Small: 石墨烯转移——为化学气相沉积石墨烯的应用铺平道路

在二维材料领域,石墨烯独特的晶体结构以及能带结构赋予了其一系列不寻常的特性,其优异的电学、光学和机械性能,使得石墨烯成为目前最有前途的二维材料之一。自首次成功剥离石墨以制备石墨烯以来,科学界和工业界的关注不断扩展到大规模生产大面积、高质量的石墨烯材料以实现工业化应用。在这一方面,化学气相沉积(CVD)法在金属衬底上生长石墨烯为石墨烯的可控性、可加工性、均匀性和高质量制备提供了诱人的机遇,逐渐成为了大规模生长石墨烯薄膜材料的主流方案。然而,为了完成CVD石墨烯薄膜与目标衬底的集成以实现未来的实际应用,必须经历石墨烯薄膜从金属衬底到目标衬底的转移。这一复杂而又乏味的过程常常面临破损和裂纹、不均匀的掺杂,褶皱以及表面污染物等不可避免的难题,是限制石墨烯优异性能发挥的重要因素。此外,在工业规模上进行大规模转移时,可能会出现新的问题,因此成本效益和环境友好的转移技术也成为当务之急。

北京大学刘忠范课题组综述了当前石墨烯转移技术的最新进展,并总结了石墨烯转移过程中面临的裂纹、不均匀的掺杂、褶皱以及表面污染物等不可避免的主要问题;提出 “可转移性”的新概念以及为未来工业应用中的大面积石墨烯薄膜转移提供一个展望。

石墨烯转移是连接CVD在金属衬底上生长的高品质石墨烯薄膜和石墨烯应用的重要桥梁。因此,选择合适的转移技术应既取决于所生长的石墨烯薄膜的结构特征,也取决于目标应用。当石墨烯用于集成电路的潜在应用中时,石墨烯转移应着重抑制褶皱和掺杂。然而,在石墨烯基透明导电膜的应用中,石墨烯的掺杂是优选的,因为石墨烯的掺杂将有助于改善石墨烯的导电性。在这方面,均匀的可控掺杂是石墨烯转移的重要目标之一。

裂纹、表面污染、转移后的石墨烯上的褶皱均会降低石墨烯的优异性能,但其中完整性应优先于其他方面。裂纹的形成基本上是由于在石墨烯上作用力的不均匀引起的。因此,在转移过程中石墨烯与基底和转移媒介的完全接触变得非常重要。石墨烯的表面粗糙度由生长衬底的表面纹理决定,同时石墨烯的波纹表面会阻碍其完全接触。例如,难以在石墨烯和刚性热释放胶带之间实现完全接触将导致转移后的完整度低。将聚合物直接固化在石墨烯表面,可以复制石墨烯的表面结构,可以确保石墨烯与聚合物之间的稳固结合。抑制褶皱和污染形成的方法应基于其形成机理的理解。例如,聚合物和无定形碳之间通过悬空键之间的强相互作用是造成转移后石墨烯表面上聚合物残留分布的原因。因此,去除生长相关的污染物是获得干净的石墨烯表面的关键。

总体而言,在所需的基底上获得大面积,连续,无褶皱且清洁的石墨烯薄膜是石墨烯转移的最终目标,这必将为CVD生长的高质量石墨烯的实际商业应用铺平道路。

论文信息:

Graphene Transfer: Paving the Road for Applications of Chemical Vapor Deposition Graphene

Yuqing Song, Wentao Zou, Qi Lu, Li Lin,* and Zhongfan Liu*

Small

DOI:10.1002/smll.202007600