一種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法，屬于半導(dǎo)體薄膜材料【技術(shù)領(lǐng)域】。在本方法中，石墨烯薄膜為與三維結(jié)構(gòu)隨形的連續(xù)均勻薄膜；薄膜基材為金屬、非金屬，柔性、非柔性等多種材料；所述的石墨烯薄膜為在目標(biāo)基材上直接生長(zhǎng)制備獲得或者先生長(zhǎng)石墨烯薄膜后轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基材上。通過(guò)本發(fā)明所述方法制備的三維共面形石墨烯薄膜在連續(xù)均勻?qū)щ娦?、透過(guò)率、柔性等方面都具備優(yōu)秀的性能，為今后在柔性顯示、智能傳感、柔性傳感、納電子器件、超級(jí)計(jì)算機(jī)、太陽(yáng)能電池、光子傳感器、基因測(cè)序等多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
【專利說(shuō)明】一種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體薄膜材料【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是碳原子以鄧2雜化軌道呈蜂巢晶格排列構(gòu)成的單層二維晶體。自2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，石墨烯的多種優(yōu)異特性也逐漸被發(fā)掘:石墨烯是已知的世上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，其斷裂強(qiáng)度為42化^2，楊氏模量達(dá)到71？3，強(qiáng)度可達(dá)130--，是相同測(cè)試條件下鋼強(qiáng)度的100多倍；其具有很好的透光性，對(duì)可見(jiàn)光和紅外光的光學(xué)吸收率僅為2.3% ；在常溫下電子迀移率超過(guò)15000(^2^ ? 8，電阻率僅為10—60八！11，比銅和銀更低，是目前世界上電阻率最小的材料，故石墨烯可以維持很高的導(dǎo)電性；石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌，當(dāng)施加外力于石墨烯時(shí)，碳原子面會(huì)彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有良好的強(qiáng)度和柔性。因此石墨烯以其優(yōu)異而獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)以及力學(xué)特性吸引了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，在光電器件、超級(jí)電容器、柔性顯示、納電子器件、智能傳感器、生物傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]隨著科學(xué)技術(shù)以及應(yīng)用需求的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的平面二維石墨烯薄膜已經(jīng)不能滿足要求，尤其在柔性顯示、柔性傳感等方面。在上述應(yīng)用中，經(jīng)常遇到需要在柔性基底上復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)表面覆蓋石墨烯薄膜的情況。目前的常規(guī)技術(shù)方案是將二維石墨烯直接轉(zhuǎn)移至具有三維表面結(jié)構(gòu)的目標(biāo)襯底上。這種方法很難做到在三維結(jié)構(gòu)全表面共形覆蓋石墨烯薄膜。此外，平面二維石墨烯在外力的作用下容易破裂或損壞，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)以及石墨烯薄膜的各種優(yōu)良特性不穩(wěn)定。而具有柔性三維共面形石墨烯薄膜的產(chǎn)生則有效的解決了這一難題，利用柔性石墨烯薄膜制作的器件具有可折疊、可拉伸、重量輕、不易碎等特點(diǎn)，適應(yīng)柔性電子學(xué)的發(fā)展應(yīng)用。因此研宄一種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法是非常有必要的，也開(kāi)拓一條石墨烯薄膜應(yīng)用的新途徑。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法，該方法操作簡(jiǎn)單、成本較低、應(yīng)用廣泛，可以直接制作高質(zhì)量的具有柔性的三維共面形石墨烯薄膜。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0006]一種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法，在本方法中，石墨烯薄膜為與三維結(jié)構(gòu)隨形的連續(xù)均勻薄膜；薄膜基材為金屬、非金屬，柔性、非柔性等多種材料；所述的石墨烯薄膜為在目標(biāo)基材上直接生長(zhǎng)制備獲得或者先生長(zhǎng)石墨烯薄膜后轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基材上。
[0007]進(jìn)一步，如果所述的石墨烯薄膜為先生長(zhǎng)石墨烯薄膜后轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基材上，則該方法具體包括以下步驟:
[0008]步驟一:在石墨烯生長(zhǎng)基材上制備所需要的三維結(jié)構(gòu)；
[0009]步驟二:在步驟一所制備的三維結(jié)構(gòu)表面共形生長(zhǎng)連續(xù)的石墨烯薄膜；
[0010]步驟三:利用復(fù)形轉(zhuǎn)移的方法將步驟二所制備的三維共面形石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基材上；
[0011]如果石墨烯薄膜為在目標(biāo)基材上直接生長(zhǎng)制備獲得則在制備方法中不含有步驟
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[0012]進(jìn)一步，所述石墨烯薄膜的層數(shù)為1層、2層、3層以及少數(shù)多層；薄膜的方塊電阻(5000 0/叫，薄膜在可見(jiàn)光波段的透光率多50%。
[0013]進(jìn)一步，所述三維結(jié)構(gòu)的特征尺寸為微米級(jí)(1 VIII?100011111)、納米級(jí)(111111?100011111)或者宏觀尺度(多1111111)，三維結(jié)構(gòu)在深度方向具有一定的縱向高度差。
[0014]進(jìn)一步，三維結(jié)構(gòu)在石墨烯生長(zhǎng)基材上制備，根據(jù)生長(zhǎng)基材的材料屬性、三維結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸可以選擇光刻、干法刻蝕、濕法刻蝕、納米壓印、離子束直寫、自組裝或者機(jī)械加工等方法制備三維結(jié)構(gòu)。
[0015]進(jìn)一步，在步驟三中，利用復(fù)形的方法將步驟二所制備的三維共面形石墨烯轉(zhuǎn)移至熱固化聚合物、紫外固化聚合物等目標(biāo)基材上，并將生長(zhǎng)基材去除掉，以制備柔性基底或者透明的三維共面形石墨烯薄膜。
[0016]進(jìn)一步，根據(jù)生長(zhǎng)基材的不同以及對(duì)石墨烯質(zhì)量的要求可以選擇”0、或者等設(shè)備進(jìn)行石墨烯生長(zhǎng)制備。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提供了一種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法，該方法操作簡(jiǎn)單，制作成本低，可以實(shí)現(xiàn)柔性基底上復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)基片上全表面覆蓋高質(zhì)量連續(xù)均勻的石墨烯薄膜；該石墨烯薄膜為多晶的石墨烯薄膜，其薄膜層數(shù)、導(dǎo)電性、透光性可以通過(guò)調(diào)整步驟二中的生長(zhǎng)工藝條件加以控制；該三維共面形石墨烯通過(guò)聚合物復(fù)形轉(zhuǎn)移的方法實(shí)現(xiàn)柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備，通過(guò)選擇不同的轉(zhuǎn)移聚合物可以實(shí)現(xiàn)不同柔性需求的石墨烯薄膜制備。在柔性基底表面所制備的三維結(jié)構(gòu)石墨烯薄膜可以作為柔性電極在光電器件、微機(jī)電系統(tǒng)(1213)、智能傳感、電子皮膚等器件上加以應(yīng)用，也可用于開(kāi)發(fā)新型微納米器件。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說(shuō)明:
[0019]圖1為石墨烯生長(zhǎng)基底的三維結(jié)構(gòu)示意圖，其中:1為錐狀凸起結(jié)構(gòu)、2為柱狀凸起結(jié)構(gòu)、3為柱狀/孔洞結(jié)構(gòu)、4為錐狀孔結(jié)構(gòu)、5為曲面凸起結(jié)構(gòu)、6為曲面凹孔結(jié)構(gòu)、7為其他任意三維立體結(jié)構(gòu)、8為生長(zhǎng)基底；
[0020]圖2為具有圖1所不二維結(jié)構(gòu)的石墨稀生長(zhǎng)基底不意圖，其中:基底材料為〇11、附、？6等；
[0021]圖3為直接在三維結(jié)構(gòu)基片原位共形生長(zhǎng)石墨烯薄膜的示意圖，其中:9為三維結(jié)構(gòu)上共形生長(zhǎng)的石墨烯薄膜；
[0022]圖4為將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至柔性基底上的過(guò)程示意圖，其中:10為？013、-光固化膠、？以等聚合物彈性體；
[0023]圖5為去除生長(zhǎng)基材的具有柔性三維共面形石墨烯薄膜。

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0025]圖1為石墨烯生長(zhǎng)基底的三維結(jié)構(gòu)示意圖，其中:1為錐狀凸起結(jié)構(gòu)、2為柱狀凸起結(jié)構(gòu)、3為柱狀/孔洞結(jié)構(gòu)、4為錐狀孔結(jié)構(gòu)、5為曲面凸起結(jié)構(gòu)、6為曲面凹孔結(jié)構(gòu)、7為其他任意三維立體結(jié)構(gòu)、8為生長(zhǎng)基底。
[0026]實(shí)施例1:
[0027]—種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0028]八.利用濕法刻蝕的方法在石墨烯生長(zhǎng)基材上(“)制備所需要的三維結(jié)構(gòu)(如圖2所示的結(jié)構(gòu))，并至置于丙酮、95701 %乙醇、純水中各超聲清洗2111111，用氮?dú)獯蹈蓚溆茫?br> [0029]8.將步驟八干燥后的三維結(jié)構(gòu)化的銅箔置于管式”0系統(tǒng)真空腔體中進(jìn)行石墨烯共形生長(zhǎng)，獲得銅結(jié)構(gòu)表面三維共形石墨烯(如圖3所示石墨烯生長(zhǎng)條件為常壓生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫度為10501，氫氣508(^111，甲燒58(^111，生長(zhǎng)時(shí)間15111111，所得石墨稀層數(shù)為1-2層。
[0030]0.在步驟8所得的銅結(jié)構(gòu)表面三維共形石墨烯旋凃一層厚度為5011111的？013預(yù)聚體，置于801:烘箱中固化？013，獲得如圖4所示柔性聚合物/石墨烯/三維銅結(jié)構(gòu)。
[0031]0.將步驟所得的結(jié)構(gòu)置于硝酸鐵腐蝕液中，將銅完全去除掉，并利用去離子水、鹽酸等反復(fù)清洗，氮?dú)獯蹈色@得柔性基三維共面形石墨烯(如圖5所示)。
[0032]實(shí)施例2:
[0033]—種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0034]八.利用精密電鑄的方法在制備具有三維結(jié)構(gòu)的鎳箔(如圖2所示的結(jié)構(gòu))，并至置于丙酮、95^01%乙醇、純水中各超聲清洗2111111，用氮?dú)獯蹈蓚溆茫?br> [0035]8.將步驟八干燥后的三維結(jié)構(gòu)化的銅箔置于管式”0系統(tǒng)真空腔體中進(jìn)行石墨烯共形生長(zhǎng)，獲得鎳結(jié)構(gòu)表面三維共形石墨烯(如圖3所示石墨烯生長(zhǎng)條件為常壓生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫度為10501，氫氣508(^111，甲燒58(^111，生長(zhǎng)時(shí)間15111111，所得石墨稀層數(shù)為3-4層。
[0036]0.在步驟8所得的銅結(jié)構(gòu)表面三維共形石墨烯旋凃一層厚度為10011111的？013預(yù)聚體，置于801:烘箱中固化？013，獲得如圖4所示柔性聚合物/石墨烯/三維鎳結(jié)構(gòu)。
[0037]0.將步驟所得的結(jié)構(gòu)置于硝酸鐵腐蝕液中，將鎳完全去除掉，并利用去離子水、鹽酸等反復(fù)清洗，氮?dú)獯蹈色@得柔性基三維共面形石墨烯(如圖5所示)。
[0038]實(shí)施例3:
[0039]—種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0040]八.利用濕法刻蝕的方法在石墨烯生長(zhǎng)基材上(“)制備所需要的三維結(jié)構(gòu)(如圖2所示的結(jié)構(gòu))，并至置于丙酮、95^01 %乙醇、純水中各超聲清洗2111111，用氮?dú)獯蹈蓚溆茫?br> [0041]8.將步驟八干燥后的三維結(jié)構(gòu)化的銅箔置于管式系統(tǒng)真空腔體中進(jìn)行石墨烯共形生長(zhǎng)，獲得銅結(jié)構(gòu)表面三維共形石墨烯(如圖3所示石墨烯生長(zhǎng)條件為常壓生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫度為10501，氫氣508(^111，甲燒58(^111，生長(zhǎng)時(shí)間15111111，所得石墨稀層數(shù)為1-2層。
[0042]0.在步驟8所得的銅結(jié)構(gòu)表面三維共形石墨稀旋凃一層厚度為5011111的光固化膠，置于-光下固化，獲得如圖4所示柔性聚合物/石墨烯/三維銅結(jié)構(gòu)。
[0043]0.將步驟所得的結(jié)構(gòu)置于硝酸鐵腐蝕液中，將銅完全去除掉，并利用去離子水、鹽酸等反復(fù)清洗，氮?dú)獯蹈色@得紫外光固化膠柔性基三維共面形石墨烯(如圖5所示)。
[0044]實(shí)施例4:
[0045]—種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0046]八.利用納米壓印的方法在石墨烯生長(zhǎng)基材上(“)制備所需要的三維結(jié)構(gòu)(如圖2所示的結(jié)構(gòu))，并至置于丙酮、95^01 %乙醇、純水中各超聲清洗2111111，用氮?dú)獯蹈蓚溆茫?br> [0047]8.將步驟八干燥后的三維結(jié)構(gòu)化的銅箔置于管式系統(tǒng)真空腔體中進(jìn)行石墨烯共形生長(zhǎng)，獲得銅結(jié)構(gòu)表面三維共形石墨烯(如圖3所示石墨烯生長(zhǎng)條件為常壓生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫度為10501，氫氣508(^111，甲燒58(^111，生長(zhǎng)時(shí)間15111111，所得石墨稀層數(shù)為1-2層。
[0048]0.在步驟8所得的銅結(jié)構(gòu)表面三維共形石墨稀旋凃一層厚度為5011111的？11八熱固化膠，置于801:烘箱中固化？以，獲得如圖4所示柔性聚合物/石墨烯/三維銅結(jié)構(gòu)。
[0049]0.將步驟所得的結(jié)構(gòu)置于硝酸鐵腐蝕液中，將銅完全去除掉，并利用去離子水、鹽酸等反復(fù)清洗，氮?dú)獯蹈色@得紫外光固化膠柔性基三維共面形石墨烯(如圖5所示)。
[0050]最后說(shuō)明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于:在本方法中，石墨烯薄膜為與三維結(jié)構(gòu)隨形的連續(xù)均勻薄膜；薄膜基材為金屬、非金屬，柔性、非柔性等多種材料；所述的石墨烯薄膜為在目標(biāo)基材上直接生長(zhǎng)制備獲得或者先生長(zhǎng)石墨烯薄膜后轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基材上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于:如果所述的石墨烯薄膜為先生長(zhǎng)石墨烯薄膜后轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基材上，則該方法具體包括以下步驟: 步驟一:在石墨烯生長(zhǎng)基材上制備所需要的三維結(jié)構(gòu)； 步驟二:在步驟一所制備的三維結(jié)構(gòu)表面共形生長(zhǎng)連續(xù)的石墨烯薄膜； 步驟三:利用復(fù)形轉(zhuǎn)移的方法將步驟二所制備的三維共面形石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基材上； 如果石墨烯薄膜為在目標(biāo)基材上直接生長(zhǎng)制備獲得則在制備方法中不含有步驟三。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于:所述石墨烯薄膜的層數(shù)為I層、2層、3層以及少數(shù)多層Γ薄膜的方塊電阻< 5000 Ω/sq，薄膜在可見(jiàn)光波段的透光率多50%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于:所述三維結(jié)構(gòu)的特征尺寸為微米級(jí)(Iym?100um)、納米級(jí)(Inm?100nm)或者宏觀尺度(多1mm)，三維結(jié)構(gòu)在深度方向具有一定的縱向高度差。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于:三維結(jié)構(gòu)在石墨烯生長(zhǎng)基材上制備，根據(jù)生長(zhǎng)基材的材料屬性、三維結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸可以選擇光刻、干法刻蝕、濕法刻蝕、納米壓印、離子束直寫、自組裝或者機(jī)械加工等方法制備三維結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于:在步驟三中，利用復(fù)形的方法將步驟二所制備的三維共面形石墨烯轉(zhuǎn)移至熱固化聚合物、紫外固化聚合物等目標(biāo)基材上，并將生長(zhǎng)基材去除掉，以制備柔性基底或者透明的三維共面形石墨烯薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性基三維共面形石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于:根據(jù)生長(zhǎng)基材的不同以及對(duì)石墨烯質(zhì)量的要求可以選擇CVD、PECVD或者M(jìn)PECVD等設(shè)備進(jìn)行石墨烯生長(zhǎng)制備。
【文檔編號(hào)】H01B13/00GK104505148SQ201410667868
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月13日
【發(fā)明者】楊俊 , 魏大鵬, 谷峰, 史浩飛, 杜春雷 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院