一种批量转移石墨烯至载网铜衬底的装置及方法与流程

本发明涉及石墨烯技术领域，特别涉及一种批量转移石墨烯至载网铜衬底的装置及方法。

背景技术：

由碳原子以sp²杂化形成正六角形的石墨烯二维材料，是一种零带隙结构半导体材料，具有高导电性（理论电子迁移速率~200000cm²/v.s）、高导热性（理论热导率~5000w/m.k）、低吸光率（~2.3%）、高比表面积（~2630m²/g）等优异性能，在集成电路、功能材料、显示器件、传感器等领域存在巨大的应用前景和商业价值。

目前，石墨烯制备的方法有：物理剥离法、外延生长法、氧化石墨烯还原法、金属催化外延生长法、化学气相沉积法等多种制备方法；化学气相沉积法被认为是最有前途的制备单层石墨烯的方法，其原理是在高温氛围下，碳氢化合物（甲烷、乙烯）在过渡金属（cu、ni）表面热催化反应生成单层或少层石墨烯，目前在铜箔上制备石墨烯的工艺较为成熟；铜箔上制备的石墨烯可通过溶液刻蚀过程除去金属铜衬底，实现金属生长衬底与石墨烯的分离，这有利于后续对石墨烯在不同衬底上的转移、加工和应用。

石墨烯转移技术是一种将石墨烯从生长衬底转移至目的负载衬底的一种物理转移技术；批量或巨量石墨烯转移技术的成熟与否决定了后续石墨烯在各个领域的规模化应用能否成功，所以批量石墨烯转移技术至关重要；目前，石墨烯转移技术领域仍缺乏成熟的批量转移石墨烯的方法。

技术实现要素：

本发明针对上述市场需求而提供一种批量转移石墨烯至载网铜衬底的装置及方法。

本发明的技术方案是这样的：

一种批量转移石墨烯至载网铜衬底的装置，包括负载盘及负载盘底座；所述负载盘具有矩阵排列（线性矩阵或圆周矩阵）或无规则排布的载网铜衬底负载孔，所述负载孔的下部设置有与该负载孔同轴、直径小于负载孔、贯通负载盘的导出孔；所述负载盘底座设置有与导出孔等量、同轴且相互匹配的支撑柱。

作为优选，所述负载盘与所述负载盘底座贴合时，支撑柱穿过导出孔和负载孔，支撑柱的顶面高出负载盘的负载面0.2-0.5mm，用于推出负载孔内的载网铜衬底。

作为优选，所述负载孔为圆形，负载孔直径为(d+0.1)-（3/2d），其中d为载网铜衬底的直径，当圆形载网铜衬底直径d=3mm，则负载孔直径为3.1-4.5mm。

作为优选，所述负载孔深度为0.5-5mm。

作为优选，所述导出孔为圆形，导出孔直径为（d-0.2）-（1/2d），其中d为载网铜衬底的直径，当载网铜衬底的直径d=3mm，则导出孔直径为2.8-1.5mm。

作为优选，负载盘上设置有若干支架孔，支架孔贯穿负载盘，所述支架孔直径不小于3mm，支架孔距离负载盘边缘不小于2mm。

作为优选，所述负载盘的两侧对称设置有两个支撑脚，支撑脚位于负载盘背面，呈半圆形状，每一支撑脚的底面积不小于0.5cm²。

作为优选，所述负载盘底座设置有与负载盘支撑脚相互匹配的卡位。

作为优选，所述负载盘和所述负载盘底座均采用耐酸碱材料（聚四氟乙烯或石英玻璃）制作。

一种批量转移石墨烯至载网铜衬底的方法，包括如下步骤：

s1.通过cvd法在生长有石墨烯的铜箔表面旋涂浓度为1%-10%的pmma溶液，旋涂分低速和高速旋涂两个阶段，低速旋涂速度为500-2000转/s，高速旋涂速度为2000-5000转/s；

s2.将旋涂pmma后的铜箔放在加热平台固化，固化温度为50-180℃，固化时间为3-10min；

s3.经过加热固化获得pmma/石墨烯/cu样品，使用浓度为0.1-1.5m的刻蚀溶液（过硫酸氨或三氯化铁等刻蚀溶液中的一种）进行预蚀刻，以2-6min为一个刻蚀周期，预刻蚀2-4个周期，每个周期结束后使用去离子水对预刻蚀面进行缓慢冲刷，去除刻蚀面存在的石墨烯层；

s4.预刻蚀结束后的pmma/石墨烯/cu样品，使用浓度为0.1-1.5m的刻蚀溶液（过硫酸氨或三氯化铁）进行蚀刻，去除铜箔，获得pmma/石墨烯薄膜；

s5.将步骤s4获得的石墨烯/pmma薄膜使用含有2%-15%的异丙醇或乙醇等表面活性剂的去离子水进行漂洗；漂洗结束后通过控制水位下降或者使用辅助器具（负载盘支架、镊子）使石墨烯/pmma薄膜负载在放置有载网铜衬底的负载盘表面；其中使用的异丙醇、乙醇等表面活性剂目的在于降低去离子水的表面张力，便于后续转移工作的推进；

s6.通过负载盘底座支撑柱将放置在负载孔内的载网铜衬底推出，使载网铜衬底与石墨烯/pmma薄膜密切贴触；自然晾干或在80-150℃加热平台烘干后，获得的pmma/石墨烯/载网铜衬底样品；

s7.将步骤6获得的pmma/石墨烯/载网铜衬底样品倒扣在负载盘的载网铜衬底负载孔内，使用在70-150℃下获得的丙酮蒸汽在0.5-3h内将pmma/石墨烯/载网铜衬底样品上的pmma薄膜去除；丙酮蒸汽去除pmma薄膜后，再使用在70-150℃下获得的异丙醇蒸汽在0.5-3h内去除样品表面残存的丙酮，剩下石墨烯附着在载网铜衬底上。

与现有石墨烯转移技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种批量转移石墨烯至载网铜衬底的方法和装置可实现石墨烯在载网铜衬底上批量转移；

2、本发明提供的一种批量转移石墨烯至载网铜衬底的方法装置可实现在不同衬底上批量转移石墨烯；

3、本发明提供的一种批量转移石墨烯至载网铜衬底的方法和装置工艺原理简单，操作简便，可根据实际需求对转移工艺和装置进行修改设计。

附图说明

图1为一种批量转移石墨烯至载网铜衬底装置的负载盘与负载盘底座装配三维图。

图2为一种批量转移石墨烯至载网铜衬底装置的负载盘正面结构示意图。

图3为一种批量转移石墨烯至载网铜衬底装置的负载盘背面结构示意图。

图4为一种批量转移石墨烯至载网铜衬底装置的负载盘底座结构示意图。

具体实施方式

以下结合图1、图2、图3、图4详细说明本发明的具体实施方式。

实施例1：

如图1、图2、图3、图4所示，一种批量转移石墨烯至载网铜衬底的装置，包括由聚四氟乙烯制作的负载盘1及负载盘底座2；所述负载盘1具有矩阵排列（线性矩阵或圆周矩阵）或无规则排布的载网铜衬底负载孔3，所述负载孔3的下部设置有与该负载孔同轴、直径小于负载孔3、贯通负载盘1的导出孔4；所述负载盘底座2设置有与导出孔4等量、同轴且相互匹配的支撑柱5。

负载盘1与负载盘底座2贴合时，支撑柱5穿过导出孔4和负载孔3，支撑柱5的顶面高出负载盘1的负载面6为0.2mm，用于推出负载孔3内的载网铜衬底。

所使用的载网铜衬底为直径3mm的微栅铜网。

负载孔3为圆形，负载孔3直径为(d+0.1)，其中d为载网铜衬底的直径，当圆形载网铜衬底直径d=3mm，则负载孔3直径为3.1mm。

负载孔3和导出孔4也可以为其他形状，例如椭圆形。

负载孔3深度为0.6mm。

导出孔4为圆形，导出孔4直径为（d-0.2），其中d为载网铜衬底的直径，当载网铜衬底的直径d=3mm，则导出孔4直径为2.8mm。

负载盘1上设置有若干支架孔8，支架孔8贯穿负载盘1，所述支架孔8直径4mm，支架孔8距离负载盘1边缘3mm；支架孔8主要用于支架、镊子等辅助工具对负载盘1进行移动。

负载盘1的两侧对称设置有两个支撑脚7，支撑脚7位于负载盘1背面，呈半圆形状，每一支撑脚7的底面积0.6cm²；支撑脚7主要起支撑负载盘1作用。

负载盘底座2设置有与负载盘支撑脚相互匹配的卡位9。

实施例2：

如图1、图2、图3、图4所示，一种批量转移石墨烯至载网铜衬底的装置，包括由石英玻璃制作的负载盘1及负载盘底座2；所述负载盘1具有矩阵排列（线性矩阵或圆周矩阵）或无规则排布的载网铜衬底负载孔3，所述负载孔3的下部设置有与该负载孔3同轴、直径小于负载孔3、贯通负载盘1的导出孔4；所述负载盘底座2设置有与导出孔4等量、同轴且相互匹配的支撑柱5。

作为优选，所述负载盘1与所述负载盘底座2贴合时，支撑柱5穿过导出孔4和负载孔3，支撑柱5的顶面高出负载盘1的负载面0.5mm，用于推出负载孔3内的载网铜衬底。

所使用的载网铜衬底为直径3mm的微栅铜网。

负载孔3为圆形，负载孔3直径为（3/2d），其中d为载网铜衬底的直径，当圆形载网铜衬底直径d=3mm，则负载孔3直径为4.5mm。

负载孔3和导出孔4也可以为其他形状，例如椭圆形。

负载孔3深度为5mm。

导出孔4为圆形，导出孔4直径为（1/2d），其中d为载网铜衬底的直径，当载网铜衬底的直径d=3mm，则导出孔4直径为1.5mm。

负载盘1上设置有若干支架孔8，支架孔8贯穿负载盘1，所述支架孔8直径4mm，支架孔8距离负载盘1边缘3mm；支架孔8主要用于支架、镊子等辅助工具对负载盘1进行移动。

负载盘1的两侧对称设置有两个支撑脚7，支撑脚7位于负载盘1背面，呈半圆形状，每一支撑脚7的底面积0.6cm²；支撑脚7主要起支撑负载盘1作用。

负载盘底座2设置有与负载盘1支撑脚7相互匹配的卡位9。

实施例3：

如图1、图2、图3、图4所示，一种批量转移石墨烯至载网铜衬底的装置，包括由聚四氟乙烯制作的负载盘1及负载盘底座2；所述负载盘1具有矩阵排列（线性矩阵或圆周矩阵）或无规则排布的载网铜衬底负载孔3，所述负载孔3的下部设置有与该负载孔3同轴、直径小于负载孔3、贯通负载盘1的导出孔4；所述负载盘底座2设置有与导出孔4等量、同轴且相互匹配的支撑柱5。

负载盘1与所述负载盘底座2贴合时，支撑柱5穿过导出孔4和负载孔3，支撑柱5的顶面高出负载盘1的负载面0.3mm，用于推出负载孔3内的载网铜衬底。

所使用的载网铜衬底为直径3mm的微栅铜网。

负载孔3为圆形，负载孔3直径为(d+0.4)，其中d为载网铜衬底的直径，当圆形载网铜衬底直径d=3mm，则负载孔3直径为3.4mm。

负载孔3和导出孔4也可以为其他形状，例如椭圆形。

负载孔3深度为0.8mm。

导出孔4为圆形，导出孔4直径为（d-0.2），其中d为载网铜衬底的直径，当载网铜衬底的直径d=3mm，则导出孔4直径为2.8mm；与之匹配的支撑柱5直径为2.5mm。

负载盘1上设置有若干支架孔8，支架孔8贯穿负载盘1，所述支架孔8直径4mm，支架孔8距离负载盘1边缘3mm；支架孔8主要用于支架、镊子等辅助工具对负载盘1进行移动。

负载盘1的两侧对称设置有两个支撑脚7，支撑脚7位于负载盘1背面，呈半圆形状，每一支撑脚7的底面积不小于0.6cm²；支撑脚7主要起支撑负载盘1作用。

负载盘底座2设置有与负载盘1支撑脚7相互匹配的卡位9。

实施例4：

利用实施例1、实施例2、实施例3的装置按下面的方法可以批量转移石墨烯至载网铜衬底。

使用胶带将平坦的生长有石墨烯的铜箔（4cm2）平稳的贴附在涂胶基底上，其目的在于避免铜箔涂胶过程铜箔吸附不稳和破损。

使用质量分数为4的pmma（聚甲基丙烯酸甲酯）溶液在铜箔表面进行旋涂，旋涂分低速旋涂（900转/s，10s）和高速旋涂（3000转/s，30秒）两个阶段，旋涂2次；旋涂后的铜箔在去除涂胶基底后，放在150℃的加热平台加热3min，实现pmma薄膜固化，获得pmma/石墨烯/铜箔样品。

获得的pmma/石墨烯/铜箔样品在1m的过硫酸氨溶液中预蚀刻，预腐蚀结束后使用去离子水冲刷预蚀刻箔底部，去除背部（没涂胶面）铜箔上的石墨烯，预蚀刻以5min为一个周期，预蚀刻重复2次，然后在过硫酸氨溶液中通过溶液刻蚀法去除铜箔，实现石墨烯与铜箔的分离，获得pmma/石墨烯薄膜。

将pmma/石墨烯薄膜在含有10%质量分数异丙醇的去离子水中漂洗，去除薄膜上残余的刻蚀溶液，使用的异丙醇其目的在于降低去离子水的表面张力，以便后续转移工作的进行。

负载盘1预先放置在漂洗容器内，使用镊子将载网铜衬底装入负载盘1的负载孔3内，载网铜衬底具有非晶碳膜的一面朝上，在负载孔3上滴加漂洗溶液，避免在负载过程中载网铜衬底从负载孔3浮起。

使用软管将漂洗容器中的去离子水导出，水位下降过程中使用镊子辅助pmma/石墨烯薄膜平稳的平贴在负载盘1上面；负载有pmma/石墨烯薄膜的负载盘1在使用无尘纸吸走部分漂洗溶液后卡入底座2中，底座2中的支撑柱5将负载孔3中的载网铜衬底托起，并使用加热平台在120℃下烘干样品，实现载网铜衬底与pmma/石墨烯薄膜平稳贴附。

将获得的样品倒扣在负载孔3中，实现pmma薄膜的一面朝下的设计方式放置；将在100℃下获取的丙酮蒸汽从负载盘1底部导入，使用丙酮蒸汽蒸2h；然后将在100℃下获取的异丙醇蒸汽导入负载盘1，去除样品表面多余的丙酮溶液，最终实现pmma薄膜的完美去除。

这样一次可实现石墨烯在49片载网铜衬底同时转移。

实施例5：

本实施例与实施例4的区别在于，铜箔刻蚀溶液为1m的三氯化铁溶液，其他条件不变。

实施例6：

本实施例与实施例4的区别在于，pmma薄膜固化温度为100℃，其他条件不变。

实施例7：

本实施例与实施例4的区别在于，丙酮蒸汽在80℃下获取，其他条件不变。

实施例8：

本实施例与实施例4的区别在于，直接使用丙酮溶液在50℃下去胶，其他条件不变。

实施例9：

本实施例与实施例4的区别在于，先使用丙酮溶液浸泡10min，再在丙酮蒸汽下去胶，其他条件不变。

上述实施例为本发明尝试过的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。