一种cvd石墨烯向塑料基底卷对卷转移的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种CVD石墨烯向塑料基底卷对卷转移的方法及装置。
【背景技术】
[0002]石墨烯由于其良好的物理化学性质，如超高的载流子迀移率、高的透光性、良好的机械性能等，受到了广泛的研究并且在透明导电薄膜、光电探测、催化、生物检测等领域显示了其潜在的实用价值。石墨烯诸多制备方法中，铜箔表面的化学气相沉积方法具有生长的石墨烯质量高、适用于宏量制备等诸多的优势，然而，铜箔表面生长的石墨烯往往需要转移到特定的基底上才能够实现其功能化应用。传统的基于高分子中介的刻蚀转移方法中存在着高分子残胶不能够完全去除、铜箔不能重复利用、石墨烯被刻蚀剂掺杂导致的载流子迀移率下降等诸多的缺点，而且转移速度慢，不能实现工业规模的应用。
[0003]实现石墨烯向柔性透明塑料基底的转移，是制备石墨烯导电薄膜的关键。因此，发展石墨烯向塑料基底快速批量化、无损、环境友好、铜箔能够重复利用的转移方法，对于制备石墨烯透明电极具有重要的意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种CVD石墨烯向塑料基底卷对卷转移的方法及装置，该转移方法避免了传统刻蚀剂的使用、环境友好，转移后的石墨烯的质量高，金属基底可重复利用，采用卷对卷工艺适用于工业化生产。
[0005]本发明的一个目的是提供一种CVD石墨烯向塑料基底卷对卷转移的方法。
[0006]本发明提供的一种石墨烯向塑料基底转移的方法，它包括如下步骤:
[0007](1)通过化学气相沉积法在金属基底表面生长石墨烯；
[0008](2)在氧气存在的条件下，对步骤(1)得到的表面生长有石墨烯的金属基底进行加热；
[0009](3)复合塑料基底和经步骤(2)处理的表面生长有石墨烯的金属基底，制备得到依次层叠的塑料基底层、石墨烯层和金属基底层的复合结构:制备所述塑料基底层的材料包括热恪胶；
[0010](4)将步骤(3)中得到的复合结构浸入水中加热并保温；
[0011](5)在外力作用下，分离经步骤(4)处理的复合结构中的金属基底层和石墨烯塑料复合层，即可完成石墨烯向所述塑料基底的转移。
[0012]上述的方法中，步骤(1)中，通过化学气相沉积法(CVD)在金属基底上生长石墨烯薄膜，本发明对制备条件没有限制:载气优选为氢气，通入流量优选2?300sCCm ;碳源气体优选为甲烷、乙烷、乙烯或乙炔，更为优选为甲烷或乙烯，通入流量优选5?36sCCm ;生长温度优选为900°C?1050°C;所述金属基底的材质优选铜、镍、金和铂中的一种或几种，更优选铜和镍中的一种或两种；所述金属基底的厚度优选18?46 μπι。
[0013]上述的方法中，步骤(2)中，为了增强金属基底的氧化，可采用在氧气存在的条件下加热的步骤，所述氧气存在的条件具体可为大气环境系下；所述加热的温度可为80?120°C，具体可为 80 ?100°C、100 ?120°C、80°C、100°C或 120°C ;时间可为 5 ?20min，具体可为 5 ?lOmin、10 ?20min、5min、lOmin 或 20mino
[0014]上述的方法中，步骤(3)中，所述复合为下述步骤3-1)或步骤3-2):
[0015]3-1)将金属基底中生长有石墨烯的一面与塑料基底贴合，经热压印后粘合为一体；所述塑料基底由热熔胶和塑料基材混合后制备得到；
[0016]3-2)将金属基底中生长有石墨烯的一面与塑料基底中的热熔胶层贴合，经热压印后粘合为一体；所述塑料基底包括热熔胶层和塑料基材层；
[0017]所述热熔胶为乙烯-醋酸乙烯树脂(EVA)、聚酰胺(PA)、聚酯(PES)、聚酯酰胺(PEA)和聚乙烯(PE)等中的一种或几种；所述塑料基材为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)、聚碳酸酯(PC)等中的一种或几种；
[0018]上述方法中复合结构的制备步骤中，所述热压印的温度可为100?150°C，具体可为100°C ;热压印的速度可1?2cm/s，具体可为lcm/s ；
[0019]步骤3-2)中，所述塑料基底中:所述热熔胶层的厚度可为1?50μπι，具体可为50 μ m ;所述塑料基材层的厚度可为5?100 μ m，具体可为75 μ m。
[0020]具体地，所述塑料基底可采购自商品化应用的热裱膜，可用于太阳能光伏组件背板膜与封装胶膜；也可以由热熔胶涂覆在塑料基材上得到；所述热压印具体可采用塑封机。
[0021]上述的方法中，步骤(4)中，通过将复合结构浸入水中加热即可实现水插层到石墨烯和金属基底之间，金属基底和石墨烯之间的耦合大大减弱，便于后续的分离；所述水可为去离子水；所述加热的温度可为40?80°C，具体可为50?70°C、50°C或70°C;所述保温的时间可为2?lOmin，具体可为2?5min、2min或5min。
[0022]上述的方法中，为了便于工业化生产，步骤(1)中，所述石墨烯的生长可在石墨烯卷对卷制备设备中进行，得到成卷的表面生长有石墨烯的金属基底；所述金属基底的运转速率可为0?5r/min，但不为0 ;
[0023]所述转移为卷对卷转移，所述分离在卷对卷分离装置中进行；所述卷对卷分离装置，它包括支架体和热水池，所述支架体上平行设置若干个辊轮，所述辊轮包括用于对成卷的复合结构进行放卷的进样辊轮、由两个紧邻设置的辊轮组成的用于控制所述复合结构中的石墨烯塑料复合层和金属基底层向相反方向运动的分离辊轮、用于收卷所述石墨烯层的收卷辊轮I和用于收卷所述金属基底层的收卷辊轮II ;所述分离辊轮位于所述热水池内；
[0024]上述的方法中，所述方法在所述分离之后，还包括将分离后得到的金属基底重复步骤(1)-步骤(5)的步骤，即金属基底可重复利用。
[0025]本发明的另一个目的是提供一种上述CVD石墨烯向塑料基底卷对卷转移方法中所使用的卷对卷分离装置。
[0026]本发明所提供的上述转移方法中所使用的卷对卷分离装置，它包括支架体和热水池，所述支架体上平行设置若干个辊轮，所述辊轮包括用于对成卷的复合结构进行放卷的进样辊轮、由两个紧邻设置的辊轮组成的用于控制所述复合结构中的石墨烯层和金属基底层向相反方向运动的分离辊轮、用于收卷所述石墨烯层的收卷辊轮I和用于收卷所述金属基底层的收卷辊轮II ;所述分离辊轮位于所述热水池内。
[0027]上述的卷对卷分离装置中，所述装置还包括用于清洗所述石墨烯层的清洗池I和用于清洗所述金属基底层的清洗池II ;沿着所述石墨烯层的传送方向，在所述分离辊轮和所述收卷辊轮I之间还设有用于控制所述石墨烯层进出所述清洗池I的清洗辊轮I，所述清洗辊轮I位于所述清洗池I内；沿着所述金属基底层的传送方向，在所述分离辊轮和所述收卷辊轮II之间还设有用于控制所述金属基底层进出所述清洗池II的清洗辊轮II，所述清洗辊轮II位于所述清洗池II内。
[0028]上述的卷对卷分离装置中，沿着所述石墨烯层的传送方向，所述辊轴还包括若干个传动辊轮，用于控制所述石墨烯层的运行方向，具体可为清洗传动辊轮I和收卷传动辊轮I，所述清洗传动辊轮I位于所述分离辊轮和所述清洗辊轮I之间，所述收卷传动辊轮I位于所述清洗辊轮I和所述收卷辊轮I之间；
[0029]同样，沿着所述金属基底层的传送方向，所述辊轮还包括若干个传动辊轮，用于控制所述金属基底层的运行方向，具体可为清洗传动辊轮II和收卷传动辊轮II，所述清洗传动辊轮II位于所述分离辊轮和所述清洗辊轮II之间，所述收卷传动辊轮II位于所述清洗辊轮II和所述收卷辊轮II之间。
[0030]上述的卷对卷分离装置中，所述装置还包括电机运转系统，用于为所述收卷辊轮I和所述收卷辊轮II提供动力。
[0031 ] 此外，由上述转移方法制备得到的石墨烯器件，也在本发明的保护范围内。
[0032]上述石墨烯器件中，所述石墨烯器件包括但不限于:透明导电薄膜或石墨烯透明电极，所述塑料基材和所述热熔胶均为透明的。
[0033]本发明具有如下有益效果:
[0034]本发明方法通过卷对卷化学气相沉积的方法以金属为基底制备了成卷的高质量石墨烯薄膜，然后通过金属基底的表面氧化和水插层的方法，卷对卷地实现了石墨烯向塑料基底的转移。该方法只使用热去离子水，避免了金属基底的刻蚀，转移过程快速、干净、清洁，环境友好，石墨烯质量高，金属基底能够实现重复利用，对于工业规模实现石墨烯从金属基底向