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刘忠范教授最新成果:石墨烯转移-为化学气相沉积石墨烯的应用铺平道路

2021.03.16

1成果简介 


由于石墨烯迷人的特性,实现了石墨烯的应用前景引发了巨大的科学和工业兴趣。石墨烯在金属基底上的化学气相沉积(CVD)生长为石墨烯的大面积可控合成提供了诱人的机会。然而,石墨烯从金属基底转移到所需基底上的繁琐过程仍然是不可避免的,并且在转移过程中会产生石墨烯膜的裂纹,转移诱导的替代,褶皱以及表面污染,这些都会严重降低石墨烯的性能。此外,在工业规模上进行大规模转移时,可能会出现新的问题,因此成本效益和环境友好的转移技术也成为当务之急。



本文北京大学刘忠范教授课题组在《Small》期刊发表名为“Graphene Transfer: Paving the Road for Applications of Chemical Vapor Deposition Graphene”的论文,研究目的是提供一个全面的了解转移相关的问题和相应的实验解决方案,并为未来的CVD石墨烯薄膜转移技术的工业规模提供展望。


2图文导读 


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图1、借助转移介质在目标基底上转移的石墨烯薄膜的示意图,突出显示了裂纹,水分子意外掺杂,污染,皱纹和应变的问题。


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图2、a)在PMMA,PLA,PPA,PC和相应的粗糙度直方图的帮助下比较转移的石墨烯清洁度,确认使用PC辅助方法转移的石墨烯表面光滑。

b)PMMA和PSAF辅助传输过程的示意图。
c)金属辅助剥离过程的示意图。


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图3、a)电化学起泡分层的示意图。

b)石墨烯在PET / EVA基材上的卷对卷“绿色”转移示意图。
c)依赖于石墨烯与h-BN之间的范德华相互作用的石墨烯全干式转移示意图。


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图4、a)通过机械剥离将石墨烯直接转移到PE基材上的示意图。

b)使用高表面张力液体(左)和原位OM图像(右)形成石墨烯皱纹的过程示意图。
c)转移的石墨烯在Si / SiO 2衬底上的AFM图像。
d)三种石墨烯皱纹的示意图:简单波纹;站立时皱纹塌陷;折叠的皱纹。
e)沿折线的器件的平均电阻或栅极电压的函数(al与平面石墨烯器件(0)相比,在通道(ac)上相应地)
f )使用在42个设备上采样的几何平均值获得统计平均值。虚线表示统计标准偏差。器件的长度为2 µm,宽度约为0.35 µm(沿折线)和0.3 µm(沿折线)。这些装置中的皱纹宽度为0.14μm。
g)扫描隧道显微镜dI / dV图(b  = −0.225 V,I  = 20 pA,g = 15 V)揭示了具有约20 nm特征长度的电子水坑。
。h)在TRT,PMMA和PASF(sd  = 10 mV)的帮助下转移的SiO 2 / Si衬底上的石墨烯薄膜的场效应晶体管特性。

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图5、a)Cu样品的Cu(0),Cu 2 O,Cu(OH)2和CuO的拟合峰面积,
b)石墨烯覆盖的Cu,根据XPS光谱计算为暴露于水饱和时间的函数空气。
c)用 O标记的水或O标记的氧气处理的石墨烯覆盖的Cu的拉曼光谱。
d–h)在d)0,e)4,f)8,g)12和h)24 h下,铜在石墨烯上的AFM地形图保存在水饱和的空气下。

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图6、a)铜基质的水蒸气辅助氧化以使石墨烯和Cu脱钩,以及PC辅助的石墨烯直接分层的示意图。
b)氧化铜基板以形成氧化铜和随后蚀刻铜O以再利用铜基板的示意图。
c)面对面方法的示意图,该方法用于转移由毛细管桥介导的石墨烯,包括通过等离子体处理,化学气相沉积(CVD)生长,铜膜蚀刻,形成毛细管桥以及去除水和PMMA的“气泡注入”。


3大面积转移的5个新挑战


用于大规模转移CVD石墨烯的转移介质通常是聚合物,TRT或基质本身,而石墨烯与Cu基质的分层可通过直接机械分层,电化学分层(起泡转移)或水性蚀刻来实现。根据转移介质的不同,这些技术通常可分为直接转移和间接转移,分割过程可进一步描述为蚀刻或无腐蚀。裂纹,有机和金属残留物以及褶皱的存在;因此,通过抑制这些问题来提高传输性能已成为该领域的热点然而,当进入工业水平时,将出现新的挑战,其中包括成本,系统复杂性和生产效率的问题。因此,在CVD石墨烯的实际工业规模应用之前,迫切需要解决这些问题的努力。


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图7、a)通过R2R方法转移石墨烯。注意,在将石墨烯转移到TRT层上之后,蚀刻了Cu。

b)在PET薄膜上涂上可紫外线固化的环氧树脂,然后将PET /环氧树脂在石墨烯/ Cu上层压和固化,然后通过CuCl 2蚀刻Cu基板。

c)举例说明冷轧转移,可以将镍基材两面上的几层石墨烯直接转移到PET / EVA基材上。

d)通过电化学鼓泡转移进行R2R过程的示意图。将铜箔上的石墨烯层压到PET / EVA膜(包含银纳米线)上,并通过电化学鼓泡方法进行分层。铜箔可以回收再利用,用于下一轮CVD生长工艺。



4小结   


石墨烯转移是连接CVD衍生的高质量金属衬底上的石墨烯薄膜和石墨烯应用的重要桥梁。因此,选择合适的转移技术应既取决于所生长的石墨烯薄膜的结构特征,也取决于目标应用。例如,当石墨烯用于集成电路的潜在应用中时,石墨烯转移应着重抑制皱纹和掺杂。相反,在石墨烯基透明导电膜的情况下,石墨烯的掺杂是优选的,因为石墨烯的掺杂将有助于改善石墨烯的导电性。在这方面,具有期望的掺杂均匀性的可控掺杂应该是石墨烯转移的重要目标之一。裂纹,污染,转移后的石墨烯上的皱纹会降低石墨烯的优异性能,其中完整性应优先于其他方面。基本上,裂纹的形成是由于在石墨烯上作用力的不均匀引起的。因此,在转移过程中石墨烯与基底和转移介质的保形接触变得非常重要。



石墨烯的粗糙度由生长衬底的表面纹理相对确定,并且石墨烯的波纹表面会阻碍保形接触。例如,难以在石墨烯和刚性TRT之间实现保形接触将导致转移后的完整性低。将聚合物直接固化在石墨烯表面,可以复制石墨烯的表面结构,可以确保石墨烯与聚合物之间的牢固结合。抑制皱纹和污染形成的途径应植根于其形成机理的理解。例如,聚合物和无定形碳之间通过悬空键之间的强相互作用是造成转移后石墨烯表面上聚合物残基普遍分布的原因。因此,去除生长相关的污染物是获得干净的石墨烯表面的关键。总体而言,在所需的基底上获得大面积,连续,无皱纹且清洁的石墨烯薄膜是石墨烯转移的最终目标,这必将为CVD生长的高质量石墨烯的实际商业应用铺平道路。