專利名稱：一種生產(chǎn)石墨烯復(fù)合薄膜的裝置和方法及其制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)石墨烯復(fù)合薄膜的裝置，更具體地，涉及一種使石墨烯薄膜與目標(biāo)基底平整貼敷的裝置。本發(fā)明還涉及使用該裝置生產(chǎn)石墨烯復(fù)合薄膜的方法， 及由該方法生產(chǎn)的石墨烯復(fù)合薄膜。
背景技術(shù)：
石墨烯的理論研究始于1947年，迄今已有60多年的歷史。但真正能夠制備獨立存在的二維石墨烯晶體則是出現(xiàn)在2004年英國曼徹斯特大學(xué)天文物理學(xué)教授Andre K. Geim領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用微機械剝離方法首次獲得了石墨烯。石墨烯正式引起產(chǎn)業(yè)界的重視，是由于化學(xué)氣相沉積(CVD)方法在石墨烯薄膜制備領(lǐng)域的引進，其使得大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。CVD生長過程如下首先將金屬基底在氬氣和氫氣環(huán)境下于1000°C預(yù)熱處理1. 5 小時。然后通入甲烷，進行碳分解，生長時間約為20分鐘。生長過程中第一步將通過氣體流量和壓力來控制石墨烯的成核密度，第二步再加大氣體流量來獲得連續(xù)均勻的高質(zhì)量的單層石墨烯，氣相沉積會在金屬基底的兩面同時發(fā)生。在生長有石墨烯的金屬基底取出后，在正面的石墨烯上涂敷背膠保護層，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)保護層，以防止在金屬基底腐蝕后，石墨烯薄膜的坍塌和團聚。背膠保護層可有許多選擇，只要能夠支撐石墨烯并且在操作過程中不損壞石墨烯即可，如 PMMA，各種光刻膠。接著，通過氧等離子體刻蝕，除去金屬基底背面不需要的石墨烯薄膜(下文中將經(jīng)過該處理后的中間產(chǎn)物稱為“帶有背膠保護層的金屬基底負載型石墨烯薄膜”)，然后在特定溶液中腐蝕金屬基底。在特定溶液中，借助溶液的表面張力，薄膜會張開平鋪于溶液表面。然后通過目標(biāo)基底將所述薄膜從溶液中撈起(下稱撈片過程)，使薄膜與目標(biāo)基底通過范德華力作用而貼敷在一起。現(xiàn)有技術(shù)中撈片過程常采用人工方法進行，由于人工操作的偏差和不可預(yù)測性， 常發(fā)生薄膜在接觸目標(biāo)基底材料時起皺，留有氣泡的現(xiàn)象，從而影響石墨烯復(fù)合薄膜制備的成品率。因此在大規(guī)模生產(chǎn)中，亟需一種可以穩(wěn)定完成這一過程的裝置，來實現(xiàn)這一過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于生產(chǎn)石墨烯復(fù)合薄膜的裝置，該裝置包括一個箱體，用于容納腐蝕金屬基底用的溶液；一個承載板，用于承載目標(biāo)基底，所述承載板的一端可動連接于箱體的一個側(cè)壁上；至少一個懸吊裝置，所述懸吊裝置與所述承載板的另一端相連；至少一個牽引裝置，所述牽引裝置與所述懸吊裝置一一對應(yīng)，用于拉起或放下所述懸吊裝置；以及至少一個薄膜定位裝置。本發(fā)明還提供一種使用上述裝置來生產(chǎn)石墨烯復(fù)合薄膜的方法，該方法包括以下步驟1)向箱體內(nèi)注入腐蝕金屬基底用的溶液；2)將目標(biāo)基底置于承載板上，并通過牽引裝置的動作將懸吊裝置放下，使目標(biāo)基底完全浸入所述溶液中；3)將帶有背膠保護層的金屬基底負載型石墨烯薄膜放入所述溶液中，待金屬基底腐蝕并使薄膜張開后，通過牽引裝置的動作緩慢拉起懸吊裝置，帶動承載板與其相連的一端向上移動，隨著承載板的抬起，通過薄膜定位裝置定位的石墨烯薄膜開始與目標(biāo)基底貼敷，最終完全貼合；4)任選地除去背膠保護層。本發(fā)明另一方面還提供由上述方法制得的石墨烯復(fù)合薄膜。通過使用本發(fā)明的裝置和方法，可使漂浮在溶液表面的石墨烯薄膜平整地貼敷在目標(biāo)基底上。所述裝置和方法可以穩(wěn)定地完成石墨烯薄膜與目標(biāo)基底的無缺陷粘貼，適于大規(guī)模石墨烯復(fù)合薄膜的生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明裝置的一個示例性實施方案的剖面圖。圖2為圖1所示裝置的俯視圖。
具體實施例方式下文將結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。但應(yīng)理解的是，所述附圖僅為示例性的， 不應(yīng)解釋為限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明提供一種用于生產(chǎn)石墨烯復(fù)合薄膜的裝置，該裝置包括一個箱體，用于容納腐蝕金屬基底用的溶液；一個承載板，用于承載目標(biāo)基底，所述承載板的一端可動連接于箱體的一個側(cè)壁上；至少一個懸吊裝置，所述懸吊裝置與所述承載板的另一端相連；至少一個牽引裝置，所述牽引裝置與所述懸吊裝置一一對應(yīng)，用于拉起或放下所述懸吊裝置；以及至少一個薄膜定位裝置。在具體的實施方案中，承載板與箱體的可動連接優(yōu)選為可轉(zhuǎn)動連接，例如通過搭扣或鉸鏈結(jié)構(gòu)等實現(xiàn)。本發(fā)明裝置對于連接方式無特別的限制，只要承載板可基本圍繞箱體的一個固定位置轉(zhuǎn)動即可。視操作需要，轉(zhuǎn)動角度可在0-180°范圍內(nèi)，也可在0-360° 范圍內(nèi)，優(yōu)選在0-360°范圍內(nèi)。承載板與箱體的連接點優(yōu)選位于正常操作時的液面以上， 更優(yōu)選在箱體壁的上緣附近，以便于承載板的轉(zhuǎn)動，并防止連接部件與溶液的接觸。所述承載板上優(yōu)選地帶有固定部件，如凸緣等，以固定目標(biāo)基底在其上的位置。所述懸吊裝置例如可為懸掛桿或懸掛線。本發(fā)明對其沒有特別的限制，只要其材質(zhì)適于與所述腐蝕金屬基底用的溶液長期接觸并實現(xiàn)所需的牽拉功能即可。所述牽引裝置例如可為電機、氣缸或滑輪等。本發(fā)明裝置優(yōu)選具有兩個懸吊裝置和兩個牽弓I裝置。所述薄膜定位裝置例如可為噴嘴。所述噴嘴優(yōu)選地均勻分布于箱體除連接承載板一側(cè)外的其余三個側(cè)壁上高于液面處，通過噴嘴噴出氣體而對薄膜進行定位。優(yōu)選地，對氣體噴出的速度進行調(diào)節(jié)，避免對薄膜產(chǎn)生較大的擾動。氣體速度可通過氣體調(diào)節(jié)閥來控制。使用本發(fā)明裝置具有如下優(yōu)點1.針對不同的溶液粘度和表面張力，可以通過調(diào)節(jié)懸吊裝置的升降速度，來調(diào)節(jié)溶液沿目標(biāo)基底表面排開的速度，從而防止排水速度過快而造成的對薄膜的擾動；2.多個懸吊裝置可以同步啟動，也可以順序啟動，使承載板升起過程有左右的輕度扭轉(zhuǎn)，便于薄膜在目標(biāo)基底上的貼敷；3.薄膜在溶液中懸浮的位置可通過箱體壁上的多個定位裝置來調(diào)整，所述定位裝置可按需要分布于箱體壁上，優(yōu)選均勻地分布，并可以通過氣體調(diào)節(jié)閥來控制氣體噴出的速度。本發(fā)明裝置的一個示例性實施方案如圖1和2所示。其中承載板3的一端通過搭扣8，與箱體5的一個側(cè)壁連接，承載板3可圍繞搭扣8進行360度旋轉(zhuǎn)。箱體5內(nèi)容納有腐蝕銅基底用狗(NO3) 3溶液1，帶有背膠保護層的石墨烯薄膜4漂浮于所述溶液1表面上。 承載板3的另一端通過兩個懸吊裝置7與牽引裝置6連接，通過電機工作而拉起或放下懸吊裝置7。在連接承載板3的箱體5的相對側(cè)，在高于溶液的液面處設(shè)置有氣體噴嘴2，用于調(diào)節(jié)薄膜4在溶液中懸浮的位置。噴嘴2中的氣體流速通過氣體調(diào)節(jié)閥(圖中未示出) 來控制。本發(fā)明還提供一種使用上述裝置來生產(chǎn)石墨烯的方法，該方法包括以下步驟1)向箱體內(nèi)注入腐蝕金屬基底用的溶液；2)將目標(biāo)基底置于承載板上合適的位置，并通過牽引裝置的動作將懸吊裝置放下，使目標(biāo)基底完全浸入所述溶液中；3)將帶有背膠保護層的金屬基底負載型石墨烯薄膜放入所述溶液中，待金屬基底腐蝕并使薄膜張開后，通過牽引裝置的動作緩慢拉起懸吊裝置，帶動承載板與其相連的一端向上移動，隨著承載板的抬起，通過薄膜定位裝置定位的石墨烯薄膜開始與目標(biāo)基底貼敷，最終完全貼合；4)任選地除去背膠保護層。在本發(fā)明方法的具體實施方案中，所述帶有背膠保護層的金屬基底負載型石墨烯薄膜例如為通過化學(xué)氣相沉積方法，在金屬基底的兩面形成單層或多層的石墨烯后，在金屬基底正面的石墨烯上涂覆背膠保護層，而后通過氧等離子體蝕刻除去金屬基底背面不需要的石墨烯后所得到的負載型石墨烯薄膜。本發(fā)明方法中所用的帶有背膠保護層的金屬基底負載型石墨烯薄膜也可以是還通過化學(xué)摻雜(例如硝酸或碘等)和電摻雜(在離子液體環(huán)境下通加門電壓來改變載流子濃度)而改進了方塊電阻的金屬基底負載型石墨烯薄膜。所述金屬基底可為銅箔、鎳箔(或鎳膜)或其它金屬的箔片(或膜片)。在本發(fā)明方法的優(yōu)選實施方案中，所述金屬基底為銅箔。所述腐蝕金屬基底用的溶液可為本領(lǐng)域常用的各種溶液，只要能達到本發(fā)明的目的即可。在本發(fā)明方法的優(yōu)選實施方案中，所述腐蝕金屬基底用的溶液為Fe(NO3)3溶液或
目標(biāo)基底在承載板上的位置是預(yù)先確定的，優(yōu)選應(yīng)使得目標(biāo)基底與石墨烯薄膜完全貼合后，二者的位置基本對正，或使得石墨烯薄膜基本位于目標(biāo)基底的中央。所述目標(biāo)基底例如可為各種聚合物，如聚酯、塑料、聚四氟乙烯等；各種玻璃，如石英、藍寶石、金鋼石、 剛玉等；硅，如單晶硅、多晶硅等；金屬，如錫、鎳等。步驟3中懸吊裝置被拉起的速度應(yīng)足夠慢，以使薄膜與目標(biāo)基底之間的溶液緩慢排開，盡可能地避免排水速度對薄膜造成的擾動。當(dāng)裝置中有多個懸吊裝置及牽引裝置存在時，優(yōu)選按順序啟動各個牽引裝置，使承載板升起過程有左右的輕度扭轉(zhuǎn)，例如扭轉(zhuǎn)5-20°，便于薄膜在目標(biāo)基底上的貼敷。所述背膠保護層例如為PMMA。任選地使用有機溶液，例如丙酮，來除去所述的 PMMA保護層。 本發(fā)明另一方面還提供由上述方法制得的石墨烯復(fù)合薄膜。由于采用了本發(fā)明的使石墨烯薄膜無間隙平整貼敷于目標(biāo)基底的裝置，由本發(fā)明方法所得到的石墨烯復(fù)合薄膜實現(xiàn)了薄膜與基底材料的無缺陷貼敷，在石墨烯薄膜的成品率方面較現(xiàn)有技術(shù)取得了極大的改進。實施例以下通過實施例對本發(fā)明進行示例說明。通過以下方法來提供帶有背膠保護層的金屬基底負載型石墨烯薄膜1.石墨烯生長過程如下進行首先將5X20cm2面積的銅箔在氬氣和氫氣環(huán)境下 (氬氣約95體積份，氫氣約5體積份)于08厘米Χ 80厘米(長度)的密閉體系中于 1000°c預(yù)熱處理1. 5小時。然后通入甲烷，進行碳分解，混合氣體流量為500立方厘米每分鐘(混合氣體中氬氣約95體積份，氫氣約5體積份，甲烷約0. 03體積份)，生長時間約為 20分鐘。生長過程中第一步將通過氣體流量和壓力來控制石墨烯的成核密度，第二步再加大氣體流量來獲得連續(xù)均勻的單層石墨烯，氣相沉積在銅箔的兩面同時發(fā)生；2.在銅箔正面的石墨烯上涂覆PMMA背膠保護層，涂層厚度約為200 300納米；3.而后通過氧等離子體蝕刻除去銅箔背面不需要的石墨烯。將上述帶有背膠保護層的金屬基底負載型石墨烯薄膜用于以下本發(fā)明實施例及對比例。實施例1所用裝置如圖1和2所示。向長X寬X高約為40 X 40 X 40cm3的箱體內(nèi)注入！^ (NO3) 3溶液45L。將目標(biāo)基底(約20X20cm2的石英玻璃)置于約30X30cm2的承載板上基本居中的位置，并通過牽引裝置的動作將懸吊裝置放下，使目標(biāo)基底完全浸入所述溶液中。將上述帶有背膠保護層的金屬基底負載型石墨烯薄膜放入所述溶液中，待其張開并平鋪于溶液表面后，通過牽引裝置緩慢拉起懸吊裝置。牽引裝置的啟動時間使得承載板牽引端左右傾斜約10°的角度，拉起速度為0. 5mm/s。薄膜通過薄膜定位裝置噴出的氬氣而大致漂浮于液面的中央位置，氣體流量為0.5m3/h。隨著承載板的緩慢抬起，薄膜與目標(biāo)基底無間隙地平整貼敷在一起。通過丙酮除去背膠保護層，制得石墨烯復(fù)合薄膜。測定所制得的石墨烯復(fù)合薄膜的性能，結(jié)果如表1所示。
實施例2所用裝置如圖1和2所示。實驗過程如實施例1所述進行，不同之處在于承載板牽引端左右傾斜約15°的角度，拉起速度為l.Omm/s，氣體流量為0.4m3/h。隨著承載板的緩慢抬起，薄膜與目標(biāo)基底無間隙地平整貼敷在一起。通過丙酮除去背膠保護層，制得石墨烯復(fù)合薄膜。測定所制得的石墨烯復(fù)合薄膜的性能，結(jié)果如表1所示。實施例3所用裝置如圖1和2所示。實驗過程如實施例1所述進行，不同之處在于承載板牽引端左右傾斜約5°的角度，拉起速度為0. lmm/s，氣體流量為0. 5m3/h。隨著承載板的緩慢抬起，薄膜與目標(biāo)基底無間隙地平整貼敷在一起。通過丙酮除去背膠保護層，制得石墨烯復(fù)合薄膜。測定所制得的石墨烯復(fù)合薄膜的性能，結(jié)果如表1所示。實施例4所用裝置如圖1和2所示。實驗過程如實施例1所述進行，不同之處在于承載板牽引端左右傾斜約0°的角度，拉起速度為0. 8mm/s，氣體流量為0. 6m3/h。隨著承載板的緩慢抬起，薄膜與目標(biāo)基底無間隙地平整貼敷在一起。通過丙酮除去背膠保護層，制得石墨烯復(fù)合薄膜。測定所制得的石墨烯復(fù)合薄膜的性能，結(jié)果如表1所示。對比例1向50L的箱體內(nèi)注入!^e(NO3) 3溶液45L。將上述帶有背膠保護層的金屬基底負載型石墨烯薄膜放入所述溶液中，待其張開并平鋪于溶液表面后，通過石英玻璃片將所述薄膜從溶液中撈起。通過丙酮除去背膠保護層，制得石墨烯復(fù)合薄膜。測定所制得的石墨烯復(fù)合薄膜的性能，結(jié)果如表1所示。表1實施例和對比實施例中制得的石墨烯復(fù)合薄膜外觀及性能
權(quán)利要求
1.一種用于生產(chǎn)石墨烯復(fù)合薄膜的裝置，該裝置包括一個箱體(5)，用于容納腐蝕金屬基底用的溶液(1)；一個承載板(3)，用于承載目標(biāo)基底，所述承載板的一端可動連接于箱體的一個側(cè)壁上，；至少一個懸吊裝置(7)，所述懸吊裝置與所述承載板的另一端相連；至少一個牽引裝置(6)，所述牽引裝置與所述懸吊裝置一一對應(yīng)，用于拉起或放下所述懸吊裝置；以及至少一個薄膜定位裝置(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述承載板與箱體的可動連接為可轉(zhuǎn)動連接，例如為搭扣或鉸鏈結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述承載板可作0-360°轉(zhuǎn)動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的裝置，其中所述承載板上帶有固定部件，如凸緣等，以固定目標(biāo)基底在其上的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的裝置，其中所述懸吊裝置為懸掛桿或懸掛線；所述牽引裝置為選自電機、氣缸和滑輪中的一種或多種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的裝置，其中所述裝置具有多個懸吊裝置和牽引裝置， 優(yōu)選具有兩個懸吊裝置和牽弓I裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的裝置，其中所述薄膜定位裝置為噴嘴，所述噴嘴優(yōu)選均勻分布于箱體除連接承載板一側(cè)外的其余三個側(cè)壁上。
8.一種使用權(quán)利要求1-7之一的裝置來生產(chǎn)石墨烯復(fù)合薄膜的方法，該方法包括以下步驟1)向箱體內(nèi)注入腐蝕金屬基底用的溶液；2)將目標(biāo)基底置于承載板上合適的位置，并通過牽引裝置的動作將懸吊裝置放下，使目標(biāo)基底完全浸入所述溶液中；3)將帶有背膠保護層的金屬基底負載型石墨烯薄膜放入所述溶液中，待金屬基底腐蝕并使薄膜張開后，通過牽引裝置的動作緩慢拉起懸吊裝置，帶動承載板與其相連的一端向上移動，隨著承載板的緩慢抬起，通過薄膜定位裝置定位的石墨烯薄膜開始與目標(biāo)基底緩慢貼敷，最終完全貼合；4)任選地除去背膠保護層；其中所述帶有背膠保護層的金屬基底負載型石墨烯薄膜例如為通過化學(xué)氣相沉積方法，在金屬基底的兩面形成單層或多層的石墨烯后，在金屬基底正面的石墨烯上涂覆背膠保護層，而后通過氧等離子體蝕刻除去金屬基底背面不需要的石墨烯后所得到的負載型石墨烯薄膜；優(yōu)選為還通過化學(xué)摻雜和電摻雜而改進了方塊電阻的金屬基底負載型石墨烯薄膜；所述金屬基底優(yōu)選為銅箔，所述腐蝕金屬基底用的溶液優(yōu)選為狗(NO3) 3溶液或I^eCl3 溶液，所述目標(biāo)基底優(yōu)選為選自以下的至少一種聚合物，如聚酯、塑料、聚四氟乙烯等；玻璃，如石英、藍寶石、金鋼石、剛玉等；硅，如單晶硅、多晶硅等；金屬，如錫、鎳等。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述裝置中存在多個懸吊裝置及牽引裝置，所述懸吊裝置優(yōu)選按順序啟動，使承載板升起過程有左右的輕度扭轉(zhuǎn)，例如扭轉(zhuǎn)5-20°。
10.由權(quán)利要求8-9之一的方法制得的石墨烯復(fù)合薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)石墨烯復(fù)合薄膜的裝置，該裝置包括一個箱體(5)，用于容納腐蝕金屬基底用的溶液(1)；一個承載板(3)，用于承載目標(biāo)基底，所述承載板的一端可動連接于箱體的一個側(cè)壁上；至少一個懸吊裝置(7)，所述懸吊裝置與所述承載板的另一端相連；至少一個牽引裝置(6)，所述牽引裝置與所述懸吊裝置一一對應(yīng)，用于拉起或放下所述懸吊裝置；以及至少一個薄膜定位裝置(2)。本發(fā)明還涉及使用所述裝置生產(chǎn)石墨烯復(fù)合薄膜的方法，以及由所述方法得到的石墨烯復(fù)合薄膜。
文檔編號B32B9/04GK102529297SQ201110443759
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者彭鵬, 金虎 申請人:金虎