一種在目標器件上形成圖案化的石墨烯的方法與流程
2023-04-23 13:44:03
本發明涉及一種石墨烯圖案化的方法，屬於石墨烯電子器件製造領域。
背景技術：
石墨烯作為一種新型的二維碳材料，由於其優異的電學、光學性質以及穩定的化學特性，在微電子領域具有廣闊的應用前景。化學氣相沉積(CVD)方法是取得高質量石墨烯的重要途徑之一，也是目前唯一一種可以真正實現產業化生產的方法。目前，無錫格菲電子薄膜科技有限公司通過對CVD法製備石墨烯的改進，展開了大批量的工業化生產。近年來，隨著石墨烯電子器件突飛猛進的發展，石墨烯薄膜的應用所能涉獵的電子器件越來越多，比如作為觸控傳感器的手機屏、智能貼膜，具有電加熱功能的加熱片，等等。然而，這些電子器件，無論是作為觸控傳感器還是加熱片，一般都需要對石墨烯進行圖案化，即將整片的單層或多層的石墨烯變成具有一定圖案形狀的石墨烯。
迄今為止，石墨烯電子器件製作過程中的圖案化石墨烯主要有以下兩種方法：
1、雷射刻蝕方法：也叫雷射直寫工藝，在已轉移好石墨烯的器件上使用雷射將需去除的石墨烯掃除，形成圖案化的石墨烯。
2、掩膜刻蝕工藝。在石墨烯表面製作掩膜保護不需去除的石墨烯，使用氧等離子體將需去除的石墨烯刻蝕，然後去掉掩膜，形成圖案化的石墨烯。
直接使用雷射刻蝕方法去除器件上的石墨烯，無需掩膜，但有些器件上難以使用雷射進行作業，比如已有不耐雷射塗層(雷射會將塗層進行二次刻蝕導致破壞)。掩膜刻蝕工藝需將無需刻蝕的區域用掩膜保護，去除掩膜的過程通常用鹼性溶液容易造成石墨烯性質的變化及汙染，且易發生去除區域石墨烯殘留無法完全去除的現象，同時兩者均可能會對器件本身造成損傷，以及不適用於非平整表面的器件高質量圖案化石墨烯。
技術實現要素：
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供了一種在目標器件上形成圖案化的石墨烯的方法。該方法可以解決在一些器件上難以圖案化石墨烯的問題；更進一步的，不會改變石墨烯原有的性質也不會汙染石墨烯，也不會有去除區域石墨烯殘留現象。
本發明的目的通過以下技術方案來具體實現：
一種在目標器件上形成圖案化的石墨烯的方法，採用氣相沉積法在金屬襯底上生長的石墨烯轉移至所需要應用的目標器件上的轉移過程中且尚未轉移到目標器件之前，先對石墨烯薄膜進行圖案化，再將圖案化的石墨烯薄膜最終轉移至目標器件。
本發明經試驗驗證，在本發明上述目標器件上形成圖案化的石墨烯的方法提出的總構思下，根據石墨烯在轉移過程中不同的圖案化處理時機，有三種可行性方案。下面分別對這三種方案進行闡述說明。
第一種方案：在目標器件上形成圖案化的石墨烯的方法，包括如下步驟：
1)將生長好石墨烯的金屬箔與基底膜貼合，形成金屬箔/石墨烯/基底膜的複合疊層結構；
2)通過刻蝕液刻蝕掉金屬箔，將石墨烯保留在基底膜上，形成石墨烯/基底膜的複合膜結構；
3)對基底膜上的石墨烯進行圖案化；
4)再將步驟3)得到的圖案化的石墨烯/基底膜的石墨烯面與與所述目標器件貼合，形成基底膜/圖案化石墨烯/目標器件結構，移除基底膜，即在目標器件上形成圖案化的石墨烯。
優選地，所述步驟3)中用雷射照射所述步驟2)所得複合膜基底膜正面或背面，以對基底膜上的石墨烯進行照射刻蝕。
進一步優選地，所述步驟3)，通過雷射機以4-12W的功率，2200-3000mm/s的走速進行照射刻蝕。
優選地，所述步驟3)中，從所述步驟2)所得複合膜的石墨烯的方向直接對石墨烯進行圖案化，優選的，所述圖案化工藝為雷射直寫的方法或等離子體刻蝕的方法。
第二種方案：在目標器件上形成圖案化的石墨烯的方法，其特徵在於：包括如下步驟：
1)將生長好石墨烯的金屬箔與基底膜貼合，形成金屬箔/石墨烯/基底膜的複合疊層結構；
2)用雷射從基底膜的方向透過基底膜對石墨烯表面進行圖案化刻蝕，得到金屬箔/圖案化的石墨烯/基底膜的複合疊層結構；
3)刻蝕掉金屬箔，得到圖案化的石墨烯/基底膜的結構；
4)再將步驟3)得到的圖案化的石墨烯/基底膜的石墨烯面與與所述目標器件貼合，形成基底膜/圖案化石墨烯/目標器件結構，移除基底膜，即在目標器件上形成圖案化的石墨烯。
優選地，所述步驟2)中，通過雷射機以4-12W的功率，2200-3000mm/s的走速進行照射刻蝕。
第三種方案：在目標器件上形成圖案化的石墨烯的方法，其特徵在於：包括如下步驟：
1)先對生長好石墨烯的金屬箔上的石墨烯面直接進行圖案化處理，得到金屬箔/圖案化的石墨烯的複合結構；
2)在步驟1)得到的金屬箔/圖案化的石墨烯的石墨烯膜表面貼合基底膜，得到金屬箔/圖案化的石墨烯/基底膜的複合結構；
3)刻蝕掉金屬箔，得到圖案化的石墨烯/基底膜的複合結構；
4)再將步驟3)得到的圖案化的石墨烯/基底膜的石墨烯面與與所述目標器件貼合，形成基底膜/圖案化石墨烯/目標器件結構，移除基底膜，即在目標器件上形成圖案化的石墨烯。
優選地，所述步驟1)中，所述圖案化處理採用雷射直寫或等離子體刻蝕的方法。
優選的，本發明涉及的所述金屬箔包含銅箔、鎳箔、釕箔、鉑箔、鈀箔或者它們的合金箔；箔厚度為10μm～100μm，優選厚度為15μm～30μm；所述的基底膜設有粘性的膠質層，石墨烯與膠質層的結合力小於石墨烯與目標器件的結合力。基底膜用膠質層一面與石墨烯貼合，膠質層受熱的情況下與石墨烯分離，以至於可以使已圖案化的石墨烯充分轉移至目標器件上。
所述基底膜為矽膠PET膜、熱剝離膠帶、熱固化膠帶等。
本發明中，刻蝕金屬箔採用CVD法生長石墨烯後轉移方法中常用的方法，一般採用化學刻蝕法，其中，所述金屬箔刻蝕液為FeCl3、CuCl2、(NH4)2S2O8等溶液；
本發明中，所述目標器件包括不耐受雷射器件、不耐化學刻蝕器件以及存在一些曲面或不規則表面等存在難以高質量圖案化石墨烯的器件。無論怎樣的器件，均可以用本發明方法在其表面設置圖案化的石墨烯。
本發明中，根據目標器件需求，可以通過本發明提供的上述方法轉移一層圖案化的石墨烯，也可以通過本發明方法轉移多層圖案化的石墨烯。
本發明有益效果：
(1)與在器件上使用雷射去除相比，可適用於不耐受雷射的器件上，擴寬石墨烯的應用發展方向；
(2)與掩膜刻蝕工藝相比，無需用溶液去除掩膜，從而避免了溶液對石墨烯的汙染；
(3)存在一些曲面或不規則表面等存在難以高質量圖案化石墨烯的器件，可通過此方案高質量圖案化石墨烯，在轉移至複雜器件上。
附圖說明
圖1為本發明實施例1的工藝流程示意圖(第一種方案)；
圖2為本發明實施例2的工藝流程示意圖(第二種方案)；
圖3為本發明實施例3的工藝流程示意圖(第三種方案)
其中，1-金屬箔，2-石墨烯，3-基底膜，4-PET膜(目標器件)，5-ITO導電層，6-曲面材料。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。
實施例1：
ITO層+石墨烯層雙層導電層結構的互電容觸控螢幕sensor製作示例
參見圖1所示，其製作工藝流程如下：
S1：將生長好石墨的銅箔貼合在矽膠PET膜上，形成銅箔/石墨烯/矽膠PET膜結構；
S2：通過0.2±0.1mol/L的(NH4)2S2O8刻蝕液刻蝕掉銅箔，使石墨烯保留在矽膠PET膜上，形成石墨烯/矽膠PET結構；
S3：通過吉事達雷射機以4-12W(功率)/2200-3000mm/S(走速)/220-300Hz(頻率)參數通過雷射將矽膠PET膜上的石墨烯圖案化；
S4：將已圖案化的石墨烯轉移至已做好ITO圖案的PET背面上，再移除矽膠PET，即製作成具有雙層導電層(ITO導電層和石墨烯導電層)的觸控螢幕sensor。由於PET上ITO已做好圖案，而ITO不耐雷射刻蝕，故無法再在器件上面使用雷射刻蝕石墨烯，通過先在矽膠PET上將石墨烯圖案化後再轉移，可以有效解決此問題。；
實施例2：
石墨烯在曲率半徑為5cm弧形玻璃上的圖案化
參見圖2所示，其製作工藝流程如下：
S1：將生長好石墨烯的銅箔通過吉事達雷射機以4-12W(功率)/2200-3000mm/S(走速)/220-300Hz(頻率)參數將銅箔上的石墨烯圖案化，形成銅箔/圖案化石墨烯；
S2：將銅箔/圖案化石墨烯貼合在矽膠PET膜上，形成銅箔/圖案化石墨烯/矽膠PET膜結構；
S3：通過0.2±0.1mol/L的(NH4)2S2O8刻蝕液刻蝕掉銅箔，使石墨烯保留在矽膠PET膜上，形成圖案化石墨烯/矽膠PET結構；
S4：將已圖案化的石墨烯轉移至曲率半徑為5cm弧形玻璃上，再移除矽膠PET，從而在弧形玻璃上形成所需要的圖案化石墨烯，由於玻璃曲率半徑過小，難以直接通過雷射工藝處理弧面玻璃上的石墨烯。
實施例3：
石墨烯在曲率半徑為10cm弧形玻璃上的圖案化
參見圖3所示，其製作工藝流程如下：
S1：將生長好石墨的銅箔貼合在矽膠PET膜上，形成銅箔/石墨烯/矽膠PET膜結構；
S2：通過吉事達雷射機以4-12W(功率)/2200-3000mm*S-1(走速)/220-300Hz(頻率)參數通過雷射將S1膜結構上的石墨烯圖案化，形成銅箔/圖案化石墨烯/矽膠PET膜結構；
S3：通過0.2±0.1mol/L的(NH4)2S2O8刻蝕液刻蝕掉銅箔，使石墨烯保留在矽膠PET膜上，形成圖案化石墨烯/矽膠PET結構；
S4：將已圖案化的石墨烯轉移至曲率半徑為5cm弧形玻璃上，再移除矽膠PET，從而在弧形玻璃上形成所需要的圖案化石墨烯，由於玻璃曲率半徑過小，難以直接通過雷射工藝處理弧面玻璃上的石墨烯。
實施例4：
石墨烯層+石墨烯層雙層導電層結構的互電容觸控螢幕sensor製作示例
參見圖1所示，其製作工藝流程如下：
S1：將生長好石墨的銅箔貼合在矽膠PET膜上，形成銅箔/石墨烯/矽膠PET膜結構；
S2：通過0.2±0.1mol/L的(NH4)2S2O8刻蝕液刻蝕掉銅箔，使石墨烯保留在矽膠PET膜上，形成石墨烯/矽膠PET結構；
S3：通過吉事達雷射機以4-12W(功率)/2200-3000mm/S(走速)/220-300Hz(頻率)參數通過雷射將矽膠PET膜上的石墨烯圖案化；
S4：將已圖案化的石墨烯轉移至已做好石墨烯圖案的PET的背面上，再移除矽膠PET，即製作成具有雙層石墨烯導電層的觸控螢幕sensor。由於PET上石墨烯已做好圖案，而石墨烯本身不耐雷射刻蝕，故無法再在器件上面使用雷射刻蝕石墨烯，通過先在矽膠PET上將石墨烯圖案化後再轉移，可以有效解決此問題。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。