备不匹配，因此需要将石墨烯从其生长基底转移到设备表面。这种转移工艺的主要步骤是：

(1)用转移层完全或部分地涂覆或覆盖石墨烯。参见图1，图1示出了根据现有技术的基底/石墨烯/剥离层结构的示意图，该结构包括剥离层100、石墨烯110和基底120。

(2)通过化学蚀刻基底、通过(电)化学层离(delaminating)或从基底中机械剥离石墨烯来从生长基底中释放石墨烯/转移层。由于是在溶液中处理石墨烯，因此化学蚀刻和(电)化学层离是湿法工艺。机械剥离是干法工艺。

(3)将石墨烯/转移层转移到目标基底上。如果转移层是石墨烯的目标基底，则可跳过该步骤。

(4)去除转移层。如果将转移层保留在石墨烯上，则可跳过该步骤。

这种多步骤工艺会导致石墨烯上出现污染物并引起结构缺陷，使最终设备的特性变差并使其在整个样品中不均匀。

从生长基底释放石墨烯/转移层的方法会强烈影响所得石墨烯的残留量和缺陷水平。如上所述，方法可分组为湿法(化学蚀刻、(电-)化学层离)或干法(机械剥离)。

在湿法工艺的情况下：

-使用的化学物质或来自化学反应的产物在石墨烯上留下残留物，该残留物无法很容易地通过彻底冲洗去除。

-这些残留物可与石墨烯结合并使其晶体结构产生缺陷。这会导致石墨烯更脆，并且在处理期间容易发生机械缺陷，例如在转移到基底期间或去除转移层时。当在电子设备中使用时，这些缺陷也将降低石墨烯的电子性能。

-即使残留物不引起缺陷时，残留物存在于石墨烯上仍然会使石墨烯的电气、光学、化学或机械性能降低和/或变得不均匀。例如，在设备内，需要石墨烯与相邻层之间的清洁界面来实现高的设备效率，并且这种残留物将降低设备性能和不同设备的均匀性。

-一旦将石墨烯转移到目标基底上，石墨烯与目标基底之间的界面处的化学残留物会降低石墨烯与基底的粘附力，并因此限制设备的机械稳定性。

-由于会发生化学反应，因此湿法工艺很缓慢。例如，蚀刻可生长石墨烯的35微米厚的铜基底通常将持续2个多小时。(电-)化学层离工艺是包括任何蚀刻的更快的工艺，但其速度限于每秒约1毫米。这些处理速度与高通量制造不匹配。

在干法工艺的情况下：

-通过确保剥离层与石墨烯的充分粘附力，使得该粘附力将高于石墨烯与其基底之间的粘附力来剥离石墨烯的方法。在基底是铜的情况下，石墨烯与铜的粘附力为约8J/m²。

-第一机械剥离方法利用压力和/或温度来实现石墨烯与剥离层之间的共形接触(conformal contact)，和/或利用高电压诱导它们之间的直接化学结合。然后，剥离层与石墨烯的化学粘附力需高于石墨烯与其基底的粘附力。

-第二类型的机械剥离方法需要粘合剂层作为剥离层。然后，粘合剂层与石墨烯的粘附力需高于石墨烯与其基底的粘附力。

-然而，已经证实，由于应变不均匀和/或剥离力不均匀，转移的石墨烯总是被严重损坏。

-当剥离层在整个石墨烯表面上不具有均匀的涂层时或者当诸如温度和压力等参数变化很大时，会发生不均匀的应变。

-剥离力不均匀是由基底上的石墨烯的实际条件导致的，其中基底形貌由晶界和阶地(terraces)组成(长度尺寸为10-100μm²)。这种变化的形貌导致剥离期间的剥离力不均匀。

-在剥离期间，不均匀性引起裂纹和/或未转移的石墨烯区域。由于这些裂纹，转移的石墨烯的质量不可逆地降低。这些裂纹以0.1mm的量级形成，并且当测量到长度量级为1mm或更长的裂纹时，将对石墨烯质量产生显著影响。当在生长基底上使用理想的晶体石墨烯作为原始材料时，这种测量结果显示迁移率下降至小于200cm^-2/Vs并对具有最低薄层电阻的透明电极表现出不适应性，即使在>1,000ohm/sq的高掺杂的情况下。相比之下，如果这种石墨烯保持无缺陷，则迁移率通常为约5,000cm^-2/Vs，且最低薄层电阻为150ohm/sq。