[发明专利]用于转移石墨烯膜和包含石墨烯膜的基底的方法

说明书

本文公开了用于将石墨烯膜转移到基底上的方法，所述方法包括将聚合物层施加到石墨烯膜的第一表面，其中所述石墨烯膜的第二表面与生长基底接触；将热释放聚合物层施加到所述聚合物层上；去除所述生长基底以形成包括暴露的石墨烯表面的转移基底；以及使所述暴露的石墨烯表面与目标基底接触。本文还公开了包括石墨烯膜、热释放聚合物层和聚合物层的转移基底。

本申请根据专利法要求于2015年9月1日提交的美国临时申请序列号62/212832的优先权的权益，所述临时申请的内容值得信赖并且以引用方式整体并入本文。

技术领域

本公开大体上涉及用于转移石墨烯膜的方法，并且更具体地涉及使用聚合物和热释放聚合物支撑层以及包括由此类层支撑的石墨烯膜的转移基底将石墨烯膜从生长基底转移到目标基底。

背景技术

由于诸如化学稳定性、机械强度、柔性、透射比、本征载流子迁移率、可调带隙以及热和/或电导率的所需性质，二维碳材料石墨烯可用于各种各样的应用。例如，石墨烯可潜在地用于代替各种装置诸如显示器、触摸板装置或太阳能电池中的导电氧化物膜，例如氧化铟锡(ITO)。石墨烯膜的其他有用应用包括场效应晶体管、能量或热量管理装置、智能窗口以及化学或生物传感器。某些应用要求涂覆有导电膜诸如ITO或石墨烯的透明基底，例如有机发光二极管(OLED)或透明导电电极。因为石墨烯即使在分子水平上也能保持导电且稳定，所以石墨烯可能在下一代电子器件中起重要作用，例如使得能够开发较小和/或较低功率装置。

若干不同的方法已用于制备石墨烯，所述若干方法包括来自高度有序热解石墨(HOPG)的机械剥离、石墨氧化物的化学还原以及单晶碳化硅的高温退火。然而，这些方法在可扩展性和/或制造成本方面可能具有各种缺点。化学气相沉积(CVD)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法已经显示出作为用于使石墨烯膜在基底上生长的可扩展和/或经济工艺的希望。然而，CVD通常利用催化剂诸如Cu或Ni金属，并且常常需要另外的步骤，诸如转移和/或催化剂去除步骤。CVD工艺因此可能在涂覆基底上导致褶皱、孔和/或金属蚀刻残留物，这可能使后续应用复杂化。

成功地将合成的石墨烯膜转移到多种基底上的能力可能对于许多最终用途应用是重要的。例如，如果使用者想要使电流流过石墨烯膜，则应当去除导电催化剂表面(或金属箔)，并将石墨烯膜转移到绝缘基底以避免装置短路。已经开发了用于将石墨烯膜转移到不同基底上的各种方法，诸如使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或热释放带(TRT)以在转移期间支撑石墨烯膜。例如，可将PMMA或TRT的转移层施加到石墨烯膜以防止将生长基底或催化剂层蚀刻掉时的折叠、撕裂和/或褶皱。

PMMA转移方法可包括例如将PMMA层涂覆到生长基底(例如金属基底)上的石墨烯膜上、蚀刻或以其他方式去除生长基底，以及将PMMA/石墨烯叠层转移到目标基底上。溶剂可用于溶解PMMA并完成石墨烯转移。然而，PMMA具有相对较低的结构刚度，这可使大规模石墨烯膜的处理和转移变得困难(若非不可能的话)。TRT转移方法包括将预切割的TRT附接到生长基底上的石墨烯膜、蚀刻或以其他方式去除生长基底，以及将TRT/石墨烯叠层转移到目标基底。可施加热量以降低或消除带的粘附强度，使得可将TRT剥离。虽然TRT转移方法可更容易地扩展以生产较大石墨烯膜，但是这些方法可能不合意用来自TRT的粘合剂残留物污染石墨烯膜表面。此类残留物可能难以去除，并且/或者用于去除残留物的溶剂可能不利地影响石墨烯膜的电学和/或光学性能。另外，在转移过程期间施加到TRT上的压力也会引起石墨烯膜中的不希望的变形，这可能劣化转移膜的电学和/或光学性质。

因此，将有利的是提供用于将石墨烯膜从生长基底转移到目标基底而不负面影响所转移石墨烯膜的物理、光学和/或电学性质的方法。另外，将有利的是提供用于转移石墨烯膜的可扩展和/或划算的方法。还将有利的是提供包括具有改善性质的支撑石墨烯膜的转移基底。

发明内容