用于在襯底之間轉(zhuǎn)移膜的方法和裝置的制造方法
【專利說明】用于在襯底之間轉(zhuǎn)移膜的方法和裝置
[0001]根據(jù)35U.S.C.119，本申請要求于2012年12月7日提交的、申請?zhí)枮?1/797，471、發(fā)明名稱為“用于在襯底之間轉(zhuǎn)移膜的方法和裝置”的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本申請一般涉及用于將膜從一個或多個襯底轉(zhuǎn)移至另一個襯底的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0003]在本說明書中，在提及或討論文件、行為(act)或知識項時，這種提及或討論并非承認上述文件、行為或知識項或其任何組合是處于優(yōu)先日期的、公眾可得的、公眾已知的、屬于公知常識的一部分、或者根據(jù)可適用的法定條文構(gòu)成先前技術(shù)，或者已知與嘗試解決本說明書涉及的任何問題相關(guān)。
[0004]石墨烯由于其電子的、光學的、物理的、和機械的特性，它的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)在電子和其他應(yīng)用中引起了潛在應(yīng)用的廣泛關(guān)注。石墨烯是碳原子的單個原子層，以六方點格緊密地結(jié)合。盡管它作為實驗系統(tǒng)的歷史短暫，但石墨烯已經(jīng)揭示了令人興奮的新的物理現(xiàn)象，其包括蘊涵有量子電子輸運和電荷屏蔽、依賴于寬度的能帶隙、極高的載流子迀移率、高彈性和機電調(diào)制的“相對論”載流子。石墨烯的特性吸引了很多行業(yè)，尤其是電子工業(yè)。石墨烯的高載流子迀移率和高導熱性使得它是硅和金剛石的潛在替代選擇。它的特性使得能夠創(chuàng)造下一代的固態(tài)器件(彈道晶體管、自旋晶體管等)。在諸如觸摸顯示器和光電板的應(yīng)用中，石墨烯還可以用作柔性的、光學透明的導體的備選。其他潛在應(yīng)用包括化學傳感器、納米孔過濾器、用于腐蝕和/或化學防護的不可滲透涂層、超級電容器、TEM支撐等等。
[0005]在大面積石墨烯生產(chǎn)的方法中，低成本石墨烯片的目標驅(qū)動了近來的研宄。在金屬襯底上的石墨烯的化學氣相沉積是一種用于大面積、低成本石墨烯生產(chǎn)的有前途的方法。石墨烯生產(chǎn)的一個關(guān)鍵問題是處理石墨烯膜以及在許多應(yīng)用中將這些膜從沉積襯底轉(zhuǎn)移到其他襯底。因此，需要大面積處理以將單層或多層石墨烯從一個襯底轉(zhuǎn)移到另一個襯底。
[0006]現(xiàn)在廣泛使用的一種石墨烯轉(zhuǎn)移過程包括化學蝕刻步驟，以通過溶解來去除金屬襯底。將這個過程放大比例至數(shù)千平方米進行生產(chǎn)，導致很大花費和浪費的挑戰(zhàn)。金屬灌注蝕刻劑的再利用或處置構(gòu)成了主要的成本和廢棄物處理問題。因為襯底被蝕刻劑溶解了，所以它不能再被用于生長石墨烯膜。另外，溶解過程是相當慢的。由于至少這些原因，這種傳統(tǒng)的技術(shù)不適合于石墨烯膜的高效率的、大規(guī)模的、低成本生產(chǎn)。
[0007]盡管已經(jīng)討論了傳統(tǒng)技術(shù)的一些方案以促進本發(fā)明的公開，但是申請人決不否認這些技術(shù)方案，并且可以預計所要求保護的本發(fā)明可以包含或包括這里討論的一個或多個傳統(tǒng)的技術(shù)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明可以解決以上討論的先前技術(shù)的一個或多個問題和不足。然而，可以預計在許多技術(shù)領(lǐng)域中本發(fā)明可以證明在解決其他問題和不足方面是有用的，或者提供益處和優(yōu)點。因此，所要求保護的本發(fā)明不必被解釋為受限于解決本文所討論的任何特定問題或不足。
[0009]本發(fā)明提供具有以下一個或多個益處和優(yōu)點的方法和裝置:
[0010]?消除或明顯地減少化學廢物，以及相關(guān)環(huán)境效益和成本效益；
[0011]?允許以后形成石墨烯時可以再利用金屬襯底，從而減少浪費并且改善過程的經(jīng)濟性；
[0012]籲允許石墨烯膜生成、襯底轉(zhuǎn)移和/或多層結(jié)構(gòu)制造的可擴展的、連續(xù)過程；
[0013]籲允許將石墨烯膜放置在幾乎任何光滑的表面上；
[0014]籲提供轉(zhuǎn)移單原子層厚度的石墨烯膜以及多層石墨烯膜的過程；
[0015]籲提供能夠?qū)⑹┺D(zhuǎn)移至柔性或剛性襯底的過程；
[0016]?允許大面積片狀石墨烯膜的生成和轉(zhuǎn)移。
[0017]因此，根據(jù)一個方案，本發(fā)明提供一種方法，包括:在第一襯底的至少一部分表面上形成至少一層材料，其中所述至少一層材料的第一表面與所述第一襯底接觸從而限定一界面；將第二襯底附著于所述至少一層材料的第二表面上；在所述界面處形成氣泡；以及施加機械力；從而將所述第二襯底和所述至少一層材料從所述第一襯底共同地分離。
[0018]根據(jù)又一方案，提供一種用于將至少一層材料從第一襯底轉(zhuǎn)移至第二襯底的裝置，所述裝置包括:供應(yīng)軋輥，包括一卷復合材料，所述復合材料包括第一襯底、與所述第一襯底接觸從而限定一界面的至少一層材料、以及附著于所述至少一層材料的第二表面上的第二襯底；容器，包含溶液，所述溶液包括水和至少一種電解質(zhì)；陰極，當被布置在所述溶液中時被限定在所述復合材料處；陽極，布置在所述溶液中遠離所述陰極的位置處；電源，連接至所述陰極和陽極；第一收集(pickup)軋輥，所述第一收集軋輥附著于所述第二襯底/至少一層材料；第二收集軋輥，所述第二收集軋輥附著于所述第一襯底；其中所述陰極被構(gòu)造和布置為在所述界面處產(chǎn)生氣泡，并且其中所述第二收集軋輥被構(gòu)造和布置為在第一方向上拉起所述第一襯底，并且所述第一收集軋輥被構(gòu)造和布置為在第二方向上拉起所述第二襯底以及所述至少一層材料，所述第一方向和第二方向彼此偏離，從而限定分離角。
【附圖說明】
[0019]圖1中的A-圖1C’是根據(jù)本發(fā)明的一些方案執(zhí)行的方法的示意圖。
[0020]圖2是根據(jù)本發(fā)明的其他方案執(zhí)行的方法的示意圖。
[0021]圖3是根據(jù)本發(fā)明的原理配置的裝置和相關(guān)方法的示意圖。
[0022]圖4是本發(fā)明的方法和裝置的其他可選方案的示意圖。
[0023]圖5是根據(jù)本發(fā)明的另外的方案的裝置和方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0024]如這里所使用的，單數(shù)形式“一”、“一個”和“所述”也旨在包括復數(shù)形式，除非上下文另有清楚指示。額外地，使用“或者”旨在包括“和/或”，除非上下文另有清楚指示。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的一些方案，提供將石墨烯從其所形成于的襯底轉(zhuǎn)移至第二襯底的方法。這些方法將第二襯底附著于所述石墨烯，如下所述，將層沉浸在溶液中，然后使用機械拉力以在氣泡的幫助下將石墨烯和第二襯底從原始襯底分離(所述氣泡在石墨烯與金屬之間的界面處以電解方式形成)，以將兩層分開。電解槽通過電接觸石墨烯和金屬結(jié)構(gòu)和第二電極被配置在溶液中。這個過程適合于生長在導電襯底上的石墨烯膜。這個過程尤其適合于放大至更大面積的石墨烯膜。
[0026]在圖1至圖5中示意性地示出根據(jù)本發(fā)明原理的方法和裝置的一些示例性的、非限制實施例。
[0027]如圖所示，例如，在圖1中，在第一襯底10的至少部分表面上可以形成至少一層材料12，從而在至少一層材料12的第一表面14與襯底10之間形成一界面16。該至少一層材料可以例如作為周期圖案形成在第一襯底的部分表面上?？商娲兀辽僖粚硬牧?2可以覆蓋第一襯底10的整個表面。該層材料12可以形成為單層材料、或多層材料。該層材料12可以具有任何適當?shù)暮穸?。對于薄?諸如總厚度小于1nm的層)，本發(fā)明的方法和裝置是有利的。該至少一層材料12可以由任何適當?shù)牟牧稀⒒虿牧系慕M合構(gòu)成。根據(jù)某些實施例，該至少一層材料12包括石墨烯。石墨烯可以呈現(xiàn)為石墨烯的單個原子層、或者為具有多原子厚度的石墨烯層。石墨烯可以與一個或多個額外材料結(jié)合。例如，石墨烯可以摻雜有一個或多個摻雜劑。摻雜劑可以包括碘、氮、硼、鉀、砷、鎵、鋁、銦、或其他。根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的任何適當?shù)募夹g(shù)，諸如石墨的分層、外延生長、石墨的氧化還原、碳納米管的蝕刻或分割、石墨的超聲處理、以及二氧化碳還原反應(yīng)，可以形成石墨烯。根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，石墨烯通過化學氣相沉積