用于在衬底之间转移膜的方法和装置的制造方法
【专利说明】用于在衬底之间转移膜的方法和装置
[0001]根据35U.S.C.119，本申请要求于2012年12月7日提交的、申请号为61/797，471、发明名称为“用于在衬底之间转移膜的方法和装置”的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0002]本申请一般涉及用于将膜从一个或多个衬底转移至另一个衬底的方法和装置。
【背景技术】
[0003]在本说明书中，在提及或讨论文件、行为(act)或知识项时，这种提及或讨论并非承认上述文件、行为或知识项或其任何组合是处于优先日期的、公众可得的、公众已知的、属于公知常识的一部分、或者根据可适用的法定条文构成先前技术，或者已知与尝试解决本说明书涉及的任何问题相关。
[0004]石墨烯由于其电子的、光学的、物理的、和机械的特性，它的发现已经在电子和其他应用中引起了潜在应用的广泛关注。石墨烯是碳原子的单个原子层，以六方点格紧密地结合。尽管它作为实验系统的历史短暂，但石墨烯已经揭示了令人兴奋的新的物理现象，其包括蕴涵有量子电子输运和电荷屏蔽、依赖于宽度的能带隙、极高的载流子迀移率、高弹性和机电调制的“相对论”载流子。石墨烯的特性吸引了很多行业，尤其是电子工业。石墨烯的高载流子迀移率和高导热性使得它是硅和金刚石的潜在替代选择。它的特性使得能够创造下一代的固态器件(弹道晶体管、自旋晶体管等)。在诸如触摸显示器和光电板的应用中，石墨烯还可以用作柔性的、光学透明的导体的备选。其他潜在应用包括化学传感器、纳米孔过滤器、用于腐蚀和/或化学防护的不可渗透涂层、超级电容器、TEM支撑等等。
[0005]在大面积石墨烯生产的方法中，低成本石墨烯片的目标驱动了近来的研宄。在金属衬底上的石墨烯的化学气相沉积是一种用于大面积、低成本石墨烯生产的有前途的方法。石墨烯生产的一个关键问题是处理石墨烯膜以及在许多应用中将这些膜从沉积衬底转移到其他衬底。因此，需要大面积处理以将单层或多层石墨烯从一个衬底转移到另一个衬底。
[0006]现在广泛使用的一种石墨烯转移过程包括化学蚀刻步骤，以通过溶解来去除金属衬底。将这个过程放大比例至数千平方米进行生产，导致很大花费和浪费的挑战。金属灌注蚀刻剂的再利用或处置构成了主要的成本和废弃物处理问题。因为衬底被蚀刻剂溶解了，所以它不能再被用于生长石墨烯膜。另外，溶解过程是相当慢的。由于至少这些原因，这种传统的技术不适合于石墨烯膜的高效率的、大规模的、低成本生产。
[0007]尽管已经讨论了传统技术的一些方案以促进本发明的公开，但是申请人决不否认这些技术方案，并且可以预计所要求保护的本发明可以包含或包括这里讨论的一个或多个传统的技术方案。
【发明内容】
[0008]本发明可以解决以上讨论的先前技术的一个或多个问题和不足。然而，可以预计在许多技术领域中本发明可以证明在解决其他问题和不足方面是有用的，或者提供益处和优点。因此，所要求保护的本发明不必被解释为受限于解决本文所讨论的任何特定问题或不足。
[0009]本发明提供具有以下一个或多个益处和优点的方法和装置:
[0010]?消除或明显地减少化学废物，以及相关环境效益和成本效益；
[0011]?允许以后形成石墨烯时可以再利用金属衬底，从而减少浪费并且改善过程的经济性；
[0012]籲允许石墨烯膜生成、衬底转移和/或多层结构制造的可扩展的、连续过程；
[0013]籲允许将石墨烯膜放置在几乎任何光滑的表面上；
[0014]籲提供转移单原子层厚度的石墨烯膜以及多层石墨烯膜的过程；
[0015]籲提供能够将石墨烯转移至柔性或刚性衬底的过程；
[0016]?允许大面积片状石墨烯膜的生成和转移。
[0017]因此，根据一个方案，本发明提供一种方法，包括:在第一衬底的至少一部分表面上形成至少一层材料，其中所述至少一层材料的第一表面与所述第一衬底接触从而限定一界面；将第二衬底附着于所述至少一层材料的第二表面上；在所述界面处形成气泡；以及施加机械力；从而将所述第二衬底和所述至少一层材料从所述第一衬底共同地分离。
[0018]根据又一方案，提供一种用于将至少一层材料从第一衬底转移至第二衬底的装置，所述装置包括:供应轧辊，包括一卷复合材料，所述复合材料包括第一衬底、与所述第一衬底接触从而限定一界面的至少一层材料、以及附着于所述至少一层材料的第二表面上的第二衬底；容器，包含溶液，所述溶液包括水和至少一种电解质；阴极，当被布置在所述溶液中时被限定在所述复合材料处；阳极，布置在所述溶液中远离所述阴极的位置处；电源，连接至所述阴极和阳极；第一收集(pickup)轧辊，所述第一收集轧辊附着于所述第二衬底/至少一层材料；第二收集轧辊，所述第二收集轧辊附着于所述第一衬底；其中所述阴极被构造和布置为在所述界面处产生气泡，并且其中所述第二收集轧辊被构造和布置为在第一方向上拉起所述第一衬底，并且所述第一收集轧辊被构造和布置为在第二方向上拉起所述第二衬底以及所述至少一层材料，所述第一方向和第二方向彼此偏离，从而限定分离角。
【附图说明】
[0019]图1中的A-图1C’是根据本发明的一些方案执行的方法的示意图。
[0020]图2是根据本发明的其他方案执行的方法的示意图。
[0021]图3是根据本发明的原理配置的装置和相关方法的示意图。
[0022]图4是本发明的方法和装置的其他可选方案的示意图。
[0023]图5是根据本发明的另外的方案的装置和方法的示意图。
【具体实施方式】
[0024]如这里所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”也旨在包括复数形式，除非上下文另有清楚指示。额外地，使用“或者”旨在包括“和/或”，除非上下文另有清楚指示。
[0025]根据本发明的一些方案，提供将石墨烯从其所形成于的衬底转移至第二衬底的方法。这些方法将第二衬底附着于所述石墨烯，如下所述，将层沉浸在溶液中，然后使用机械拉力以在气泡的帮助下将石墨烯和第二衬底从原始衬底分离(所述气泡在石墨烯与金属之间的界面处以电解方式形成)，以将两层分开。电解槽通过电接触石墨烯和金属结构和第二电极被配置在溶液中。这个过程适合于生长在导电衬底上的石墨烯膜。这个过程尤其适合于放大至更大面积的石墨烯膜。
[0026]在图1至图5中示意性地示出根据本发明原理的方法和装置的一些示例性的、非限制实施例。
[0027]如图所示，例如，在图1中，在第一衬底10的至少部分表面上可以形成至少一层材料12，从而在至少一层材料12的第一表面14与衬底10之间形成一界面16。该至少一层材料可以例如作为周期图案形成在第一衬底的部分表面上。可替代地，至少一层材料12可以覆盖第一衬底10的整个表面。该层材料12可以形成为单层材料、或多层材料。该层材料12可以具有任何适当的厚度。对于薄层(诸如总厚度小于1nm的层)，本发明的方法和装置是有利的。该至少一层材料12可以由任何适当的材料、或材料的组合构成。根据某些实施例，该至少一层材料12包括石墨烯。石墨烯可以呈现为石墨烯的单个原子层、或者为具有多原子厚度的石墨烯层。石墨烯可以与一个或多个额外材料结合。例如，石墨烯可以掺杂有一个或多个掺杂剂。掺杂剂可以包括碘、氮、硼、钾、砷、镓、铝、铟、或其他。根据本领域技术人员公知的任何适当的技术，诸如石墨的分层、外延生长、石墨的氧化还原、碳纳米管的蚀刻或分割、石墨的超声处理、以及二氧化碳还原反应，可以形成石墨烯。根据本发明的某些实施例，石墨烯通过化学气相沉积