專利名稱：一種貼敷石墨烯薄膜的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于使石墨烯薄膜與基底貼敷的裝置及方法。
背景技術(shù)：
石墨烯由于具有優(yōu)異的機械、光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性能，有望在高性能納米電子器件、復(fù)合材料、場發(fā)射材料、氣體傳感器、能量儲存等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，近年來迅速成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點之一。2008年，美國科研人員發(fā)現(xiàn)用化學(xué)氣相沉積法(CVD法)能在銅和鎳基底上成功生長出大尺寸的石墨烯薄膜，從而使得石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。CVD生長過程如下將銅箔在氬氣和氫氣環(huán)境下1000°C預(yù)熱處理1. 5小時；然后通入甲烷，進行碳分解，生長時間約為20分鐘。生長過程中第一步將通過氣體流量和壓力來控制石墨烯的成核密度，第二步再加大氣體流量中甲烷的濃度來獲得連續(xù)均勻的單層石墨烯，氣相沉積在石墨烯薄膜兩面同時發(fā)生。在生長有石墨烯薄膜的銅箔取出后，在正面的石墨烯薄膜表面涂敷聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)背膠保護層。由于石墨烯薄膜厚度只有1個原子層(約0. 35納米)，在表面張力的存在下，石墨烯薄膜本身會收縮團簇成一個微小顆粒。因此，通常在石墨烯背面會用 PMMA背膠保護，防止在銅箔腐蝕后石墨烯薄膜失去支撐而變成顆粒狀。通過氧等離子體刻蝕，除去銅箔背面不需要的石墨烯從而使得銅基底暴露出來，然后在特定溶液中腐蝕銅箔。在銅基底材料被腐蝕完并清洗后，由于溶液的表面張力，薄膜會張開平鋪于溶液表面，然后用特定基底材料從溶液中撈起，將薄膜貼敷在基底表面。通過范德華作用力，使薄膜與基底材料緊密粘貼在一起?，F(xiàn)有技術(shù)中，通常采用人工方法撈薄膜，但人工方法存在以下缺陷人工方法不穩(wěn)定，由于人為操作的偏差和不可預(yù)測性，常發(fā)生薄膜在接觸基底時起皺，留下氣泡而使貼敷失敗，從而影響石墨烯薄膜的成品率和關(guān)鍵性能指標(biāo)(例如氣泡或褶皺能夠使石墨烯薄膜破裂，從而大大降低導(dǎo)電率)；此外，人工方法效率低下，極大地限制了石墨烯復(fù)合薄膜的大規(guī)模生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于使石墨烯薄膜與基底貼敷的裝置，其包括一個盛放液體的槽體，分布于該槽體底面和/或側(cè)壁的一個或多個導(dǎo)流孔，以及一個或多個位于該槽體內(nèi)的支架。本發(fā)明還提供了一種通過使用上述本發(fā)明裝置和液體排放法來使石墨烯薄膜與基底貼敷的本發(fā)明方法，其包括(1)將一個基底固定于所述槽體內(nèi)的支架上，(2)將一種可使石墨烯薄膜漂浮的液體裝入所述槽體中，(3)使所述石墨烯薄膜漂浮于該液體表面，
(4)使得液體通過導(dǎo)流孔流出，從而隨著液體表面下降使該薄膜無間隙、平整地貼敷于該基底上。
本發(fā)明的裝置和方法使得石墨烯薄膜可與基底進行穩(wěn)定地?zé)o間隙、平整貼敷，從而提高石墨烯薄膜的成品率和關(guān)鍵性能指標(biāo)(例如導(dǎo)電率)。另外，本發(fā)明的裝置可提高生產(chǎn)效率，從而更有助于石墨烯復(fù)合薄膜的大規(guī)模生產(chǎn)。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細的說明。
圖1為一種用于使石墨烯薄膜與基底貼敷的本發(fā)明裝置的透視圖2為一種用于使石墨烯薄膜與基底貼敷的本發(fā)明裝置的剖視圖。
具體實施方式
一種用于使石墨烯薄膜與基底貼敷的本發(fā)明裝置，包括一個盛放液體的槽體，分布于該槽體底面和/或側(cè)壁的一個或多個導(dǎo)流孔，以及一個或多個位于該槽體內(nèi)的支架。
在一種優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明裝置還包括位于槽體外連接于導(dǎo)流孔的一個或多個管路，在其中一個或多個管路上安裝有用于控制液體流出速度的流量調(diào)節(jié)閥和/或用于反向注入液體的流量調(diào)節(jié)泵。所述調(diào)節(jié)閥可控制不同導(dǎo)流孔的液體流出速度，從而控制槽內(nèi)液體的流動方向和流速，進而控制石墨烯薄膜與基底接觸的角度與速度。所述流量調(diào)節(jié)泵可用于反向注入溶液，抬起溶液高度，從而對貼敷過程起到矯正作用。
在本發(fā)明的一個方面中，可以一個導(dǎo)流孔連接一個管路，也可以多個導(dǎo)流孔共用一個管路。在本發(fā)明的一個方面中，一個管路中，所述流量調(diào)節(jié)閥和流量調(diào)節(jié)泵可各自單獨存在，也可同時存在。
在另一種優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明裝置中的支架與該槽體側(cè)壁所成夾角特別優(yōu)選可在0-90度范圍內(nèi)調(diào)整，更優(yōu)選在20-60度范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)石墨烯薄膜與基底的貼敷?？蓪υ摻嵌冗M行優(yōu)化，從而進一步提高石墨烯薄膜與基底的貼敷效果。
在一種優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明裝置中的導(dǎo)流孔位于該槽體的底面上。
在一種優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明裝置中的導(dǎo)流孔按照一定比例和分布設(shè)計，從而能更有效地控制槽內(nèi)液體流動方向和流速。
在一種優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明裝置中所述導(dǎo)流孔的總面積占所處槽體壁總面積的百分比為_；35%，特別優(yōu)選5% -25%。
在一種優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明裝置中所述導(dǎo)流孔可均勻分布、對稱分布或不規(guī)則分布。
通過使用上述本發(fā)明裝置和液體排放法來使石墨烯薄膜與基底貼敷的本發(fā)明方法，包括
(1)將一個基底固定于所述槽體內(nèi)的支架上，
(2)將一種可使石墨烯薄膜漂浮的液體裝入所述槽體中，
(3)使所述石墨烯薄膜漂浮于該液體表面，
(4)使得液體通過導(dǎo)流孔流出，從而隨著液體表面下降使該石墨烯薄膜無間隙、平整地貼敷于該基底上。
在一種優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明方法中在步驟中，通過調(diào)節(jié)流過導(dǎo)流孔液體的流速來控制槽體內(nèi)液體的流動方向和流速以及/或者通過反向注入液體而抬高液體高度，從而實現(xiàn)石墨烯薄膜與基底的無間隙、平整貼敷。優(yōu)選使石墨烯薄膜的一端首先與基底接觸并且逐步全部貼敷于基底表面。特別優(yōu)選地，其中所述調(diào)節(jié)流過導(dǎo)流孔液體的流速通過前述流量調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)，所述反向注入液體通過前述流量調(diào)節(jié)泵實現(xiàn)。在另一種優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明方法中在液面下降過程中不要使該石墨烯薄膜與所述槽體的側(cè)壁接觸。本發(fā)明方法中所用石墨烯薄膜可為柔性石墨烯薄膜，優(yōu)選不合其他物質(zhì)的石墨烯薄膜、帶聚甲基丙烯酸甲酯背膠的石墨烯薄膜、和石墨烯/聚對苯二甲酸乙二酯復(fù)合薄膜。本發(fā)明方法中所用液體為所有可使石墨烯薄膜漂浮的液體，優(yōu)選選自有機溶劑， 例如丙酮；無機溶劑，例如水、硝酸鐵水溶液、氯化鐵水溶液、鹽酸、硝酸等。本發(fā)明方法中所用基底為金屬材料或非金屬材料，優(yōu)選玻璃、石英玻璃、聚對苯二甲酸乙二酯、二氧化硅、單晶硅、多晶硅、聚四氟乙烯。以下結(jié)合附圖1和2，對本發(fā)明的兩種優(yōu)選具體實施方案進行示例說明，但并不意欲對本發(fā)明的范圍進行任何方式的限制。圖1為一種用于使石墨烯薄膜4與基底1貼敷的本發(fā)明裝置的透視圖。圖2為一種用于使石墨烯薄膜4與基底1貼敷的本發(fā)明裝置的剖視圖。所述裝置包括盛放液體2 的槽體3，分布于該槽體3底面和/或側(cè)壁(如圖2中所示)的一個或多個導(dǎo)流孔5，以及一個或多個位于該槽體3內(nèi)的支架6。所述導(dǎo)流孔按照一定比例和分布設(shè)計。優(yōu)選地，所述導(dǎo)流孔的總面積占所處槽體壁總面積的百分比為_35%，特別優(yōu)選5% -25%。優(yōu)選地， 所述導(dǎo)流孔可均勻分布、對稱分布或不規(guī)則分布。在該裝置的槽體外連接于導(dǎo)流孔的一個或多個管路(未示出)，在其中一個或多個管路上安裝有用于控制液體流出速度的流量調(diào)節(jié)閥(未示出)和/或用于反向注入液體的流量調(diào)節(jié)泵(未示出)。所述支架6與該槽體側(cè)壁所成夾角可在0-90度范圍內(nèi)調(diào)整，優(yōu)選在20-60度范圍內(nèi)。以下結(jié)合實施例對本發(fā)明進行更詳細地示例說明。通過以下方法來提供帶聚甲基丙烯酸甲酯背膠的石墨烯薄膜1.石墨烯生長過程如下進行首先將5X20cm2面積的銅箔在氬氣和氫氣環(huán)境下 (其中Ar 約95體積份,H2 約5體積份)于08 cm χ 80 cm (長)的密閉體系中于1000°C 預(yù)熱處理1.5小時。然后通入甲烷，進行碳分解，混合氣體流量為500cm3每分鐘(其中Ar : 約95體積份，H2 約5體積份，CH4 約0. 03體積份)，生長時間約為20分鐘。生長過程中第一步將通過氣體流量和壓力來控制石墨烯的成核密度，第二步再加大氣體流量中甲烷的濃度(至約0. 05體積份)來獲得連續(xù)均勻的單層石墨烯，氣相沉積在銅箔的兩面同時發(fā)生；2.在銅箔正面的石墨烯上涂覆PMMA背膠保護層，涂層厚度約為200 300納米；3.而后通過氧等離子體蝕刻除去銅箔背面不需要的石墨烯。將上述帶有聚甲基丙烯酸甲酯背膠的石墨烯薄膜用于以下本發(fā)明實施例及對比例。實施例1采用以下這樣一種用于使石墨烯薄膜與基底貼敷的裝置，其包括一個盛放液體的50L槽體(高0. ImX寬0. 5mX長Im)，分布于該槽體底面的8個大小一樣的導(dǎo)流孔(分為4行，每行兩個孔，貼邊兩行，其余兩行平均分布，各孔均位于底部邊緣處，且其中四個位于角部)，以及一個位于該槽體內(nèi)的支架，其中該支架與該槽體側(cè)壁成45度角，導(dǎo)流孔總面積占槽體底面的8%。
將一個玻璃基底(寬OjmX長0.9m)固定于一個槽體內(nèi)的支架上；將45L丙酮液體裝入所述槽體中；使帶有聚甲基丙烯酸甲酯背膠的石墨烯薄膜(寬0. 35mX長0. 8m)漂浮于該液體表面；使得丙酮通過導(dǎo)流孔流出，從而隨著丙酮液體表面下降使該石墨烯薄膜無間隙、平整地貼敷于該玻璃基底上。
實施例2
采用以下這樣一種用于使石墨烯薄膜與基底貼敷的裝置，其包括一個盛放液體的75L槽體(高0. ImX寬0. 75mX長lm)，分布于該槽體底面的12個大小一樣的導(dǎo)流孔 (分為4行，每行3個孔，貼邊兩行，其余兩行平均分布；每行中，兩個孔位于底部邊緣處，一個位于中間)，以及一個位于該槽體內(nèi)的支架，其中該支架與該槽體側(cè)壁成60度角，導(dǎo)流孔總面積占槽體底面的12%。
將一個聚對苯二甲酸乙二酯基底(寬0.6mX長0. 9m)固定于一個槽體內(nèi)的支架上；將70L水液體裝入所述槽體中；使帶有聚甲基丙烯酸甲酯背膠的石墨烯薄膜(寬 0. 5mX長0. 8m)漂浮于該液體表面；使得水通過導(dǎo)流孔流出，從而隨著水液體表面下降使該石墨烯薄膜無間隙、平整地貼敷于該聚對苯二甲酸乙二酯基底上。
實施例3
采用以下這樣一種用于使石墨烯薄膜與基底貼敷的裝置，其包括一個盛放液體的25L槽體(高0. ImX寬0. 25mX長Im)，分布于該槽體底面和側(cè)壁的10個大小一樣的導(dǎo)流孔(側(cè)壁上4個孔，每側(cè)壁貼底邊中央處一個孔；底面上6個孔，每行兩個孔，貼邊兩行， 其余一行分布于底面中央，各孔均位于底部邊緣處，且其中四個位于角部)，以及一個位于該槽體內(nèi)的支架，其中該支架與該槽體側(cè)壁成50度角，導(dǎo)流孔總面積占槽體底面和側(cè)壁的 15%。
將一個二氧化硅基底(寬0. 2mX長0. 9m)固定于一個槽體內(nèi)的支架上；將22. 5L 硝酸鐵水溶液(濃度為20重量％)液體裝入所述槽體中；使帶聚甲基丙烯酸甲酯背膠的石墨烯薄膜(寬0. 15mX長0. 8m)漂浮于該液體表面；使得硝酸鐵水溶液通過導(dǎo)流孔流出，從而隨著硝酸鐵水溶液液體表面下降使該石墨烯薄膜無間隙、平整地貼敷于該二氧化硅基底上。
實施例4
采用以下這樣一種用于使石墨烯薄膜與基底貼敷的裝置，其包括一個盛放液體的100L槽體(高0. ImX ImX Im)，分布于該槽體底面的5個大小一樣的導(dǎo)流孔(四個孔分別位于底面的四個角處，一個位于底面的正中心)，以及一個位于該槽體內(nèi)的支架，其中該支架與該槽體側(cè)壁成陽度角，導(dǎo)流孔總面積占槽體底面的12%。
將一個單晶硅基底(寬0.9mX長0. 9m)固定于一個槽體內(nèi)的支架上；將95L鹽酸(濃度為20重量％)液體裝入所述槽體中；使帶有聚甲基丙烯酸甲酯背膠的石墨烯薄膜 (寬0. SmX長0. 8m)漂浮于該液體表面；使得鹽酸通過導(dǎo)流孔流出，從而隨著鹽酸液體表面下降使該石墨烯薄膜無間隙、平整地貼敷于該單晶硅基底上。
實施例5
采用以下這樣一種用于使石墨烯薄膜與基底貼敷的裝置，其包括一個盛放液體的50L槽體(高0. ImX寬0. 5mX長Im)，分布于該槽體底面的9個大小一樣的導(dǎo)流孔(分為3行，每行3個孔，貼邊兩行，其余一行分布于底面中央；每行中，兩個孔位于底部邊緣處， 一個位于中間)，以及一個位于該槽體內(nèi)的支架，其中該支架與該槽體側(cè)壁成45度角，導(dǎo)流孔總面積占槽體底面的5%。將一個多晶硅基底(寬OjmX長0.9m)固定于一個槽體內(nèi)的支架上；將45L氯化鐵水溶液(濃度為30重量％)液體裝入所述槽體中；使帶聚甲基丙烯酸甲酯背膠的石墨烯薄膜(寬0. 35mX長0. 8m)漂浮于該液體表面；使得氯化鐵水溶液通過導(dǎo)流孔流出，從而隨著氯化鐵水溶液液體表面下降使該石墨烯薄膜無間隙、平整地貼敷于該多晶硅基底上。實施例6采用以下這樣一種用于使石墨烯薄膜與基底貼敷的裝置，其包括一個盛放液體的50L槽體(高0. ImX寬0. 5mX長Im)，分布于該槽體側(cè)壁的4個大小一樣的導(dǎo)流孔G 個孔分別位于槽體4個側(cè)壁底邊的中央)，以及一個位于該槽體內(nèi)的支架，其中該支架與該槽體側(cè)壁成30度角，導(dǎo)流孔總面積占槽體側(cè)面的10 %。將一個聚四氟乙烯基底(寬0. 45mX長0. 9m)固定于一個槽體內(nèi)的支架上；將45L 硝酸水溶液(濃度為45重量％)液體裝入所述槽體中；使帶聚甲基丙烯酸甲酯背膠的石墨烯薄膜(寬0. 4mX長0. 8m)漂浮于該液體表面；使得硝酸通過導(dǎo)流孔流出，從而隨著硝酸液體表面下降使該石墨烯薄膜無間隙、平整地貼敷于該聚四氟乙烯基底上。對比例使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的人工方法撈帶有聚甲基丙烯酸甲酯背膠的石墨烯薄膜 (寬0. 8m X長0. 8m)并將其貼敷于該玻璃基底(寬ImX長Im)上。首先，將各實施例和對比例的獲得的薄膜貼敷于玻璃基底的產(chǎn)品進行目測比較； 其次，測定各實施例和對比例的獲得的薄膜貼敷于玻璃基底的產(chǎn)品的方塊電阻。結(jié)果示于下表。
權(quán)利要求
1.一種用于使石墨烯薄膜與基底貼敷的裝置，其包括一個盛放液體的槽體，分布于該槽體底面和/或側(cè)壁的一個或多個導(dǎo)流孔，以及一個或多個位于該槽體內(nèi)的支架。
2.權(quán)利要求1的裝置，其還包括位于槽體外連接于導(dǎo)流孔的一個或多個管路，在其中一個或多個管路上安裝有用于控制液體流出速度的流量調(diào)節(jié)閥和/或用于反向注入液體的流量調(diào)節(jié)泵。
3.權(quán)利要求1或2的裝置，其中所述支架與該槽體側(cè)壁所成夾角可在0-90度范圍內(nèi)調(diào)整，優(yōu)選在20-60度范圍內(nèi)。
4.權(quán)利要求1-3中任一項的裝置，其中所述導(dǎo)流孔的總面積占所處槽體壁總面積的百分比為-35%，優(yōu)選5% -25%。
5.權(quán)利要求1-4中任一項的裝置，其中所述導(dǎo)流孔可均勻分布、對稱分布或不規(guī)則分布。
6.權(quán)利要求1-5中任一項的裝置，其中所述導(dǎo)流孔位于該槽體底面上。
7.—種通過使用權(quán)利要求1至6中任一項所述的裝置和液體排放法來使石墨烯薄膜與基底貼敷的方法，其包括(1)將一個基底固定于所述槽體內(nèi)的支架上，(2)將一種可使石墨烯薄膜漂浮的液體裝入所述槽體中，(3)使所述石墨烯薄膜漂浮于該液體表面，(4)使得液體通過導(dǎo)流孔流出，從而隨著液體表面下降使該石墨烯薄膜無間隙、平整地貼敷于該基底上。
8.權(quán)利要求7的方法，其中在步驟(4)中，通過調(diào)節(jié)流過導(dǎo)流孔液體的流速來控制槽體內(nèi)液體的流動方向和流速以及/或者通過反向注入液體而抬高液體高度，從而實現(xiàn)石墨烯薄膜與基底的無間隙、平整貼敷，優(yōu)選使石墨烯薄膜的一端首先與基底接觸并且逐步全部貼敷于基底表面。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所述調(diào)節(jié)流過導(dǎo)流孔液體的流速通過權(quán)利要求2至6中任一項所述的流量調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)。
10.權(quán)利要求8的方法，其中所述反向注入液體通過權(quán)利要求2至6中任一項所述的流量調(diào)節(jié)泵實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種貼敷石墨烯薄膜的裝置及其使用方法，其中通過調(diào)節(jié)液體的流動速度從而控制液體表面高度和下降速度，使漂浮于液體表面的石墨烯薄膜平整貼敷于基底表面。此方法可以穩(wěn)定地完成石墨烯薄膜與基底的無缺陷粘貼，適于大規(guī)模石墨烯復(fù)合薄膜的生產(chǎn)。
文檔編號C23C16/26GK102505112SQ20111044305
公開日2012年6月20日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者宋勃, 彭鵬, 金虎 申請人:宋勃