[发明专利]用于使用水凝胶转移石墨烯基材料的方法

说明书

用于转移石墨烯基材料的方法包括步骤：提供在容纳基底(104)上形成的石墨烯基材料层(102)，将水凝胶溶液倾倒在石墨烯基材料层(102)上以形成具有石墨烯基材料层(102)和水凝胶层(108)的石墨烯基材料‑水凝胶层状结构(106)，将石墨烯基材料‑水凝胶层状结构(106)从容纳基底(104)剥离，将石墨烯基材料‑水凝胶层状结构(106)浸入水中以启动石墨烯基材料层(102)从水凝胶层(108)的释放，以及将释放的石墨烯基材料层(102)转移到有源基底(110)上。

发明领域

本发明的实施方案涉及用于转移石墨烯层的方法，更具体地，涉及用于使用水凝胶将石墨烯基材料转移到目标基底上的方法。此外，其是简易、有效、可重复且环保的方法。另外，其提供了低生产成本的优势。

发明背景

近年来，已经活跃地进行对包括富勒烯、碳纳米管、石墨、石墨烯和氧化石墨烯(GO)的碳材料的研究和开发。其中，石墨烯基材料已经吸引科学和技术方面的关注，这是因为它们在广泛的应用中(例如在能源、通信和化学/生物传感器的领域中)的多功能性。

已经开发出用于将石墨烯转移到目标基底上的多种技术。本领域已知的多种用于转移石墨烯的技术包括卷对卷方法、热释放胶带、热压、湿法蚀刻、晶片规格的外延石墨烯转移和微构图弹性印章。卷对卷方法的发展相对于热释放胶带方法在使石墨烯层的损伤最小化方面具有值得信赖的优点。在卷对卷方法中，通过施加热和压力从聚合物移除石墨烯层。然而，快速的旋转速度的经历引发剪切应力，其仍会导致对石墨烯层的损伤。

用于转移大面积的石墨烯层的常规方法包括晶片石墨烯层生长于晶片上且粘附于聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底或聚合物，同时浸入蚀刻溶液，通过催化蚀刻将石墨烯层转移到PDMS基底。通过将PDMS的石墨烯层转移到各种电子装置的基底(诸如聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺膜和玻璃)的工艺，可以进行石墨烯层的大面积转移。在该方法中，催化蚀刻在FeCl₃、Fe(NO₃)₃或(NH₄)₂S₂O₈溶液中进行，由此蚀刻需要大量的时间。

US 20120258311 A1描述了能够将大面积石墨烯层转移到各种类型的柔性和/或可延展的基底的石墨烯卷对卷转移方法、石墨烯卷对卷转移设备、由石墨烯卷对卷转移方法制造的石墨烯卷、及其用途。该设备包括：第一卷筒单元，其形成包括基底-石墨烯层-第一柔性基底的层状结构；和第二卷筒单元，其通过将由第一卷筒单元提供的层状结构浸入蚀刻溶液而从层状结构移除基底并且将石墨烯层转移到第一柔性基底上。

US 20120244358 A1描述了用于从金属箔的干法石墨烯转移的方法。石墨烯生长在生长基底上，并且转移基底被化学改性以增强其对石墨烯的粘附。在生长基底上的石墨烯与转移基底接触，并且将具有粘附的石墨烯的转移基底与生长基底分离。生长基底可以是铜箔。转移基底可以是聚合物，例如聚苯乙烯或聚乙烯，或无机基底。

US 20140174640 A1描述了转移石墨烯的方法，其中在第一基底上依次地形成牺牲层和石墨烯层。将石墨烯层粘合于目标层，并且使用激光移除牺牲层，然后将第一基底与石墨烯层分离。

特别地，用于转移石墨烯基材料层的常规方法的至少一个优势是它们可以从聚合物支撑物移除石墨烯基材料层，然后将石墨烯基材料层转移到目标基底上。此外，常规方法使用在电学、机械和化学方面稳定且具有优异导电性的石墨烯。

尽管转移石墨烯基材料层的常规方法可以提供多种优势(诸如上述的那些)，但是常规方法受限于各种其他事项，例如由热和加压的影响造成的对石墨烯层的损害导致了石墨烯基材料层的导电性退化。此外，这些方法可以导致在石墨烯的生长和冷却过程中的裂纹、撕裂、涟漪和褶皱。此外，这些方法需要目标基底是平坦的，以从牺牲基底转移石墨烯。此外，对长时间蚀刻过程的需求可以导致在大批量生产膜时的时间低效和高成本，因此，可能难以应用于实际生产。