[发明专利]一种电化学气体鼓泡转移大面积石墨烯的方法

说明书

技术领域:

本发明涉及石墨烯的转移技术，具体为一种电化学气体鼓泡转移大面积石墨烯的方法。

背景技术:

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶体结构，是构建其他维数炭材料(零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本结构单元。石墨烯独特的晶体结构使它具有优异的电学、热学和力学性能，如室温下其电子迁移率高达200,000cm²/V·s，热导率高达5300W/m·k，可望在多功能纳电子器件、透明导电膜、复合材料、催化材料、储能材料、场发射材料、气体传感器及气体存储等领域获得广泛应用。为了综合利用石墨烯的众多优异特性，高质量石墨烯的制备及将石墨烯转移到特定基体上变得至关重要。

自2004年英国曼彻斯特大学的研究组采用胶带剥离法(或微机械剥离法)首次分离获得稳定存在的石墨烯后，很多制备石墨烯的方法陆续被发展起来，包括化学氧化剥离法、析出生长法和化学气相沉积(CVD)法。由于相对简单的制备过程，且产量较大，化学氧化剥离法制得的石墨烯已经被广泛用于复合材料、柔性透明导电薄膜以及储能电极材料等。但是，化学剥离石墨烯的质量较差，存在大量结构缺陷，而且难以控制石墨烯的尺寸和层数等结构特征。CVD方法是目前可控制备大面积、高质量石墨烯的主要方法。通过控制温度、碳源和压力等制备条件，可以实现在多种基体材料表面(金属和非金属)生长出大面积、高质量的石墨烯。对于石墨烯的表征、物性测量以及应用研究而言，通常需要将石墨烯放置在除制备基体之外的特定基体上，并希望在转移过程中大面积、高质量的石墨烯不产生破损。因此，发展大面积、高质量石墨烯的无损转移方法对于推动石墨烯材料的研究乃至应用具有重要的作用和意义。

为了降低石墨烯的转移成本，可采用基体无损转移法，主要包括直接转移法与电化学气体鼓泡剥离法。前者利用与石墨烯结合力较强的转移介质(如：胶带、粘结剂等)将石墨烯直接从基体表面剥离下来。该方法无需损耗基体材料，也不采用具有腐蚀性和污染性的化学试剂。但是，该方法易于造成石墨烯的破损，因此无法实现大面积石墨烯的无损转移。后者在石墨烯表面涂覆转移介质后，利用电解过程中产生的气泡的推动作用及气体插层作用将石墨烯与初始基体无损剥离。该过程对石墨烯及其初始基体均无任何破坏和损耗，并且操作简便、速度快、易于调控、无金属蚀刻剂的污染。

然而，目前该方法转移石墨烯多使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜等聚合物作为转移介质，实现石墨烯向任意目标基体的转移。但是，在转移大面积石墨烯的过程中PMMA薄膜容易破损，从而破坏石墨烯的结构完整性。因此，目前亟需发展针对大面积石墨烯向任意目标基体转移的电化学气体鼓泡转移技术。

发明内容:

本发明的目的在于提供一种基于电化学气体鼓泡剥离原理转移大面积石墨烯的方法，可将大面积石墨烯无损地转移到任意目标基体上。

本发明的技术方案是：

一种电化学气体鼓泡转移大面积石墨烯的方法，该方法基于电化学气体鼓泡剥离的原理实现大面积石墨烯的转移；首先在位于初始基体的大面积石墨烯表面形成界面层，界面层与石墨烯表面形成致密结合并在电解液中具有稳定性；然后在界面层表面形成转移介质层，转移介质层与界面层之间的结合力大于电化学气体鼓泡的剥离力；与初始基体电化学气体鼓泡剥离后，将“石墨烯/界面层/转移介质”复合膜的石墨烯表面与目标基体结合；再将界面层从石墨烯表面剥离，实现石墨烯到目标基体的转移；重复上述步骤，转移多层石墨烯。

所述的电化学气体鼓泡转移大面积石墨烯的方法，石墨烯为采用化学气相沉积方法生长的石墨烯或析出方法生长的石墨烯，位于初始基体的石墨烯的平均层数为单层、双层、少层或多层，层数小于50层。

所述的电化学气体鼓泡转移大面积石墨烯的方法，初始基体为Pt、Ni、Cu、Co、Ir、Ru、Au、Ag、Fe、Mo金属或其合金之一或两种以上的复合材料；或者，初始基体为碳化钛、碳化钼、碳化锆、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钨之一或两种以上的复合材料；或者，初始基体为Si、SiO₂、Al₂O₃半导体之一或两种以上复合；或者，初始基体为导体与半导体两者的复合材料。

所述的电化学气体鼓泡转移大面积石墨烯的方法，在石墨烯表面形成界面层和转移介质的方法包括涂覆、贴合、沉积之一种或两种以上。