專利名稱:一種石墨烯膠膜及其制備方法和石墨烯的轉移方法
技術領域:
本發(fā)明涉及納米材料技術,具體涉及一種石墨烯膠膜及其制備方法和石墨烯的轉移方法。
背景技術:
石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化形成六角格子的單層片狀結構的新材料,只有一個碳原子厚度。是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料,導熱系數(shù)高,超過碳納米管和金剛石,常溫下其電子遷移率超過納米碳管或硅晶體管,而電阻率只約10 6Ω -cm,比銅或銀更低,是目前世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低,電子遷移的速度極快,因此被期待可用來發(fā)展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。2004年,由英國曼徹斯特大學物理學家安德 烈·海姆和康斯坦丁 ·諾沃肖洛夫,成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”,共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯轉移是石墨烯實驗測量和應用中關鍵的一步,傳統(tǒng)轉移方法就是利用PMMA膠來實現(xiàn),具體可參考Transfer of Large Area Graphene Filmsfor High Performance TransparentConductive Electrodes, Xuesong Li, NanoLett.,2009,9 (12),pp4359 - 4363。首先,在銅或其他基底上生長好石墨烯;其次,在石墨烯上甩上一層PMMA膠,待膠風干后,用合適溶液,將基底腐蝕掉;而后將附帶一層PMMA膠的石墨烯,用濾紙撈出,再清水中反復沖洗清潔多次;最后,用目標襯底將沖洗干凈、附著有PMMA膠的石墨烯撈出,接著用丙酮將PMMA膠去掉,則在目標襯底上得到了完整的石墨烯。利用此方法轉移石墨烯,是目前的常用手段,但多次用濾紙從溶液中撈取石墨烯,會對石墨烯造成損傷,并且PMMA膠材質(zhì)較軟,難以自支撐,只能從溶液中撈取,若想轉移到固定位置,操作性較差。另外,在最后用丙酮清洗去除PMMA的一步中,往往難以清潔干凈,會有PMMA殘余,且容易產(chǎn)生褶皺,影響到石墨烯的后續(xù)測量和應用。而且,石墨烯作為一種新的納米材料,對于石墨烯的物理性質(zhì)的研究非常重要。由于以現(xiàn)有方法轉移的石墨烯不具有自支撐性,仍需要借助其他沉底作為支撐,且轉移后石墨烯會產(chǎn)生褶皺和破損,因此若對其進行物理測試,不行石墨烯本身性能會受到影響,則操作復雜,設備要求高,且周期長。
發(fā)明內(nèi)容
針對以上現(xiàn)有技術存在的問題,本發(fā)明提出一種利用聚乙烯醇縮醛膠(PolyvinylButyral)制備高質(zhì)量石墨烯膠膜的方法,用此方法可大量制備高質(zhì)量石墨烯膠膜產(chǎn)品。本發(fā)明的一個目的在于提供一種石墨烯膠膜。本發(fā)明的石墨烯膠膜包括聚乙烯醇縮醛膠;及在聚乙烯醇縮醛膠之上的石墨烯薄膜。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種石墨烯膠膜的制備方法。本發(fā)明的一種石墨烯膠膜的制備方法,包括以下步驟
I)提供在基底上生長好的石墨烯薄膜;2)在石墨烯薄膜的表面旋涂聚乙烯醇縮醛膠;3)將涂有膠的薄膜放置入可以腐蝕基底的腐蝕溶液中,讓膠表面向上,整個薄膜懸浮在腐蝕溶液中浸泡,將基底完全腐蝕干凈,形成以膠自支撐的柔性的石墨烯膠膜。進一步,本發(fā)明的方法還包括,在形成了石墨烯膠膜后,將腐蝕掉基底的石墨烯膠膜從溶液的表面拎出來,用去離子水反復泡洗干凈4飛次后,待石墨烯膠膜自然風干,得到易于保存和后續(xù)測量的石墨烯膠膜。本發(fā)明采用聚乙烯醇縮醛膠制備石墨烯膠膜,由于聚乙烯醇縮醛膠具有很好的粘 性和支撐性,且化學性質(zhì)穩(wěn)定,制備得到的石墨烯膠膜具有自支撐,不僅可以剪裁,還可以直接利用鑷子等夾具將其貼到任何需要的目標襯底上,實現(xiàn)定向而大面積的轉移。本發(fā)明的方法制備的石墨烯膠膜由于具有自支撐,不必存放在溶液中,在腐蝕掉襯底形成石墨烯膠膜后,從腐蝕溶液表面拎出來,洗凈風干,直接存儲在干凈的收納盒中,便于存儲和后續(xù)測試使用。聚乙烯醇縮醛膠包括利用聚乙烯醇縮醛膠得到的各種粘合劑,如聚乙烯醇縮甲醛PVF膠和聚乙烯醇縮丁醛PVB膠等。本發(fā)明的制備方法進一步包括利用萬用表判定石墨烯膠膜是否導通良好,即用兩個標筆分別點在石墨烯膠膜的兩端測量電阻值,若不理想則可以重復以上步驟重新制備。本發(fā)明的方法制備的石墨烯膠膜,由于具有自支撐,可以直接將萬用表的兩個標筆,分別點在石墨烯膠膜的兩端進行導通測量,操作簡單方便。而且,如果導通不好,還可以重新反復制備。本發(fā)明的又一個目的在于提供了一種石墨烯的轉移方法。本發(fā)明的石墨烯的轉移方法,包括以下步驟I)提供在基底上生長好的石墨烯薄膜;2)在石墨烯薄膜的表面旋涂聚乙烯醇縮醛膠;3)將涂有膠的薄膜放置入可以腐蝕基底的腐蝕溶液中,讓膠表面向上,整個薄膜懸浮在腐蝕溶液中,浸泡I小時左右,將基底完全腐蝕干凈,形成以膠自支撐的柔性的石墨烯膠膜;4)將腐蝕掉基底的石墨烯膠膜從溶液的表面拎出來,用去離子水反復泡洗干凈4^6次后,待石墨烯膠膜自然風干,得到易于保存和后續(xù)測量的石墨烯膠膜;5)將石墨烯膠膜裁剪到合適尺寸,貼到目標襯底上,在60°C 120°C烘烤2(Γ40分鐘,用溶劑將聚乙烯醇縮醛膠溶解掉,得到轉移的石墨烯薄膜。其中,在步驟5)中,溶劑采用乙醇或丙酮溶液。由于本發(fā)明采用聚乙烯醇縮醛膠得到具有自支撐的石墨烯膠膜,再轉移石墨烯薄膜時,操作簡單方便,而且轉移干凈徹底,不會留有殘余的膠,以保證后續(xù)的測量和應用。本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明利用聚乙烯醇縮醛膠制備得到大面積、低缺陷的自支撐石墨烯膠膜,可以進行大面積、定向的轉移,操作簡單,要求條件寬松,經(jīng)過拉曼(Raman)光譜、電學、磁學測量等方法可以證明該方法可以高質(zhì)量的石墨烯,并可以轉移得到大面積低缺陷的石墨烯薄膜,得到標準的石墨烯特征曲線。本發(fā)明的方法制備得到的石墨烯膠膜存儲和轉移都方便快捷,步驟簡單快捷,轉移成本低,不僅適用于手動裁剪,也適用于大規(guī)模機器自動剪成,同時仍可保證石墨烯薄膜的高質(zhì)量,可以極大促進石墨烯材料的應用和推廣。
圖1至圖4為本發(fā)明的石墨烯的轉移方法的一個實施例的流程圖;圖5為測試以本發(fā)明的制備方法制備的石墨烯膠膜的一個實施例的示意圖;圖6為以本發(fā)明的石墨烯的轉移方法轉移到帶有金電極的Si襯底上的石墨烯薄膜的拉曼圖;圖7為以本發(fā)明的石墨烯的轉移方法轉轉移到帶有金電極的Si襯底上的石墨烯薄膜的電流-電壓曲線圖; 圖8為以本發(fā)明的石墨烯的轉移方法轉移到帶有金電極的Si襯底上的在Si襯底上的局部放大的石墨烯薄膜的光學顯微圖;圖9為以本發(fā)明的石墨烯的轉移方法轉移到Si襯底上的石墨烯膠膜的光學顯微圖;圖10為以本發(fā)明的石墨烯的轉移方法轉移到Si襯底上的石墨烯薄膜的光學顯微圖;圖11為以本發(fā)明的石墨烯的轉移方法轉移到Si襯底上的石墨烯薄膜的電阻-溫度曲線圖;圖12為以本發(fā)明的石墨烯的轉移方法轉移到Si沉底上的石墨烯薄膜的電阻-磁場曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖,通過實施例對本發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明的石墨烯的轉移方法包括以下步驟I)提供在Cu基底2上生長好的石墨烯薄膜1,如圖1所示;2)旋涂一層I微米左右的聚乙烯醇縮丁醛PVB膠3,如圖2所示;3)將涂有PVB膠的薄膜,放置入可以腐蝕生長石墨烯的基底的飽和FeC13溶液中,讓膠表面向上,整個薄膜懸浮在腐蝕液中,浸泡I小時左右,基底將被腐蝕干凈,形成以膠自支撐的柔性的石墨烯膠膜,如圖3所示;4)用鑷子將腐蝕掉Cu基底的石墨烯膠膜從溶液表面拎出來,由于聚乙烯醇縮醛膠的支撐性,石墨烯膠膜將會自支撐,用去離子水反復泡洗干凈4飛次后,待石墨烯膠膜自然風干,翻轉過來后,即得到易于保存和后續(xù)測量的石墨烯膠膜,如圖4所示;5)利用萬用表判定風干的石墨烯膠膜是否導通良好,直接用兩標筆點在石墨烯膠膜上,不好則重新制備,如圖5所示;6)將導通良好的石墨烯膠膜裁剪到合適尺寸,貼到帶有金電極的Si襯底上,在600C 100°C烘烤20分鐘,用酒精溶劑,將聚乙烯醇縮丁醛膠溶解掉,得到轉移的石墨烯薄膜。圖6為轉移到帶有金電極的Si襯底上的石墨烯薄膜的拉曼圖,如圖6所示,具有比較窄的展寬,以及比較高的峰高,石墨烯薄膜質(zhì)量保持很好、缺陷少、特征峰展寬小以及信號強,證明本發(fā)明的石墨烯薄膜的轉移方法得到的石墨烯性能良好。圖7為轉移到帶有金電極上的石墨烯薄膜的電流-電壓曲線圖,石墨烯和電極二者間接觸良好,可以達到歐姆接觸,證明用本發(fā)明進行石墨烯薄膜的轉移可以使界面接觸達到歐姆接觸,并可以很方便的對石墨烯性能進行測試。圖8為以本發(fā)明的石墨烯的轉移方法轉移到帶有金電極的Si襯底上的在Si襯底上的局部放大的石墨烯薄膜的光學顯微鏡圖,在光學顯微鏡下,可以觀察到轉以后的石墨烯薄膜在微米尺度有很好的完整性,褶皺很少。圖9和圖10分別為以本發(fā)明的石墨烯的轉移方法轉移到帶有金電極的Si襯底上的石墨烯膠膜去膠前后的光學顯微鏡圖。圖11和圖12分別為以本發(fā)明的石墨烯的轉移方法轉移到帶有金電極的Si襯底上的石墨烯薄膜的電阻-溫度曲線圖和電阻-磁場曲線圖。如圖11所示,石墨烯的電性性能穩(wěn)定,且電阻率約為3*10_5Ω -cm ;如圖12所示,石墨烯在2K溫度下8. 5T磁場時的磁阻變化能夠能達到45%。最后需要注意的是,公布實施方式的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明,但是本領 域的技術人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權利要求的精神和范圍內(nèi),各種替換和修改都是可能的。因此,本發(fā)明不應局限于實施例所公開的內(nèi)容,本發(fā)明要求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。
權利要求
1.一種石墨烯膠膜的制備方法,其特征在于,所述制備方法,包括以下步驟 1)提供在基底上生長好的石墨烯薄膜; 2)在石墨烯薄膜的表面旋涂聚乙烯醇縮醛膠; 3)將涂有膠的薄膜放置入可以腐蝕基底的腐蝕溶液中,讓膠表面向上,整個薄膜懸浮在腐蝕溶液中浸泡,將基底完全腐蝕干凈,形成以膠自支撐的柔性的石墨烯膠膜。
2.如權利要求1所述的制備方法,其特征在于,所述制備方法進一步包括,在形成了石墨烯膠膜后,將腐蝕掉基底的石墨烯膠膜從溶液的表面拎出來,用去離子水反復泡洗干凈4飛次后,待石墨烯膠膜自然風干,得到易于保存和后續(xù)測量的石墨烯膠膜。
3.如權利要求2所述的制備方法,其特征在于,所述制備方法進一步包括,得到易于保存和后續(xù)測量的石墨烯膠膜后,利用萬用表判定石墨烯膠膜是否導通良好,用兩個標筆分別點在石墨烯膠膜的兩端上,不好則重復以上步驟重新制備。
4.如權利要求1所述的制備方法,其特征在于,所述聚乙烯醇縮醛膠包括聚乙烯醇縮甲醛PVF膠和聚乙烯醇縮丁醛PVB膠等。
5.一種石墨烯的轉移方法,其特征在于,所述轉移方法包括以下步驟 1)提供在基底上生長好的石墨烯薄膜; 2)在石墨烯薄膜的表面旋涂聚乙烯醇縮醛膠; 3)將涂有膠的薄膜放置入可以腐蝕基底的腐蝕溶液中,讓膠表面向上,整個薄膜懸浮在腐蝕溶液中浸泡,將基底完全腐蝕干凈,形成以膠自支撐的柔性的石墨烯膠膜; 4)將腐蝕掉基底的石墨烯膠膜從溶液的表面拎出來,用去離子水反復泡洗干凈4飛次后,待石墨烯膠膜自然風干,得到易于保存和后續(xù)測量的石墨烯膠膜; 5)將石墨烯膠膜裁剪到合適尺寸,貼到目標襯底上,烘烤,用溶劑將聚乙烯醇縮醛膠溶解掉,得到轉移的石墨烯薄膜。
6.如權利要求5所述的轉移方法,其特征在于,在步驟5)中,烘烤溫度60°C 120°C,時間20 40分鐘。
7.如權利要求5所述的轉移方法,其特征在于,所述制備方法進一步包括在步驟4)后,利用萬用表判定石墨烯膠膜是否導通良好,用兩個標筆分別點在石墨烯膠膜的兩端上,不好則重復以上步驟重新制備。
8.如權利要求5所述的轉移方法,其特征在于,在步驟5中,所述溶劑采用乙醇或丙酮溶液。
9.一種石墨烯膠膜,其特征在于,所述石墨烯膠膜包括聚乙烯醇縮醛膠;及在所述聚乙烯醇縮醛膠之上的石墨烯薄膜。
10.如權利要求9所述的石墨烯膠膜,其特征在于,所述聚乙烯醇縮醛膠包括聚乙烯醇縮甲醛PVF膠和聚乙烯醇縮丁醛PVB膠等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石墨烯膠膜及其制備方法和石墨烯的轉移方法。本發(fā)明采用在基底上生長好的石墨烯薄膜上旋涂聚乙烯醇縮醛膠,制備得到大面積、低缺陷的自支撐的透明石墨烯膠膜,可以進行大面積、定向的轉移,操作簡單,要求條件寬松,經(jīng)過拉曼光譜、電學、磁學測量等方法可以證明該方法可以高質(zhì)量的石墨烯,并可以轉移得到大面積低缺陷的石墨烯薄膜,得到標準的石墨烯特征曲線。本發(fā)明的方法制備得到的石墨烯膠膜存儲和轉移都方便快捷,也可以快速測量石墨烯的性能,步驟簡單快捷,轉移成本低,不僅適用于手動裁剪,也適用于大規(guī)模機器自動剪成,同時仍可保證石墨烯薄膜的高質(zhì)量,可以極大促進石墨烯材料的應用和推廣。
文檔編號C01B31/04GK103011146SQ201210575850
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權日2012年12月26日
發(fā)明者張焱, 魏玉科, 馮慶榮, 甘子釗 申請人:北京大學