專利名稱：一種石墨烯薄膜的襯底轉(zhuǎn)移方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜的襯底轉(zhuǎn)移方法，尤其涉及一種石墨烯薄膜的襯底轉(zhuǎn)移方法，屬于半導(dǎo)體薄膜領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
2004年，英國曼徹斯特大學(xué)Geim教授首次制備出石墨烯(Graphene)。石墨烯是由單層碳原子組成的六方蜂巢狀二維結(jié)構(gòu)。石墨烯薄膜室溫下本征電子遷移率可達(dá)200000cm2/Vs，且具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)。石墨烯的優(yōu)異的性能，使其在太赫茲電子器件等領(lǐng)域具有巨大、潛在的應(yīng)用性能，使得石墨烯薄膜具有重大意義，甚至有預(yù)言石墨烯薄膜將最終取代硅。然而要實現(xiàn)這些潛在應(yīng)用的前提條件是能夠制備大面積、低成本的石墨烯薄膜?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)法是最重要的制備大面積石墨烯薄膜的方法之一，其工藝簡單、成本低廉。但是CVD技術(shù)制備的石墨烯薄膜通常附著在金屬催化劑層表面，不利于石墨烯電子器件的制備，在使用前需要先將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到合適的襯底材料上，如果操作不小心會對石墨烯薄膜產(chǎn)生較大的損傷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對CVD技術(shù)制備的石墨烯薄膜通常附著在金屬催化劑層表面，不利于石墨烯電子器件的制備，在使用前需要先將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到合適的襯底材料上，如果操作不小心會對石墨烯薄膜產(chǎn)生較大的損傷的不足，提供一種石墨烯薄膜的襯底轉(zhuǎn)移方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下一種石墨烯薄膜的襯底轉(zhuǎn)移方法包括以下步驟
步驟1 在石墨烯薄膜表面旋涂一層有機(jī)膠體形成有機(jī)膠體層，所述石墨烯薄膜生長在具有金屬催化劑層的基片材料上；
步驟2 將表面旋涂有機(jī)膠體層的石墨烯薄膜在80°C 185°C下烘干堅膜1分鐘 1小
時；
步驟3 在烘干堅膜后的石墨烯薄膜的有機(jī)膠體層的表面上粘附一層膠帶形成膠帶層，所述膠帶層的兩端未粘附在有機(jī)膠體層上；
步驟4 將粘附有膠帶層的石墨烯薄膜浸入腐蝕溶液中；
步驟5 在腐蝕溶液中將膠帶層夾起，被夾起的膠帶層會將粘附的有機(jī)膠體層、石墨烯薄膜以及金屬催化劑層一并從基片材料上分離，在分離后，金屬催化劑層由于完全暴露在腐蝕溶液中會迅速反應(yīng)腐蝕掉；
步驟6 在金屬催化劑層被腐蝕溶液完全腐蝕掉后，從腐蝕液中夾出膠帶層及其粘附的有機(jī)膠體層和石墨烯薄膜，轉(zhuǎn)移到去離子水中反復(fù)清洗，直至去除其上殘留的腐蝕溶液；
步驟7 將經(jīng)清洗后的膠帶層及其粘附的有機(jī)膠體層和石墨烯薄膜均勻鋪展在目標(biāo)襯底上，利用未粘附在有機(jī)膠體層上的膠帶層將石墨烯薄膜固定在目標(biāo)襯底上，使石墨烯薄膜向下，面向目標(biāo)襯底，膠帶層在上，使石墨烯薄膜與目標(biāo)襯底緊貼在一起，然后在50°C 95°C下烘干直至膠帶層、有機(jī)膠體層和石墨烯薄膜上吸附的水分完全蒸發(fā)；步驟8 去除膠帶層，使石墨烯薄膜上只存在有機(jī)膠體層；
步驟9 將目標(biāo)襯底及其上邊的石墨烯薄膜和有機(jī)膠體層放入去膠溶液中浸泡，去除石墨烯薄膜表面的有機(jī)膠體層，最終得到轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底表面的石墨烯薄膜。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。進(jìn)一步，所述步驟1中的金屬催化劑層的成分為鎳或者銅。進(jìn)一步，所述步驟1中使用的有機(jī)膠體為光刻膠、電子刻蝕膠或者聚二甲基硅氧烷(PDMS)。進(jìn)一步，所述步驟3中使用的膠帶為紫外線膠帶或者熱釋放膠帶。進(jìn)一步，所述步驟3中膠帶層將整個有機(jī)膠體層的表面完全覆蓋。進(jìn)一步，所述步驟4中使用的腐蝕溶液為三氯化鐵溶液、硝酸鐵溶液、氫氟酸溶液、硝酸溶液或者鹽酸溶液。 所述腐蝕溶液要求對金屬催化劑層有腐蝕作用。進(jìn)一步，所述步驟7中使用的目標(biāo)襯底為半導(dǎo)體襯底、氧化物襯底、塑料襯底或者有機(jī)玻璃襯底。進(jìn)一步，當(dāng)膠帶為紫外線膠帶時，所述步驟8中使用的去除膠帶的方法為紫外線照射。進(jìn)一步，當(dāng)膠帶為熱釋放膠帶時，所述步驟8中使用的去除膠帶的方法為加熱。進(jìn)一步，所述步驟9中使用的去膠溶液為丙酮、乙醇或者異丙醇。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明石墨烯薄膜的襯底轉(zhuǎn)移方法簡單易行，可以方便地將大面積石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到任意襯底材料上，且不會產(chǎn)生較大損傷；轉(zhuǎn)移面積大，工藝步驟簡單，操作方便，可與半導(dǎo)體工藝結(jié)合用于制備石墨烯半導(dǎo)體器件。本發(fā)明石墨烯薄膜的襯底轉(zhuǎn)移方法中如果不使用膠帶層，會存在以下三個問題1、有機(jī)膠體如果使用薄膠(厚度〈lMffl)，腐蝕溶液會透過有機(jī)膠體層中的縫隙到達(dá)金屬
催化劑層表面，在金屬催化劑層表面反應(yīng)，生成氣體，破壞有機(jī)膠體層，最終使有機(jī)膠體層溶解在腐蝕液中，失去有機(jī)膠體層的保護(hù)和固定作用。2、有機(jī)膠體如果使用厚膠(厚度>lMffl)，雖然能對石墨烯和金屬催化劑層表面起到良好的保護(hù)作用，但是腐蝕溶液只能通過側(cè)面鉆蝕與金屬催化劑層反應(yīng)，這樣，反應(yīng)速率非常慢，且反應(yīng)完成后，有機(jī)膠體層會附著在基片材料上，而不是懸浮在腐蝕溶液中，難以與基片材料分離。3、受到有機(jī)膠體本身較弱機(jī)械強(qiáng)度的限制，在轉(zhuǎn)移過程中，有機(jī)膠體層極易斷裂，難以保證石墨烯的完全轉(zhuǎn)移。本發(fā)明石墨烯薄膜的襯底轉(zhuǎn)移方法在轉(zhuǎn)移過程中使用膠帶，則很好的解決了轉(zhuǎn)移過程中的上述問題，膠帶的使用使得轉(zhuǎn)移工藝對有機(jī)膠體的厚度不再敏感，由于膠帶層完全覆蓋保護(hù)了整個有機(jī)膠體層區(qū)域，所以腐蝕液不能從正面穿過有機(jī)膠體層到達(dá)金屬催化劑層表面，避免了反應(yīng)生成氣體對有機(jī)膠體層的破壞；由于膠帶良好的柔韌性和機(jī)械性能，可以在溶液中借助外力輕易地實現(xiàn)金屬催化劑層與基片材料的分離，在金屬催化劑層與基底片分離后，金屬催化劑層充分暴露在腐蝕液中，迅速與腐蝕液反應(yīng)，極大地提高了反應(yīng)速率；膠帶層相對有機(jī)膠體層更強(qiáng)的機(jī)械性能降低了石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移過程中對操作人員的工藝要求，使石墨烯的完全轉(zhuǎn)移更加容易實現(xiàn)；同時膠帶的易去除性保證了膠帶的使用不會增加工藝的復(fù)雜度、引入新的污染。


圖1為本發(fā)明實施例石墨烯薄膜的襯底轉(zhuǎn)移方法的流程圖；圖2為本發(fā)明實施例1石墨烯薄膜的襯底轉(zhuǎn)移過程的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例1附著在鎳基片上的石墨烯薄膜的光學(xué)照片；
圖4為本發(fā)明實施例1將石墨烯薄膜從鎳基片上轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅襯底材料表面上的光學(xué)相片；
圖5為本發(fā)明實施例1將石墨烯薄膜從鎳基片上轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅襯底材料表面上的拉曼光譜。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。圖1為本發(fā)明實施例石墨烯薄膜的襯底轉(zhuǎn)移方法的流程圖。如圖1所示，所述襯底轉(zhuǎn)移方法包括以下步驟
步驟1 在石墨烯薄膜表面旋涂一層有機(jī)膠體形成有機(jī)膠體層，所述石墨烯薄膜生長在具有金屬催化劑層的基片材料上。步驟2 將表面旋涂有機(jī)膠體層的石墨烯薄膜在80°C 185°C下烘干堅膜1分鐘 1小時，使用熱板烘干需要的時間較短，使用烘箱烘干的時間較長。步驟3 在烘干堅膜后的石墨烯薄膜的有機(jī)膠體層的表面上粘附一層膠帶形成膠帶層，所述膠帶層的兩端分別延伸出石墨烯薄膜和有機(jī)膠體層的兩端，即膠帶層的兩端未粘附在有機(jī)膠體層上。步驟4 將粘附有膠帶層的石墨烯薄膜浸入腐蝕溶液中。步驟5 在腐蝕溶液中將膠帶層夾起，被夾起的膠帶層會將粘附的有機(jī)膠體層、石墨烯薄膜以及金屬催化劑層一并從基片材料上分離，在分離后，金屬催化劑層由于完全暴露在腐蝕溶液中會迅速反應(yīng)腐蝕掉。步驟6 在金屬催化劑層被腐蝕溶液完全腐蝕掉后，從腐蝕液中夾出膠帶層及其粘附的有機(jī)膠體層和石墨烯薄膜，轉(zhuǎn)移到去離子水中反復(fù)清洗，直至去除其上殘留的腐蝕溶液。步驟7 將經(jīng)清洗后的膠帶層及其粘附的有機(jī)膠體層和石墨烯薄膜均勻鋪展在目標(biāo)襯底上，利用未粘附在有機(jī)膠體層上的膠帶層將石墨烯薄膜固定在目標(biāo)襯底上，使石墨烯薄膜向下，面向目標(biāo)襯底，膠帶層在上，使石墨烯薄膜與目標(biāo)襯底緊貼在一起，然后在50°C 95°C下烘干直至膠帶層、有機(jī)膠體層和石墨烯薄膜上吸附的水分完全蒸發(fā)，由于石墨烯薄膜和有機(jī)膠體層的部分很薄，只有Ium左右，所以延伸出石墨烯薄膜和有機(jī)膠體層兩端的膠帶層自然會落在目標(biāo)襯底上，再通過按壓，趕走石墨烯薄膜內(nèi)的氣泡并將其固定在目標(biāo)襯底上。步驟8 根據(jù)膠帶的去除要求去除膠帶層，使石墨烯薄膜上只存在有機(jī)膠體層。步驟9 將目標(biāo)襯底及其上邊的石墨烯薄膜和有機(jī)膠體層放入去膠溶液中浸泡，去除石墨烯薄膜表面的有機(jī)膠體層，最終得到轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底表面的石墨烯薄膜。實施例1 將金屬鎳基片上的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅襯底材料表面上。圖2為本發(fā)明實施例1石墨烯薄膜的襯底轉(zhuǎn)移過程的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，首先在用鎳101作催化劑的CVD制備的石墨烯薄膜102表面上旋涂光刻膠9912，如圖3所示為附著在鎳基片上的石墨烯薄膜的光學(xué)照片，旋涂條件4000轉(zhuǎn)、1分鐘，在115°C溫度條件下，烘焙2分鐘堅膜；然后在膠體103表面貼附一層熱釋放膠帶104，要求熱釋放膠帶完全覆蓋有機(jī)膠體表面；再將其浸泡在0. 5mol/L的三氯化鐵水溶液105中，在溶液中，用鑷子夾住膠帶一角輕輕撕拽，膠帶會連接膠體、石墨烯和鎳層與原基底層100脫落分離，脫落后，鎳層迅速反應(yīng)、被腐蝕掉；待鎳層完全去除后，將膠帶粘附的膠體以及石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到去離子水中反復(fù)清洗，以去除殘留的腐蝕溶液；然后將膠帶及其粘附的膠體、石墨烯薄膜均勻鋪展在二氧化硅/硅目標(biāo)襯底106材料表面上，并利用未粘附在有機(jī)膠體層上的膠帶層將石墨烯薄膜固定在目標(biāo)襯底上，石墨烯薄膜向下，與襯底緊密貼合，膠帶在最上方；然后在95°C溫度條件下烘焙5分鐘，熱釋放膠帶自然脫落，同時石墨烯薄膜與襯底緊密貼合；最后采用丙酮107浸泡，直到光刻膠完全溶解，得到轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底表面上的石墨烯薄膜。圖4為轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅襯底材料表面上石墨烯的光學(xué)相片，由圖4可見，通過該方法轉(zhuǎn)移的石墨烯薄膜完整、均勻，且損傷較小。觀測轉(zhuǎn)移后石墨烯薄膜的拉曼光譜，如圖5所示，可見轉(zhuǎn)移襯底石墨烯的拉曼光譜符合石墨烯的典型拉曼光譜特征，說明石墨烯薄膜襯底轉(zhuǎn)移成功。實施例2 將在金屬鎳上的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到塑料襯底上。具體步驟與實施例1類似，但采用的目標(biāo)襯底為塑料襯底，同樣可以將石墨烯薄膜成功轉(zhuǎn)移到塑料襯底上。實施例3 將在金屬銅上的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅襯底上。具體步驟與實施例1類似，但CVD生長石墨烯的金屬催化劑層為銅，腐蝕液為硝酸鐵溶液，同樣可以將石墨烯薄膜成功轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅襯底上。實施例4 將在金屬鎳上的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅襯底上。具體步驟與實施例1類似，但有機(jī)膠體采用AZ5214，同樣可以將石墨烯薄膜成功轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅襯底上。實施例5 將在金屬鎳上的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅襯底上。具體步驟與實施例1類似，但有機(jī)膠體采用PMMA，同樣可以將石墨烯薄膜成功轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅襯底上。實施例6 將在金屬鎳上的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅襯底上。具體步驟與實施例1類似，但有機(jī)膠體采用PDMS，同樣可以將石墨烯薄膜成功轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅襯底上。實施例7 將在金屬鎳上的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅襯底上。具體步驟與實施例1類似，但金屬腐蝕液使用鹽酸，同樣可以將石墨烯薄膜成功轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅襯底上。
實施例8 將在金屬鎳上的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅目標(biāo)襯底上。具體步驟與實施例1類似，但特殊膠帶使用紫外線膠帶，去膠帶條件變?yōu)樽贤饩€照射膠帶，膠帶自然脫落，同樣可以將石墨烯薄膜成功轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅襯底上。本發(fā)明由國家科技重大專項資助，項目編號2011ZX02707。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯薄膜的襯底轉(zhuǎn)移方法，其特征在于，所述襯底轉(zhuǎn)移方法包括以下步驟步驟1 在石墨烯薄膜表面旋涂一層有機(jī)膠體形成有機(jī)膠體層，所述石墨烯薄膜生長在具有金屬催化劑層的基片材料上；步驟2 將表面旋涂有機(jī)膠體層的石墨烯薄膜在80°C 185°C下烘干堅膜1分鐘 1小時；步驟3 在烘干堅膜后的石墨烯薄膜的有機(jī)膠體層的表面上粘附一層膠帶形成膠帶層，所述膠帶層的兩端未粘附在有機(jī)膠體層上；步驟4 將粘附有膠帶層的石墨烯薄膜浸入腐蝕溶液中；步驟5 在腐蝕溶液中將膠帶層夾起，被夾起的膠帶層會將粘附的有機(jī)膠體層、石墨烯薄膜以及金屬催化劑層一并從基片材料上分離；步驟6 在金屬催化劑層被腐蝕溶液完全腐蝕掉后，從腐蝕液中夾出膠帶層及其粘附的有機(jī)膠體層和石墨烯薄膜，轉(zhuǎn)移到去離子水中反復(fù)清洗，直至去除其上殘留的腐蝕溶液；步驟7 將經(jīng)清洗后的膠帶層及其粘附的有機(jī)膠體層和石墨烯薄膜均勻鋪展在目標(biāo)襯底上，利用未粘附在有機(jī)膠體層上的膠帶層將石墨烯薄膜固定在目標(biāo)襯底上，使石墨烯薄膜向下，面向目標(biāo)襯底，膠帶層在上，使石墨烯薄膜與目標(biāo)襯底緊貼在一起，然后在50°C 95°C下烘干直至膠帶層、有機(jī)膠體層和石墨烯薄膜上吸附的水分完全蒸發(fā)；步驟8 去除膠帶層，使石墨烯薄膜上只存在有機(jī)膠體層；步驟9 將目標(biāo)襯底及其上邊的石墨烯薄膜和有機(jī)膠體層放入去膠溶液中浸泡，去除石墨烯薄膜表面的有機(jī)膠體層，最終得到轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底表面的石墨烯薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移方法，其特征在于，所述步驟1中的金屬催化劑層的成分為鎳或者銅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移方法，其特征在于，所述步驟1中使用的有機(jī)膠體為光刻膠、電子刻蝕膠或者聚二甲基硅氧烷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移方法，其特征在于，所述步驟3中使用的膠帶為紫外線膠帶或者熱釋放膠帶。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移方法，其特征在于，所述步驟3中膠帶層將整個有機(jī)膠體層的表面完全覆蓋。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移方法，其特征在于，所述步驟4中使用的腐蝕溶液為三氯化鐵溶液、硝酸鐵溶液、氫氟酸溶液、硝酸溶液或者鹽酸溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移方法，其特征在于，所述步驟7中使用的目標(biāo)襯底為半導(dǎo)體襯底、氧化物襯底、塑料襯底或者有機(jī)玻璃襯底。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移方法，其特征在于，當(dāng)膠帶為紫外線膠帶時，所述步驟8中使用的去除膠帶的方法為紫外線照射。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移方法，其特征在于，當(dāng)膠帶為熱釋放膠帶時，所述步驟8中使用的去除膠帶的方法為加熱。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移方法，其特征在于，所述步驟9中使用的去膠溶液為丙酮、乙醇或者異丙醇。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種石墨烯薄膜的襯底轉(zhuǎn)移方法，屬于半導(dǎo)體薄膜領(lǐng)域。所述襯底轉(zhuǎn)移方法包括將有機(jī)膠體旋涂在石墨烯薄膜的表面并烘干堅膜，在有機(jī)膠體表面貼附膠帶，隨后將膠帶粘附的基片材料放入腐蝕溶液中腐蝕石墨烯薄膜下的金屬催化劑層，待腐蝕完成后，從溶液中撈出膠帶及其粘附的有機(jī)膠體和石墨烯薄膜，均勻鋪展在目標(biāo)襯底上，用相應(yīng)方法去除膠帶后，溶解掉有機(jī)膠體而最終完成石墨烯薄膜到目標(biāo)襯底的轉(zhuǎn)移。本發(fā)明石墨烯薄膜的襯底轉(zhuǎn)移方法簡單易行，可以方便地將大面積石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到任意襯底材料上，且不會產(chǎn)生較大損傷；轉(zhuǎn)移面積大，工藝步驟簡單，操作方便，可與半導(dǎo)體工藝結(jié)合用于制備石墨烯半導(dǎo)體器件。
文檔編號H01L21/02GK102592964SQ201110002388
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月7日
發(fā)明者王顯泰, 郭建楠, 金智, 麻芃 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所