一種cvd石墨烯向塑料基底卷對卷轉移的方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種CVD石墨烯向塑料基底卷對卷轉移的方法及裝置。
【背景技術】
[0002]石墨烯由于其良好的物理化學性質，如超高的載流子迀移率、高的透光性、良好的機械性能等，受到了廣泛的研究并且在透明導電薄膜、光電探測、催化、生物檢測等領域顯示了其潛在的實用價值。石墨烯諸多制備方法中，銅箔表面的化學氣相沉積方法具有生長的石墨烯質量高、適用于宏量制備等諸多的優(yōu)勢，然而，銅箔表面生長的石墨烯往往需要轉移到特定的基底上才能夠實現(xiàn)其功能化應用。傳統(tǒng)的基于高分子中介的刻蝕轉移方法中存在著高分子殘膠不能夠完全去除、銅箔不能重復利用、石墨烯被刻蝕劑摻雜導致的載流子迀移率下降等諸多的缺點，而且轉移速度慢，不能實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的應用。
[0003]實現(xiàn)石墨烯向柔性透明塑料基底的轉移，是制備石墨烯導電薄膜的關鍵。因此，發(fā)展石墨烯向塑料基底快速批量化、無損、環(huán)境友好、銅箔能夠重復利用的轉移方法，對于制備石墨烯透明電極具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種CVD石墨烯向塑料基底卷對卷轉移的方法及裝置，該轉移方法避免了傳統(tǒng)刻蝕劑的使用、環(huán)境友好，轉移后的石墨烯的質量高，金屬基底可重復利用，采用卷對卷工藝適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0005]本發(fā)明的一個目的是提供一種CVD石墨烯向塑料基底卷對卷轉移的方法。
[0006]本發(fā)明提供的一種石墨烯向塑料基底轉移的方法，它包括如下步驟:
[0007](1)通過化學氣相沉積法在金屬基底表面生長石墨烯；
[0008](2)在氧氣存在的條件下，對步驟(1)得到的表面生長有石墨烯的金屬基底進行加熱；
[0009](3)復合塑料基底和經(jīng)步驟(2)處理的表面生長有石墨烯的金屬基底，制備得到依次層疊的塑料基底層、石墨烯層和金屬基底層的復合結構:制備所述塑料基底層的材料包括熱恪膠；
[0010](4)將步驟(3)中得到的復合結構浸入水中加熱并保溫；
[0011](5)在外力作用下，分離經(jīng)步驟(4)處理的復合結構中的金屬基底層和石墨烯塑料復合層，即可完成石墨烯向所述塑料基底的轉移。
[0012]上述的方法中，步驟(1)中，通過化學氣相沉積法(CVD)在金屬基底上生長石墨烯薄膜，本發(fā)明對制備條件沒有限制:載氣優(yōu)選為氫氣，通入流量優(yōu)選2?300sCCm ;碳源氣體優(yōu)選為甲烷、乙烷、乙烯或乙炔，更為優(yōu)選為甲烷或乙烯，通入流量優(yōu)選5?36sCCm ;生長溫度優(yōu)選為900°C?1050°C;所述金屬基底的材質優(yōu)選銅、鎳、金和鉑中的一種或幾種，更優(yōu)選銅和鎳中的一種或兩種；所述金屬基底的厚度優(yōu)選18?46 μπι。
[0013]上述的方法中，步驟(2)中，為了增強金屬基底的氧化，可采用在氧氣存在的條件下加熱的步驟，所述氧氣存在的條件具體可為大氣環(huán)境系下；所述加熱的溫度可為80?120°C，具體可為 80 ?100°C、100 ?120°C、80°C、100°C或 120°C ;時間可為 5 ?20min，具體可為 5 ?lOmin、10 ?20min、5min、lOmin 或 20mino
[0014]上述的方法中，步驟(3)中，所述復合為下述步驟3-1)或步驟3-2):
[0015]3-1)將金屬基底中生長有石墨烯的一面與塑料基底貼合，經(jīng)熱壓印后粘合為一體；所述塑料基底由熱熔膠和塑料基材混合后制備得到；
[0016]3-2)將金屬基底中生長有石墨烯的一面與塑料基底中的熱熔膠層貼合，經(jīng)熱壓印后粘合為一體；所述塑料基底包括熱熔膠層和塑料基材層；
[0017]所述熱熔膠為乙烯-醋酸乙烯樹脂(EVA)、聚酰胺(PA)、聚酯(PES)、聚酯酰胺(PEA)和聚乙烯(PE)等中的一種或幾種；所述塑料基材為聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)、聚碳酸酯(PC)等中的一種或幾種；
[0018]上述方法中復合結構的制備步驟中，所述熱壓印的溫度可為100?150°C，具體可為100°C ;熱壓印的速度可1?2cm/s，具體可為lcm/s ；
[0019]步驟3-2)中，所述塑料基底中:所述熱熔膠層的厚度可為1?50μπι，具體可為50 μ m ;所述塑料基材層的厚度可為5?100 μ m，具體可為75 μ m。
[0020]具體地，所述塑料基底可采購自商品化應用的熱裱膜，可用于太陽能光伏組件背板膜與封裝膠膜；也可以由熱熔膠涂覆在塑料基材上得到；所述熱壓印具體可采用塑封機。
[0021]上述的方法中，步驟(4)中，通過將復合結構浸入水中加熱即可實現(xiàn)水插層到石墨烯和金屬基底之間，金屬基底和石墨烯之間的耦合大大減弱，便于后續(xù)的分離；所述水可為去離子水；所述加熱的溫度可為40?80°C，具體可為50?70°C、50°C或70°C;所述保溫的時間可為2?lOmin，具體可為2?5min、2min或5min。
[0022]上述的方法中，為了便于工業(yè)化生產(chǎn)，步驟(1)中，所述石墨烯的生長可在石墨烯卷對卷制備設備中進行，得到成卷的表面生長有石墨烯的金屬基底；所述金屬基底的運轉速率可為0?5r/min，但不為0 ;
[0023]所述轉移為卷對卷轉移，所述分離在卷對卷分離裝置中進行；所述卷對卷分離裝置，它包括支架體和熱水池，所述支架體上平行設置若干個輥輪，所述輥輪包括用于對成卷的復合結構進行放卷的進樣輥輪、由兩個緊鄰設置的輥輪組成的用于控制所述復合結構中的石墨烯塑料復合層和金屬基底層向相反方向運動的分離輥輪、用于收卷所述石墨烯層的收卷輥輪I和用于收卷所述金屬基底層的收卷輥輪II ;所述分離輥輪位于所述熱水池內(nèi)；
[0024]上述的方法中，所述方法在所述分離之后，還包括將分離后得到的金屬基底重復步驟(1)-步驟(5)的步驟，即金屬基底可重復利用。
[0025]本發(fā)明的另一個目的是提供一種上述CVD石墨烯向塑料基底卷對卷轉移方法中所使用的卷對卷分離裝置。
[0026]本發(fā)明所提供的上述轉移方法中所使用的卷對卷分離裝置，它包括支架體和熱水池，所述支架體上平行設置若干個輥輪，所述輥輪包括用于對成卷的復合結構進行放卷的進樣輥輪、由兩個緊鄰設置的輥輪組成的用于控制所述復合結構中的石墨烯層和金屬基底層向相反方向運動的分離輥輪、用于收卷所述石墨烯層的收卷輥輪I和用于收卷所述金屬基底層的收卷輥輪II ;所述分離輥輪位于所述熱水池內(nèi)。
[0027]上述的卷對卷分離裝置中，所述裝置還包括用于清洗所述石墨烯層的清洗池I和用于清洗所述金屬基底層的清洗池II ;沿著所述石墨烯層的傳送方向，在所述分離輥輪和所述收卷輥輪I之間還設有用于控制所述石墨烯層進出所述清洗池I的清洗輥輪I，所述清洗輥輪I位于所述清洗池I內(nèi)；沿著所述金屬基底層的傳送方向，在所述分離輥輪和所述收卷輥輪II之間還設有用于控制所述金屬基底層進出所述清洗池II的清洗輥輪II，所述清洗輥輪II位于所述清洗池II內(nèi)。
[0028]上述的卷對卷分離裝置中，沿著所述石墨烯層的傳送方向，所述輥軸還包括若干個傳動輥輪，用于控制所述石墨烯層的運行方向，具體可為清洗傳動輥輪I和收卷傳動輥輪I，所述清洗傳動輥輪I位于所述分離輥輪和所述清洗輥輪I之間，所述收卷傳動輥輪I位于所述清洗輥輪I和所述收卷輥輪I之間；
[0029]同樣，沿著所述金屬基底層的傳送方向，所述輥輪還包括若干個傳動輥輪，用于控制所述金屬基底層的運行方向，具體可為清洗傳動輥輪II和收卷傳動輥輪II，所述清洗傳動輥輪II位于所述分離輥輪和所述清洗輥輪II之間，所述收卷傳動輥輪II位于所述清洗輥輪II和所述收卷輥輪II之間。
[0030]上述的卷對卷分離裝置中，所述裝置還包括電機運轉系統(tǒng)，用于為所述收卷輥輪I和所述收卷輥輪II提供動力。
[0031 ] 此外，由上述轉移方法制備得到的石墨烯器件，也在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
[0032]上述石墨烯器件中，所述石墨烯器件包括但不限于:透明導電薄膜或石墨烯透明電極，所述塑料基材和所述熱熔膠均為透明的。
[0033]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0034]本發(fā)明方法通過卷對卷化學氣相沉積的方法以金屬為基底制備了成卷的高質量石墨烯薄膜，然后通過金屬基底的表面氧化和水插層的方法，卷對卷地實現(xiàn)了石墨烯向塑料基底的轉移。該方法只使用熱去離子水，避免了金屬基底的刻蝕，轉移過程快速、干凈、清潔，環(huán)境友好，石墨烯質量高，金屬基底能夠實現(xiàn)重復利用，對于工業(yè)規(guī)模實現(xiàn)石墨烯從金屬基底向