支撑在纳米多孔石墨烯上的选择性膜的制作方法
【专利说明】支撑在纳米多孔石墨烯上的选择性膜
【背景技术】
[0001] 除非在此处进行说明，否则此处所描述的材料不是本申请权利要求的现有技术并 且不因包含在该部分中而承认是现有技术。
[0002] 通过用于气体液体分离的膜的通量通常与膜厚度成反比。例如，将膜厚度减小十 倍会使通量增大十倍。然而，膜可能需要足够厚以具有足以耐受既定分离处理的跨膜压力 的机械强度。
[0003] -些常规的方法将薄的选择性膜投抛到纳米多孔支撑件之上，例如利用溶液涂渍 法（solution coating)。在平坦的、非多孔的衬底上，可以投抛不具有微孔的0.05至0.1 微米厚的薄膜。然而，利用这种溶液涂渍法生产厚度为1微米以下的高品质复合膜的制造 工艺会会是非常有挑战性。支撑膜中表面孔的不完全覆盖会导致形成缺陷，例如因为多孔 膜中的毛细力会将涂渍溶液拉入大部分的支撑膜，破坏了涂层。而且，在多孔衬底上，选择 性涂层会渗透到孔中，填充孔且有效地增加分子所通过的密致材料的厚度。
[0004] 本公开理解，在例如用于分离的多孔支撑件上制备薄膜会是复杂的任务。
[0005] 概述
[0006] 下面的概述仅为示例性的，不意在通过任何方式进行限制。除了上述示例性的方 案、实施例和特征之外，通过参考附图和下面的详述另外的方案、实施例和特征将变得清 晰。
[0007] 本公开总体描述了支撑在纳米多孔石墨烯上的复合选择性膜以及用于制造支撑 在纳米多孔石墨烯上的复合选择性膜的方法、装置和计算机程序产品。
[0008] 在各个示例中，描述了复合膜。复合膜可以包括具有第一面和第二面的纳米多孔 石墨烯层。在多个示例中，复合膜还可以包括配置为与纳米多孔石墨烯层的第一面相接触 的第一选择性膜。在一些示例中，复合膜可以进一步包括配置为与纳米多孔石墨烯层的第 二面相接触的多孔支撑衬底。
[0009] 在各个示例中，描述了制备复合膜的方法。该方法可以包括将第一选择性膜沉积 到纳米多孔石墨烯层的第二表面上。在各个示例中，纳米多孔石墨烯层的第一表面可以接 触无孔支撑衬底。示例的方法还可以包括：将纳米多孔石墨烯层连同第一选择性膜一起从 无孔支撑衬底移除。示例的方法可以进一步包括：使纳米多孔石墨烯层的第二表面与多孔 支撑衬底相接触以形成复合膜。
[0010] 在各个示例中，描述了用于制造复合膜的系统。该系统可以包括如下中的一个或 多个：化学气相沉积室；化学气相沉积源；加热器；温度传感器；石墨烯纳米穿孔装置；聚 合物膜操纵器；选择性膜沉积装置；多孔支撑源；以及控制器。在多个示例中，控制器可与 化学气相沉积室、化学气相沉积源、加热器、温度传感器、石墨烯纳米穿孔装置、聚合物膜操 纵器、选择性膜沉积装置和多孔支撑源可操作地耦接。在一些示例中，控制器可由机器可执 行指令来配置。还可以包括控制化学气相沉积源、温度传感器和加热器以利于在化学气相 沉积室将石墨烯沉积在无孔生长衬底上的指令。还可以包括控制石墨烯纳米穿孔装置以利 于对无孔生长衬底上的石墨烯穿孔以形成纳米多孔石墨烯层的指令。另外可以包括控制选 择性膜沉积装置以利于将第一选择性膜沉积到纳米多孔石墨烯层的第一表面上的指令。可 以包括控制聚合物膜操纵器以利于将纳米多孔石墨烯层连同第一选择性膜一起从无孔支 撑衬底移除的指令。还可以包括控制多孔支撑源以利于提供多孔支撑衬底的指令。可以进 一步包括控制聚合物膜操纵器以使纳米多孔石墨烯层的第二表面与多孔支撑衬底的表面 相接触以利于形成复合膜的指令。
[0011] 在各个示例中，描述了其中存储有用于制造复合石墨烯膜的指令的计算机可读存 储介质。可以包括控制样本操纵器以利于将无孔支撑衬底定位在化学气相沉积室中的指 令。在多个示例中，纳米多孔石墨烯层的第一表面可以接触无孔支撑衬底。还可以包括控 制选择性膜沉积装置以利于将第一选择性膜沉积在纳米多孔石墨烯层的第二表面上的指 令。可以进一步包括控制聚合物膜操纵器和样本操纵器以利于将纳米多孔石墨烯层连同第 一选择性膜一起从无孔支撑衬底移除的指令。还可以包括控制聚合物膜操纵器和样本操纵 器以利于使纳米多孔石墨烯层的第二表面与多孔支撑衬底接触以形成复合膜的指令。
【附图说明】
[0012] 通过下面结合附图给出的详细说明和随附的权利要求，本公开的前述特征以及其 它特征将变得更加清晰。应理解的是，这些附图仅描绘了依照本公开的多个实施例，因此， 不应视为对本发明范围的限制，将通过利用附图结合附加的具体描述和细节对本公开进行 说明，在附图中：
[0013] 图1是表征示例的复合膜的概念侧视图；
[0014] 图2是表征构造所描述的复合膜的技术的示例的概念工艺图；
[0015] 图3是表征可在形成所描述的复合膜的各种示例方法中使用的示例的操作的流 程图；
[0016] 图4是表征可用于实施形成所描述的复合膜的示例方法的自动化机器的框图；
[0017] 图5是表征可用于控制图4的自动化机器或者实施形成所描述的复合膜的示例方 法的类似装备的通用计算设备的示意图；以及
[0018] 图6是表征可用于控制图4的自动化机器或者实施形成所描述的复合膜的示例方 法的类似装备的示例的计算机程序产品的框图；
[0019] 所有这些图都是依照本文中描述的至少一些实施例来布置的。
【具体实施方式】
[0020] 在下面的详细说明中，将参考附图，附图构成了详细说明的一部分。在附图中，除 非上下文指出，否则相似的符号通常表示相似的部件。在详细说明、附图和权利要求中所描 述的示例性实施例不意在限制。在不偏离本文呈现的主题的精神或范围的情况下，可以使 用其它实施例，并且可以做出其它改变。将易于理解的是，如本文大致描述且如图中所图示 的，本公开的各方面能够以各种不同配置来布置、替代、组合、分离和设计，所有这些都在本 文中明确地构思出。
[0021] 简要描述，复合膜可以包括夹在第一选择性膜与多孔支撑衬底之间的纳米多孔石 墨烯层。复合膜可通过将选择性膜沉积在纳米多孔石墨烯层的一面上来形成，而纳米多孔 石墨烯层的另一面可以被支撑在无孔支撑衬底上。纳米多孔石墨烯层可连同选择性膜一起 从无孔支撑衬底移除且与多孔支撑衬底相接触以形成复合膜。通过将选择性膜沉积在平坦 的表面上，将纳米多孔石墨烯沉积在无孔支撑衬底上，可以生产出厚度小至0.1 ym或更小 的缺陷形成减少的选择性膜。与较厚的选择性膜相比，所描述的复合膜可以具有增强的磁 导，结构强度大于单独的较薄的选择性膜。
[0022] 图1是依照本文所描述的至少一些实施例布置的表征示例的复合膜的概念侧视 图。例如，复合膜100可以包括纳米多孔石墨烯层102,其具有第一面和第二面。复合膜100 还可以包括配置为与纳米多孔石墨烯层102的第一面相接触的第一选择性膜104。复合膜 还可以包括配置为与纳米多孔石墨烯层的第二面相接触的多孔支撑衬底106。在多个示例 中，复合膜100可任选地配置为包括第二选择性膜108,该第二选择性膜配置为与第一选择 性膜104相接触，与纳米多孔石墨烯层102相对。
[0023] 图2是依照本文所描述的至少一些实施例布置的表征构造所描述的复合膜的示 例技术的概念工艺图。例如，工艺200可以包括201在无孔生长衬底202上生长单层或多层 石墨烯204以及203对石墨烯204穿孔以形成纳米多孔石墨烯层102。技术200可以任选 地包括，例如在无孔生长衬底202与后续操作化学上不相容的情况下，205将纳米多孔石墨 烯层102转移到无孔支撑衬底206。技术200可以包括207在无孔生长衬底202或无孔支 撑衬底206上将第一选择性膜104沉积在纳米多孔石墨烯层102上。支撑在纳米多孔石墨 烯层102上的组合的第一选择性膜104可以209从无孔生长衬底202或无孔支撑衬底206 移除。然后，支撑在纳米多孔石墨烯层102上的组合的第一选择性膜104可以211与多孔 支撑衬底106相接触。在形成第一选择性膜104后的任意点，第二选择性膜108可任选地 213施加到第一选择性膜104上。
[0024] 可通过用于生长石墨烯的标准化学气相沉积（CVD)工艺来生长单层或多层石墨 烯204。无孔衬底202可以为大致平面的或原子级地平坦。无孔衬底202可以包括适合于 通过化学气相沉积来生长石墨烯的任意各种衬底。适用于衬底202的材料可以包括过渡金 属，特别是例如铜箔、镍箔、合金及其组合。过渡金属还可以作为薄金属涂层供应到大致平 坦的或者原子级地平坦的支撑件上。用于金属涂层的支撑件可以是例如石英、硅或类似物。 在一些示例中，金属涂层可以具有范围在大约1原子单层与大约25微米之间的厚度。
[0025] 可以利用任何适合于对石墨烯穿孔的技术，例如利用电子束蚀刻、离子束蚀刻、原 子提取、胶体晶体刻蚀、嵌段共聚物刻蚀、或光刻法，对石墨烯层204穿孔以形成纳米多孔 石墨烯层102。纳米多孔石墨烯层102可以是纳米多孔石墨烯单层或者可以包括多个纳米 多孔石墨烯层，例如在大约2个石墨烯单层和大约10个石墨烯单层之间。纳米多孔石墨烯 层102可以包括以平均直径在大约2埃与大约1微米之间的范围内为特征的孔。
[0026] 在各个示例中，例如，利用辊到辊工艺、接触提升工艺、接触印刷/沉积工艺或另 外的适合的用于移动纳米多孔石墨烯层102的工艺，将纳米多孔石墨烯层102从无孔生长 衬底202移动到无孔支撑衬底206。
[0027] 可以通过任何适合于沉积对应的选择性膜的材料的技术来沉积第一选择性膜104 和第二选择性膜108。例如，可以通过溶液沉积、电沉积、旋涂、浸渍涂覆、化学生长沉积、聚 合、析出、化学气相沉积、原子层沉积、溅射或蒸发式沉积来独立地施加第一选择性膜104 和第二选择性膜108。
[0028] 在薄的选择性膜形成过程中，浇注的衬底上的空隙和有关的毛细力可起作用以将 薄的选择性膜的前体吸入空隙中，这会导致缺陷形成，例如小孔或其他缺陷。这些缺陷形成 可以使得形成厚度接近1微米或者1微米以下的选择性膜很难或者不可实现。
[0029] 在各个示例中，技术200的特征可以是，在纳米多孔石墨烯层102可附着到无孔生 长衬底204或无孔支撑衬底206上的同时，使第一选择性膜104在纳米多孔石墨烯层102 之上生长。纳米多孔石墨烯层102可以呈现大致二维表面结构，因为纳米多孔石墨烯层102 可以仅为一石墨烯单层深或几石墨烯单层深。这样，在无孔生长衬底204或无孔支撑衬底 206上的纳米多孔石墨烯层102可以基本上没有空隙。因为无孔生长衬底204或无孔支撑 衬底206上的纳米多孔石墨烯层102可以基本上没有空隙，所以纳米多孔石墨烯层102在 与例如聚合物浇注溶液的第一选择性膜的前体相接触时基本上没有毛细力。技术200能够 制备比其他可能的具有更少缺陷和/或更薄层的第一选择性膜104。在各个示例中，技术 200的特征可在于制备厚度小于大约1微米的