利用碳纳米管膜转移二维纳米材料的方法与流程

本发明涉及一种二维纳米材料的转移方法，尤其涉及一种利用碳纳米管膜转移二维纳米材料的方法。

背景技术：

二维纳米材料如石墨烯、氮化硼、二硫化钼等由于优异的性质成为化学、材料学、物理学的研究热点。规模化制备和转移仍然是二维纳米材料研究的重点。目前，从铜等基底转移二维纳米材料的最常用的方法是：采用聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或热释放胶带等作为转移媒介，刻蚀铜后，将二维纳米材料和转移媒介转移到目标基底上，最后去除转移媒介。但在实际操作中，pmma或热释放胶带不易清除干净，残留的有机粘合剂会对二维纳米材料造成很大的污染，进而影响性能表征和器件制备。

为解决上述问题，有人提出一种无胶转移法，即不使用转移媒介，直接将目标基底与生长基底上生长的二维纳米材料接触并热压印，刻蚀去除生长基底，完成二维纳米材料由生长基底至目标基底的转移。但使用这种方法，转移后的二维纳米材料褶皱和皱纹较多，二维纳米材料在转移过程中容易破损。

技术实现要素：

有鉴于此，确有必要提供一种干净、无污染、二维纳米材料不易破损的转移方法。

一种利用碳纳米管膜转移二维纳米材料的方法，其具体包括以下步骤：提供一第一基底，所述第一基底表面形成有二维纳米材料；将一碳纳米管膜结构覆盖于所述第一基底形成有二维纳米材料的表面；用腐蚀液去除所述第一基底，并将所述二维纳米材料与所述碳纳米管膜结构形成的二维纳米材料/碳纳米管膜结构复合结构置于一清洗液清洗；提供一目标基底，利用所述目标基底从清洗液中捞起所述二维纳米材料/碳纳米管膜结构复合结构，使所述目标基底与所述二维纳米材料贴合；去除所述碳纳米管膜结构，所述二维纳米材料转移至所述目标基底的表面。

与现有技术相比，本发明提供的利用碳纳米管膜转移二维纳米材料的方法，干净、不会引入其它杂质，转移后的二维纳米材料几乎无破损、完整度高。

附图说明

图1为本发明提供的利用碳纳米管膜转移二维纳米材料的工艺流程图。

图2为生长于铜箔表面的单层石墨烯的光学显微镜照片。

图3为将碳纳米管膜结构覆盖于铜箔生长有石墨烯的表面的光学显微镜照片。

图4为转移后的石墨烯的透射电镜照片。

图5为生长于硅片表面的硫化钼的光学显微镜照片。

图6为转移至目标基底表面的硫化钼的扫描电镜照片。

主要元件符号说明

第一基底101

二维纳米材料102

碳纳米管膜结构103

目标基底104

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明提供的利用碳纳米管膜转移二维纳米材料的方法。

请参阅图1，本发明提供一种利用碳纳米管膜转移二维纳米材料的方法，其具体包括以下步骤：

s1，提供一第一基底101，该第一基底101表面形成有二维纳米材料102；

s2，将一碳纳米管膜结构103覆盖于所述第一基底101形成有二维纳米材料102的表面；

s3，用腐蚀液去除所述第一基底101，并将所述二维纳米材料102与所述碳纳米管膜结构103形成的二维纳米材料/碳纳米管膜结构复合结构置于一清洗液清洗；

s4，提供一目标基底104，利用所述目标基底104从清洗液中捞起所述二维纳米材料/碳纳米管膜结构复合结构，使所述目标基底104与所述二维纳米材料102贴合；

s5，去除所述碳纳米管膜结构103，所述二维纳米材料102转移至所述目标基底104的表面。

以下对步骤s1～s5作具体说明。

步骤s1中，提供一第一基底101，该第一基底101表面形成有二维纳米材料102。

所述第一基底101主要作为二维纳米材料生长和稳定存在的载体，其本身具有一定的稳定性，但可以通过化学方法或物理方法去除。所述第一基底101根据不同的应用可选用半导体材料或金属材料等，具体地，所述第一基底101可以为硅片、铜箔、镍箔或铜镍合金等。

可以通过各种方法如化学气相沉积法在所述第一基底101表面形成所述二维纳米材料102。所述二维纳米材料102可以为石墨烯、氮化硼、二硫化钼等。所述二维纳米材料的层数不限，可以为一层、两层或多层。

步骤s2中，将一碳纳米管膜结构103覆盖于所述第一基底101形成有二维纳米材料102的表面。

所述碳纳米管膜结构103为一自支撑结构，由至少两层碳纳米管膜交叉层叠设置而成，可以理解，所述碳纳米管膜的层数越多，所述碳纳米管膜结构103的透光性越弱而透明度越低，优选地，所述碳纳米管膜结构103由两层碳纳米管膜交叉层叠设置而成。其中，所述碳纳米管膜包括多个通过范德华力首尾相连且沿同一方向延伸的碳纳米管，该多个碳纳米管的延伸方向基本平行于所述碳纳米管膜的表面，相邻两层碳纳米管膜中的碳纳米管的延伸方向形成一夹角α，0°<α≤90°。

所述碳纳米管膜为直接从一碳纳米管阵列中拉取获得，其具体包括以下步骤：

首先，提供一形成于一生长基底的碳纳米管阵列，该阵列为超顺排的碳纳米管阵列。

该碳纳米管阵列采用化学气相沉积法制备，该碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于生长基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。该碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等，适于从中拉取碳纳米管膜。

其次，采用一拉伸工具从所述碳纳米管阵列中拉取碳纳米管获得一碳纳米管膜，其具体包括以下步骤：从所述超顺排碳纳米管阵列中选定一个或具有一定宽度的多个碳纳米管，可以采用具有一定宽度的胶带接触碳纳米管阵列以选定一个或具有一定宽度的多个碳纳米管；以一定速度拉伸该选定的碳纳米管，从而形成首尾相连的多个碳纳米管片段，进而形成一连续的碳纳米管膜。该拉取方向沿基本垂直于碳纳米管阵列的生长方向。

在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离生长基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片段分别与其它碳纳米管片段首尾相连地连续地被拉出，从而形成一连续、均匀且具有一定宽度的自支撑的碳纳米管膜。所谓“自支撑结构”即该碳纳米管膜无需通过一支撑体支撑，也能保持一膜的形状。该碳纳米管膜包括多个基本沿同一方向择优取向排列且通过范德华力首尾相连的碳纳米管，该多个碳纳米管基本沿拉伸方向排列并平行于该碳纳米管膜表面。

制备出碳纳米管膜之后，将所述多个碳纳米管膜层叠且交叉铺设以形成所述碳纳米管膜结构103。具体操作步骤包括：先将一碳纳米管膜沿一个方向覆盖至一框架上；再将另一碳纳米管膜沿另一方向覆盖至先前的碳纳米管膜表面，如此反复多次，在该框架上铺设多个碳纳米管膜，从而形成一碳纳米管膜结构。注意地是，该多个碳纳米管膜可沿各自不同的方向铺设，也可仅沿两个交叉的方向铺设。

由于该碳纳米管膜具有较大的比表面积，因此该碳纳米管膜具有较大粘性，故多层碳纳米管膜可以相互通过范德华力紧密结合形成一稳定的碳纳米管膜结构103。

将所述碳纳米管膜结构103覆盖于所述第一基底101形成有二维纳米材料102的表面，所述碳纳米管膜结构103通过范德华力与所述第一基底101表面的二维纳米材料102贴合在一起而形成一第一基底/二维纳米材料/碳纳米管膜结构复合结构。进一步地，可以采用有机溶剂处理所述第一基底/二维纳米材料/碳纳米管膜结构复合结构，利用有机溶剂挥发的表面张力增加所述碳纳米管膜结构103和所述二维纳米材料102之间的结合力。

所述使用有机溶剂处理的步骤具体为：将有机溶剂均匀滴加在所述第一基底/二维纳米材料/碳纳米管膜结构复合结构中碳纳米管膜结构103的表面上并浸润整个碳纳米管膜结构103，或者，也可以将所述第一基底/二维纳米材料/碳纳米管膜结构复合结构浸入盛有机溶剂的容器中浸润。所述有机溶剂为常温下易挥发的有机溶剂，可以选用乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷和氯仿中一种或者几种的混合。

通过有机溶剂处理后，所述碳纳米管膜结构103和所述二维纳米材料102通过范德华力的作用和溶剂表面张力的作用而紧密贴合在一起。

步骤s3中，用腐蚀液去除所述第一基底101，并将所述二维纳米材料102与所述碳纳米管膜结构103形成的二维纳米材料/碳纳米管膜结构复合结构置于一清洗液清洗。

将所述第一基底/二维纳米材料/碳纳米管膜结构复合结构放置于腐蚀液中使所述第一基底101与所述腐蚀液发生化学反应，直至所述第一基底101被腐蚀干净，而所述碳纳米管膜结构103由于自身的疏水性漂浮在腐蚀液表面不会下沉，所述二维纳米材料102由于与所述碳纳米管膜结构103之间的范德华力而紧紧地附着在所述碳纳米管膜结构103的下表面。所述碳纳米管膜结构103本身具有一定的自支撑作用，可以作为所述二维纳米材料102稳定存在的载体而不破坏或减少破坏所述二维纳米材料102。

所述腐蚀液的作用为腐蚀所述第一基底101，可以根据所述第一基底101的材料来选择不同的腐蚀液。该腐蚀液可以是酸液、碱液或盐溶液，例如氯化铁溶液、过硫酸铵溶液、氢氧化钾溶液等。可以理解，由于所述第一基底101的大小和厚度以及所使用腐蚀液的浓度和种类的不同，其所需要的腐蚀时间也不同。

待所述第一基底101被腐蚀干净后，所述碳纳米管膜结构103与所述二维纳米材料102形成一二维纳米材料/碳纳米管膜复合结构。可以进一步清洗所述二维纳米材料/碳纳米管膜复合结构，去除所述二维纳米材料表面残留的杂质，其具体包括以下步骤：利用一载玻片从所述腐蚀液中捞起所述二维纳米材料/碳纳米管膜复合结构；通过所述载玻片将所述二维纳米材料/碳纳米管膜复合结构转移到一清洗液表面，漂洗掉残留的杂质，如此反复多次。其中，所述清洗液为酸溶液或超纯水。

在步骤s4中，提供一目标基底104，利用所述目标基底104从清洗液中捞起所述二维纳米材料/碳纳米管膜复合结构，使所述目标基底104与所述二维纳米材料102贴合。

所述目标基底104用于承载所述二维纳米材料102。所述目标基底104的材料不限，可以为金属材料，例如金、铝、镍、铬、铜等，可以为半导体材料，例如硅、氮化镓、砷化镓等，也可以为绝缘材料，例如二氧化硅、氮化硅等。所述目标基底104的长度、宽度及厚度不限，可根据需要调整。所述目标基底104的表面可以为一平面，也可以为一曲面。

所述目标基底104可以为一个没有通孔的基底。所述目标基底104也可以为一具有至少一个通孔的基底，所述通孔可以通过刻蚀的方法形成，所述通孔的孔径为0.1微米～100微米，优选地，所述通孔的孔径为0.5微米～50微米，所述通孔的形状可以为圆形、四边形、六边形、八边形或椭圆形等。当所述目标基底104具有多个通孔时，所述多个通孔的形状及排列方式不限，所述多个通孔之间的距离可相等或不等，优选地，所述多个通孔均匀分布在所述目标基底104中。

将所述目标基底104插入所述清洗液中，使所述目标基底104在清洗液中对准所述二维纳米材料102、缓慢地捞起所述二维纳米材料/碳纳米管膜结构复合结构，在捞起的过程中所述目标基底104与所述二维纳米材料102贴合，然后干燥所述目标基底104及该目标基底104表面的二维纳米材料/碳纳米管膜结构复合结构，这样可以使所述目标基底104与所述二维纳米材料102紧紧地贴合在一起。

本案中，所述目标基底104从清洗液中捞起所述二维纳米材料/碳纳米管膜结构复合结构，在捞起的过程中该复合结构转移至所述目标基底104的表面，可以减少所述二维纳米材料102表面的褶皱和裂纹，且有助于增强所述二维纳米材料102与所述目标基底104之间的结合力。

需要注意地的是，由于所述碳纳米管膜结构103具有多个微孔，而具有一定的透光性、透明度较高，在体视显微镜下，透过所述碳纳米管膜结构103可以观察到所述二维纳米材料102的位置，可以预先使所述目标基底104在水下对准所述二维纳米材料102，再向上捞起所述二维纳米材料/碳纳米管膜复合结构，从而使得所述二维纳米材料102覆盖在所述目标基底104的特定位置，将所述二维纳米材料102转移至所述目标基底104的特定位置，从而实现所述二维纳米材料102的定点转移，这是利用碳纳米管膜转移二维纳米材料的优点之一。

步骤s5中，去除所述碳纳米管膜结构103，所述二维纳米材料102转移至所述目标基底104的表面。

所述去除所述碳纳米管膜结构103的方法不限，只需保证将所述碳纳米管膜结构103完全去除即可。

本发明提供了两种去除所述碳纳米管膜结构103的方法。

第一种方法采用一高分子聚合物膜去除所述碳纳米管膜结构103，即在所述碳纳米管膜结构103远离所述目标基底104的表面形成一高分子聚合物膜，经加热或辐照处理后，撕下所述高分子聚合物膜，所述碳纳米管膜结构103随所述高分子聚合物膜撕下而被去除，其具体包括以下步骤：

步骤(1)，在所述碳纳米管膜结构103远离所述目标基底104的表面形成一高分子聚合物膜105。

所述高分子聚合物膜选用加热至一定温度时交联程度变高的材料，可以为聚甲基硅氧烷(pdms)、聚丙烯酸丁酯(pba)等热固性材料。所述高分子聚合物膜完全覆盖所述碳纳米管膜结构103的表面，所述高分子聚合物膜的面积大于或等于所述碳纳米管膜结构103的面积。

步骤(2)，在一定温度下加热一段时间，使所述高分子聚合物膜内部的交联程度变高。

加热温度与加热时间与所述高分子聚合物膜的材料有关，当高分子聚合物膜为pdms膜时，在150摄氏度下加热20分钟～40分钟即可。在一定温度下加热一段时间后，所述高分子聚合物膜内部的交联程度变高，此时，所述高分子聚合物膜易被撕下，且所述高分子聚合物膜仅与所述碳纳米管膜结构103粘合在一起，所述高分子聚合物膜与所述碳纳米管膜结构103之间的结合力大于所述二维纳米材料102与所述碳纳米管膜结构103之间的结合力，则撕下所述高分子聚合物膜时，所述碳纳米管膜结构103也被撕下。

步骤(3)，撕下所述高分子聚合物膜105，所述碳纳米管膜结构103随所述高分子聚合物膜105撕下而被去除。

可以用镊子等工具夹取所述高分子聚合膜的一侧将所述高分子聚合物膜撕下，所述碳纳米管膜结构103随所述高分子聚合物膜105撕下而被撕下，而所述二维纳米材料102完整地留在所述目标基底104的表面，所述二维纳米材料102表面无破损、无残留。

第二种方法具体包括以下步骤：

(a)所述碳纳米管膜结构103由n层碳纳米管膜交叉层叠设置而成时，其中，n≥2，沿碳纳米管的延伸方向，用镊子等工具依次撕下所述碳纳米管膜结构103表面的第1层～第n-1层碳纳米管膜。

(b)提供至少一条状结构，将所述条状结构放置在第n层碳纳米管膜的表面，所述条状结构设置于所述二维纳米材料102所在区域的一侧，且所述条状结构的延伸方向垂直于所述第n层碳纳米管膜中碳纳米管的延伸方向。

优选地，提供至少两个条状结构，且所述至少两个条状结构设置于所述二维纳米材料102所在区域的两侧。

(c)沿所述碳纳米管的延伸方向撕下所述条状结构，所述第n层碳纳米管膜随所述条状结构撕下而被去除。

其中，所述条状结构具有一定的粘性而能够与所述第n层碳纳米管粘合在一起，所述条状结构可以为高分子聚合物膜或透明胶带等，由于所述第n层碳纳米管膜为一连续性膜，故在撕下所述条状结构的过程中，所述第n层碳纳米管膜随所述条状结构撕下而被撕下，而所述二维纳米材料完整地保留在所述目标基底104的表面。

以上两种方法，均可以完全去除所述二维纳米材料102表面的碳纳米管膜结构103，所述二维纳米材料102表面无残留、无破损。

本发明第一实施例提供一种利用碳纳米管膜转移二维纳米材料的方法，其中，所述第一基底为一铜箔；所述二维纳米材料为直接生长于所述铜箔表面的单层石墨烯；所述碳纳米管膜结构包括两层交叉且层叠设置的碳纳米管膜，所述碳纳米管膜包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管沿同一方向择优取向排列；所述目标基底为一多孔氮化硅基底，所述多孔氮化硅基底的孔径为2微米。

图2为生长于铜箔表面的单层石墨烯的光学显微镜照片；图3为将碳纳米管膜结构覆盖于所述铜箔生长有石墨烯的表面的光学显微镜照片；从图2及图3可以看出，所述碳纳米管膜结构具有一定的透明性，透过所述碳纳米管膜结构可以清楚地看到所述石墨烯的位置。

图4为转移后的石墨烯转的透射电镜照片；从图4可以看出，转移后的石墨烯表面非常干净、无破损。

本发明第二实施例提供一种利用碳纳米管膜转移二维纳米材料的方法，其中，所述第一基底为一硅片；所述二维纳米材料为直接生长于硅片表面的单层硫化钼；所述碳纳米管膜结构包括两层交叉且层叠设置的碳纳米管膜，所述碳纳米管膜包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管沿同一方向择优取向排列；所述目标基底为一没有通孔的硅基底，且该硅基底表面铺设有金电极。

图5为生长于硅片表面的硫化钼的光学显微镜照片；图6为转移至目标基底表面的硫化钼的扫描电镜照片。从图5及图6可以看出，生长于硅片上的三角形的硫化钼单晶完整地转移至目标基底的表面，且硫化钼单晶之间的相对位置没有发生变化。

本发明提供的一种利用碳纳米管膜转移二维纳米材料的方法具有以下优点：其一，与以往用pmma等聚合物转移二维纳米材料的方法相比，用碳纳米管膜转移二维纳米材料更加干净，二维纳米材料表面没有残胶，且用碳管膜转移二维纳米材料为纯碳转移，不会引入其它的杂质；其二，与没有转移媒介的转移方法相比，用碳纳米管膜转移的二维纳米材料褶皱和裂纹更少，破损率低，几乎无破损，完整度高；其三，碳纳米管膜具有一定的透光性而透明度较高，透过碳纳米管膜可以看到二维纳米材料的位置，在体视显微镜下可以精准地将二维纳米材料转移到目标基底的特定位置；其四，碳纳米管膜具有一定的柔韧性，利用碳纳米管膜可以将二维纳米材料转移至一曲面基底上。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。