使用分层技术形成石墨烯图案的方法和设备

申请号 CN201280023317.6 申请日 2012-05-10 公开(公告)号 CN103703543B 公开(公告)日 2016-08-17
申请人 韩国化学研究院; 发明人 李善淑; 郑大成; 金韩善; 安基硕; 郑泽模; 金唱均; 李永国;
摘要 本 发明 涉及一种使用分层技术应用 聚合物 印模的 石墨 烯图案形成方法。所述技术适合用于形成具有任意目标图案的 石墨烯 图案。根据本发明,在基质上形成的石墨烯层的一部分使用聚合物印模进行物理地、选择性地分层,以简单容易地在基质上形成具有均匀线宽的所需石墨烯图案。另外,在所述基质上形成的所述石墨烯层的一部分使用旋转体印模或者通过使用具有大面积的印模以辊对辊的方式进行物理地、选择性地分层,以简单容易地在具有大面积的基质上形成具有均匀线宽的所需石墨烯图案。
权利要求

1.一种使用剥离技术形成石墨烯图案层的方法,所述方法包括:
在基质上形成石墨烯层;
聚合物印模的图案表面上形成石墨烯剥离层,所述聚合物印模具有压花图案;
使所述聚合物印模的图案表面与所述石墨烯层的目标位置对齐,以使彼此接触;和将所述聚合物印模与所述基质分离,以选择性地将附着在所述聚合物印模的各压花图案上的所述石墨烯层部分与所述基质分离,从而形成所述石墨烯图案层,其中所述石墨烯剥离层包括有机溶剂,并且
其中所述方法在不使所述有机溶剂蒸发温度下进行。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述石墨烯层通过CVD方法形成。
3.根据权利要求1所述的方法,其中所述石墨烯层通过在所述基质上涂覆石墨烯化物并将该石墨烯氧化物还原为所述石墨烯层而形成。
4.根据权利要求1所述的方法,其中所述聚合物印模为PDMS(聚二甲基氧烷)印模。
5.根据权利要求1所述的方法,其中所述有机溶剂包括DMSO(二甲亚砜)溶剂或THF(四氢呋喃)溶剂。
6.根据权利要求5所述的方法,其中所述石墨烯剥离层通过旋涂法形成。
7.一种使用剥离技术形成石墨烯图案层的方法,所述方法包括:
制备聚合物旋转印模,其中所述聚合物旋转印模具有沿着其外圆周表面形成的压花图案,石墨烯剥离层被施用至各压花图案的表面;
制备其上形成有石墨烯层的基质;和
在旋转所述旋转印模的同时,使所述旋转印模与所述石墨烯层接触,以选择性地将附着在各压花图案上的所述石墨烯层从所述基质剥离,从而在所述基质上形成所述石墨烯图案层,
其中所述石墨烯剥离层包括有机溶剂,并且
其中所述方法在不使所述有机溶剂蒸发的温度下进行。
8.根据权利要求7所述的方法,其中所述形成石墨烯图案层包括:
旋转所述旋转印模,以使特定压花图案与所述石墨烯层的一部分接触;
使所述特定压花图案与石墨烯层保持所述接触达预定时间;和
在经过所述预定时间后,旋转所述旋转印模,以选择性地剥离所述石墨烯层的所述部分。
9.根据权利要求7所述的方法,还包括:
除去所述石墨烯剥离层,在所述石墨烯剥离层上随着所述旋转印模的旋转附着有从所述基质上剥离的石墨烯层;和
在压花层的表面上重新施用石墨烯剥离层,所述压花层随着旋转印模的旋转而沿着所述基质的前进方向前进。
10.根据权利要求9所述的方法,还包括:
干燥所述压花图案的表面,所述石墨烯剥离层已从所述压花图案的表面除去,之后重新施用石墨烯剥离层。
11.一种使用剥离技术形成石墨烯图案层的设备,所述设备包括:
聚合物旋转印模,其中所述旋转印模具有沿着其外圆周表面形成的压花图案,石墨烯剥离层被施用至各印花图案的表面,并且其中所述旋转印模旋转,从而与形成在基质上的石墨烯层接触,以选择性地将附着在各印花图案表面上的所述石墨烯层部分从所述基质上剥离;
剥离层除去单元,其被配置为用以除去石墨烯剥离层,在所述石墨烯剥离层上随着旋转印模的旋转附着有从所述基质上剥离的所述石墨烯层部分;和
剥离层施用单元,其被配置为用以在各压花图案的表面上施用石墨烯剥离层,所述各压花图案随着旋转印模的旋转而沿着所述基质前进方向前进。
12.根据权利要求11所述的设备,还包括:
干燥单元,其被配置为用以在施用石墨烯剥离层之前,干燥除去了石墨烯剥离层部分的各压花图案的表面。
13.根据权利要求11所述的设备,其中所述剥离层除去单元包括清洁辊,所述清洁辊被配置为以与所述旋转印模相同的旋转方向与所述压花图案的表面紧密接触而旋转,以使用来自存储器的清洁流体进给除去形成在所述压花图案的表面上的石墨烯剥离层以及附着在所述石墨烯剥离层上的石墨烯层部分。
14.根据权利要求11所述的设备,其中所述剥离层除去单元包括清洁流体注射器,所述清洁流体注射器被配置为用以通过使用注射嘴注射清洁流体来除去在压花图案的表面上形成的所述石墨烯剥离层以及附着在所述石墨烯剥离层上的所述石墨烯层部分。
15.根据权利要求11所述的设备,其中所述剥离层施用单元包括注射器,所述注射器被配置为用以通过注射石墨烯剥离材料在所述压花图案的表面上重新施用石墨烯剥离层。
16.根据权利要求11所述的设备,其中所述剥离层施用单元包括传送带,所述传送带被配置为以与旋转印模相同的旋转方向与所述压花图案的表面紧密接触而旋转,以使用从存储器提供的石墨烯剥离材料在所述压花图案的表面上重新施用石墨烯剥离层。
17.根据权利要求11所述的设备,其中所述剥离层施用单元包括施用单元,所述施用单元被配置为用以当旋转印模旋转时将石墨烯剥离材料提供至所述压花图案的表面,从而形成所述石墨烯剥离层,所述石墨烯剥离材料由存储器提供并附着在长丝束上。
18.一种使用剥离技术形成石墨烯图案层的方法,所述方法包括:
制备具有压花图案的聚合物的大面积印模,各所述压花图案的表面具有施用至其的石墨烯剥离层;
制备其上形成有石墨烯层的基质;
使所述大面积印模与所述石墨烯层接触,以选择性地将附着在所述压花图案表面上的所述石墨烯层部分从所述基质上剥离,从而在所述基质上形成石墨烯图案层;
除去所述大面积印模的压花图案上的所述石墨烯剥离层和所述石墨烯层;和在所述大面积印模的压花图案的表面上重新施用石墨烯剥离层。
19.根据权利要求18所述的方法,还包括:
在重新施用石墨烯剥离层之前干燥除去了石墨烯剥离层的所述压花图案的表面。
20.一种使用剥离技术形成石墨烯图案层的设备,所述设备包括:
大面积印模,其中所述大面积印模包括压花图案,被施用至所述压花图案的表面的石墨烯剥离层,所述大面积印模使得所述压花图案的表面与在基质上形成的石墨烯层接触,以选择性地将附着在所述压花图案表面上的石墨烯层部分从所述基质剥离;
剥离除去单元,其被配置为用以除去所述压花图案的石墨烯剥离层,所述压花图案上附着有从基质上剥离的所述石墨烯层部分;和
剥离层施用单元,其被配置为用以在所述压花图案的表面上重新施用石墨烯剥离层。
21.根据权利要求20所述的设备,还包括:
干燥单元,其被配置为用以在施用石墨烯剥离层之前,干燥已除去了石墨烯剥离层的所述压花图案的表面。

说明书全文

使用分层技术形成石墨烯图案的方法和设备

技术领域

[0001] 本发明涉及一种制造石墨烯(graphene)的方法,更具体地,涉及一种基于剥离技术来形成石墨烯图案的方法和设备,所述剥离技术通过使用聚合物印模(polymer stamp)的剥离技术足以在基质上形成具有任意图案的、感兴趣的石墨烯图案。

背景技术

[0002] 众所周知,石墨烯是具有平面单层结构(例如,纳米结构)的材料,其中碳原子填充在二维晶格中。石墨烯相对于其他材料具有一些独特的性质,尤其是,例如相对优异的电荷迁移率、低的表面电阻、物质的学性能、热稳定性和化学稳定性等。因此,近年来,已报道了有关利用石墨烯的独特物理、化学和机械性能的许多应用的研究结果。
[0003] 特别是,石墨烯由于例如透明性、弯曲性,导电性和电荷迁移率等特征而于被评价为最适合应用于下一代电子器件、TFT通道等的透明电极的材料。
[0004] 因此,为了将石墨烯应用于各种设备中,需要一种在例如电极、通道层等所有的应用领域中将石墨烯进行图案化的技术。
[0005] 目前,石墨烯的图案化是通过主要在半导体工艺中使用的光刻技术而进行的,该技术在在大面积图案化、加工价格、加工时间及其他方面有相当大的制约。
[0006] 实际上,图案化石墨烯应满足一些条件,如为得到均匀的电性能需要制造均匀的线宽度,在所需位置形成所需图案,以较低成本大量生产石墨烯。

发明内容

[0007] 技术问题
[0008] 为此,已经尝试了各种技术,以当石墨烯在基质上形成(生长)之后从该基质上选择性地去除一部分石墨烯,但所有这些技术仅仅是可在实验室中使用的低级技术。
[0009] 因此,强烈需要一种可以满足例如均匀的线宽度、所需的图案和在大规模生产等条件的对石墨烯进行图案化的方法。然而,迄今为止没有提议或建议。
[0010] 技术方案
[0011] 根据本发明的一个实施方案,提供了一种用于形成石墨烯图案层的方法:使用有机溶剂通过物理地、有选择地剥离石墨烯层的一部分,从而在基质上形成石墨烯图案层。
[0012] 根据本发明的另一个实施方案,提供了一种采用剥离技术形成石墨烯图案层的方法,所述方法包括:在基质上形成石墨烯层;在聚合物印模的图案表面上形成石墨烯剥离层,所述聚合物印模具有压花图案;将所述聚合物印模的图案表面与所述石墨烯层的目标位置对齐以彼此接触;将所述聚合物印模与基质分离,从而选择性地将附着在聚合物印模的各压花图案上的石墨烯层的部分从所述基质上剥离,从而形成石墨烯图案层。
[0013] 根据本发明的另一个实施方案,提供了一种使用剥离技术形成石墨烯图案层的方法,所述方法包括:制备一个聚合物旋转印模,其中所述聚合物印模具有沿着其外圆周表面形成的压花图案,在各压花图案的表面施用石墨烯剥离层;制备其上形成有石墨烯层的基质;在旋转所述旋转印模的同时,使所述旋转印模与石墨烯层接触,以选择性地将附着在各压花图案上的石墨烯层从基质剥离,从而在所述基质上形成石墨烯图案层。
[0014] 根据本发明的另一个实施方案,提供了一种使用剥离技术形成石墨烯图案层的方法,所述方法包括:制备一个聚合物旋转印模,其中所述聚合物印模具有沿着其外圆周表面形成的压花图案,在各压花图案的表面施用石墨烯剥离层;制备其上形成有石墨烯层的基质;在旋转所述旋转印模的同时,使所述旋转印模与石墨烯层接触,以选择性地将附着在各压花图案上的石墨烯层从基质上剥离,从而在所述基质上形成石墨烯图案层;除去所述石墨烯剥离层,随着所述旋转印模的旋转,在所述石墨烯剥离层上附着有从所述基质上剥离的石墨烯层;在随着旋转印模的旋转而沿着基质前进方向前进的各压花图案的表面上施加石墨烯剥离层。
[0015] 根据本发明的另一个实施方案,提供了一种使用剥离技术形成石墨烯图案层的设备,所述设备包括:聚合物旋转印模,其中所述旋转印模具有沿着其外圆周表面形成的压花图案,石墨烯剥离层被施用至各印花图案的表面,并且其中所述旋转印模旋转,从而与形成在基质上的石墨烯层接触,以选择性地将附着在各印花图案表面上的石墨烯层的部分从所述基质上剥离;剥离层除去单元,其被配置为用以除去石墨烯剥离层,随着旋转印模的旋转,在所述石墨烯剥离层上附着有从基质上剥离的石墨烯层部分;和剥离层施用单元,其被配置为用以在各压花图案的表面上施用石墨烯剥离层,所述各压花图案随着旋转印模的旋转而沿着基质前进方向前进。
[0016] 根据本发明的另一个实施方案,提供了一种使用剥离技术形成石墨烯图案层的方法,所述方法包括:制备一个具有压花图案的聚合物的大面积印模,各所述压花图案的表面具有施用至其的石墨烯剥离层;制备其上形成有石墨烯层的基质;使所述大面积印模与石墨烯层接触,以选择性地将附着在压花图案表面上石墨烯层部分从基质上剥离,从而在该基质上形成石墨烯图案层;除去所述大面积印模的压花图案上的所述石墨烯剥离层和石墨烯层;在所述大面积印模的压花图案的表面上重新施用石墨烯剥离层。
[0017] 根据本发明的另一个实施方案,提供了一种使用剥离技术形成石墨烯图案层的设备,所述设备包括:一个大面积印模,其中所述大面积印模包括压花图案,石墨烯剥离层被施用至所述压花图案的表面,所述大面积印模使得所述压花图案的表面与在基质上形成的石墨烯层接触,以选择性地将附着在所述压花图案表面上的石墨烯层部分与基质分离;剥离除去单元,其被配置为用以除去压花图案的石墨烯剥离层,所述压花图案上附着有从基质上剥离的石墨烯层部分;和剥离层施用单元,其被配置为用以在所述压花图案的表面上重新施用石墨烯剥离层。
[0018] 有益效果
[0019] 根据本发明,使用剥离技术来物理地且有选择性地将通过使用聚合物印模形成在基质上的石墨烯层部分剥离掉,由此可以容易地在基质上制备具有均匀线宽和所需形状的石墨烯图案,利用石墨烯来制造各种元件。
[0020] 另外,剥离技术是使用旋转印模以辊到辊(roll-to-roll)的方式进行或使用大面积印模以冲压方式(stamping manner)进行,以物理地选择在大面积基质上形成的石墨烯部分,从而可以容易地在所述大面积基质上制造具有均匀线宽和所需形状的石墨烯图案。附图说明
[0021] 图1A至1D是对本发明一个实施方案的使用聚合物印模在基质上形成石墨烯图案层的方法进行说明的工艺流程图
[0022] 图2是显示本发明另一个实施方案的用于使用旋转印模以辊到辊方式在基质上形成石墨烯图案层的设备的一个实例的示意图;
[0023] 图3是显示本发明再一个实施方案的用于使用旋转印模以辊到辊方式在基质上形成石墨烯图案层的设备的一个实例的示意图;
[0024] 图4是显示本发明再一个实施方案的用于使用旋转印模在基质上形成石墨烯图案层的设备的一个实例的示意图;
[0025] 图5是显示本发明再一个实施方案的用于使用旋转印模在基质上以辊到辊方式形成石墨烯图案层的设备的一个实例的示意图;
[0026] 图6是显示本发明再一个实施方案的用于使用大面积印模在基质上形成石墨烯图案层的设备的一个实例的示意图;
[0027] 图7是说明使用大面积印模在大面积基质上连续形成石墨烯图案层的方法的示意图;
[0028] 图8是显示使用拉曼光谱对通过本发明实验图案化石墨烯的结果分析图。

具体实施方式

[0029] 根据本发明的实施方案的一个方面,使用聚合物印模对形成在基质上的石墨烯层部分物理地并且选择性地剥离,从而在基质上形成石墨烯图案层,使得可以制造具有半导体性能的石墨烯和利用该石墨烯制造半导体器件。
[0030] 另外,根据本发明实施方案的另一个方面,将聚合物旋转印模与基质上形成的石墨烯层进行接触旋转,其中所述旋转印模具有沿着其外圆周表面形成的压花图案,石墨烯剥离层被施用至所述印花图案的表面,以选择性地将附着在所述印花图案表面上的石墨烯层部分从所述基质剥离,从而在基质上形成石墨烯图案层,这使得可以利用一种技术来在大面积基质上形成具有目标图案的石墨烯图案层。
[0031] 进一步地,根据本发明实施方案的另一个方面,聚合物印模——其中石墨烯剥离层被施用至压花图案的表面——与石墨烯层接触然后与其分离(或脱离),以选择性地将附着在压花图案上的石墨烯层从大面积基质剥离,从而在所述大面积基质上形成石墨烯图案层。
[0032] 在所述实施方案中,石墨烯层可通过CVD方法形成,或可通过在基质上涂覆石墨烯化物、然后将该石墨烯氧化物还原为石墨烯层而形成。所述聚合物印模或所述聚合物旋转印模可为PDMS(聚二甲基氧烷)印模。此外,所述石墨烯剥离层可以为有机溶剂,例如DMSO(二甲亚砜)溶剂或THF(四氢呋喃)溶剂,可对其应用旋涂法。
[0033] 此外,可以利用所述石墨烯图案层作为石墨烯电阻器、石墨烯绕组、石墨烯通道层、用于记忆存储的石墨烯电荷捕获层、晶体管的开关传感器装置、光检测装置、散热元件、加热元件中的任意一种。
[0034] 在对本发明实施方案的以下描述中,公知的功能或组成将不再做详细描述,如果它们不会使本发明实施方案不清楚。此外,下述术语是鉴于本发明的功能而定义的,可以根据使用者或操作者的意旨或实践而改变。因此,所述定义可基于说明书全文的内容而做出。
[0035] 下文中,将参照附图详细描述本发明的实施方案。
[0036] 图1A至1D是对本发明一个实施方案的使用聚合物印模在基质上形成石墨烯图案层的方法进行说明的工艺流程图。
[0037] 参见图1A,在基质102上形成石墨烯层104a。例如,石墨烯层104可以通过使用CVD(化学气相沉积)法在基质102上形成,或可通过在基质102上涂覆石墨烯氧化物、然后将该石墨烯氧化物还原为石墨烯层而形成。
[0038] 接着,例如图1B所示,通过进行旋涂工艺,在具有压花图案的聚合物印模106的图案表面上形成石墨烯剥离层108。此处所使用的石墨烯剥离层104a可以是例如有机溶剂,如DMSO(二甲亚砜)溶剂或THF(四氢呋喃)溶剂,所述聚合物印模106可以包括例如PDMS印模。
[0039] 随后,如图1C所示,将所述聚合物印模106与石墨烯层104a对齐,使得其上形成有石墨烯剥离层108的图案表面与石墨烯层的目标位置相接触。使这样的接触状态保持预定时间。其后,将聚合物印模106与基质102分离,从而使石墨烯图案层104留在基质102上,如图1D所示。换言之,感兴趣的石墨烯图案层104通过选择性地仅将附着在聚合物印模的压花图案上的石墨烯层104a剥离而形成在基质102上。
[0040] 在此情况下,优选的是,用于在基质102上形成石墨烯图案层104的冲压操作(或图案化操作)在不足以使被用作石墨烯剥离层108的有机溶剂蒸发的室温下进行。
[0041] 进一步地,通过冲压操作在基质102上形成的石墨烯图案层104可被用作例如石墨烯电阻器、石墨烯绕组、石墨烯通道层、用于记忆存储的石墨烯电荷捕获层、晶体管的开关、传感器装置、光检测装置、散热元件等中的任意一种。
[0042] 替代地,感兴趣的石墨烯图案层可以使用聚合物构成的旋转印模,而不是使用聚合物印模,以辊到辊的方式在大面积基质上形成,这将在下文参照图2-5的附图详细描述。
[0043] 图2是显示本发明另一个实施方案的用于使用旋转印模以辊到辊方式在基质上形成石墨烯图案层的设备的一个实例的示意图。
[0044] 参见图2,用于形成该实施方案的石墨烯图案层的设备,包括聚合物的旋转印模202,其具有沿着其外圆周表面形成的压花图案204,其中在压花图案204的表面上将形成(施用)石墨烯剥离层204a;清洁旋转体206,当以辊到辊方式实施冲压操作时,其被用作除去剥离层的单元;存储器208,含有清洁流体210(例如等);箱212,其用作干燥单元;和注射器214,其用作施加剥离层的单元。在图2中,附图标记216表示基质,附图标记218a表示石墨烯层,附图标记218表示石墨烯图案层。就该方面而言,石墨烯层218a可以与图1所示石墨烯层相同的方式形成,石墨烯剥离层204a可以是与图1所示石墨烯剥离层相同的材料。
[0045] 首先,当开始冲压进程(使用旋转印模的图案化操作)时,基质216沿着箭头A的方向前进(进入),聚合物旋转印模202沿着箭头B的方向(顺时针方向)旋转,清洁旋转体206沿着箭头C的方向(顺时针方向)旋转,然后在目标位置(例如一个特定压花图案的表面与石墨烯层的一部分接触的位置)停留预定时间。基质216的前进速度可以与旋转印模202和清洁旋转体206的旋转速度同步。
[0046] 在该操作中,虽然没有在附图中明确显示,但是沿着基质216前进方向的前进(进入)以及旋转印模202和清洁旋转体206的旋转可以通过来自多种动力源(例如电机、电机驱动器、旋转轴等)的动力进给进行控制。
[0047] 换言之,基质216沿着箭头A的方向前进,旋转印模202顺时针旋转,然后当到达目标位置时在该目标位置(例如在一个特定压花图案的表面与石墨烯层接触的位置)停留预定时间。而经过给定时间后,当基质216的前进连同旋转印模202的旋转重新开始时,将附着在旋转印模202的压花图案上的石墨烯层218a选择性地从基质216剥离,从而使石墨烯图案层218留在基质216上。在此情况下,使旋转印模202的压花图案与石墨烯层218a之间保持接触的预定时间可设定为例如1分钟,1分钟30秒,或2分钟,这可鉴于石墨烯剥离层204a的材料而确定。
[0048] 从基质216剥离的石墨烯层218a在附着至石墨烯剥离层204a之后,随着旋转印模202的旋转,上面具有石墨烯层的压花图案进入清洁旋转体206,在该旋转体中,将其上附着有被施用在压花图案204上的石墨烯层218a的石墨烯剥离层204a完全除去(或清除)。换言之,部分地浸渍在存储器210中所含的清洁流体中的清洁旋转体206,通过使用该清洁旋转体206的外周表面清除施用在旋转印模202的压花图案部分上的石墨烯剥离层204a(例如通过除去与该清洁旋转体紧密接触的石墨烯剥离层的方法),而将施用并附着在压花图案204上的石墨烯剥离层204a以及石墨烯层218a完全除去。因此,清洁旋转体206的外周表面可由具有柔韧性和弹性、能够在一定程度上吸收清洁流体的材料构成。
[0049] 压花图案204——通过清洁旋转体206、使用清洁流体将石墨烯剥离层从其完全除去——随着旋转印模202的旋转,朝着风箱212前进,风箱212例如通过吹热风对压花图案204的表面进行干燥。
[0050] 另外,完全除去了清洁流体的压花图案在随着旋转印模202的旋转而经过风箱212时,到达注射器214。所述注射器214通过注射嘴注射石墨烯剥离材料,从而在压花图案的表面上重新形成(或施加)石墨烯剥离层204a。
[0051] 换言之,根据该实施方案中的石墨烯形成设备,通过连续运行一些列操作,可以容易地在大面积基质上形成感兴趣的石墨烯图案层,所述一些列操作按以下顺序循环:选择性地剥离石墨烯层→清洁压花图案的表面(以除去石墨烯剥离层)→干燥压花层的表面→在压花图案的表面上重新施用石墨烯剥离层→使用旋转印模通过辊到辊的方式选择性地剥离石墨烯层。
[0052] 图3是显示本发明再一个实施方案的用于使用旋转印模以辊到辊方式在基质上形成石墨烯图案层的设备的一个实例的示意图。
[0053] 参见图3,用于形成该实施方案的石墨烯图案的设备包括,聚合物的旋转印模302,其具有沿着其外圆周表面形成的压花图案304,石墨烯剥离层304a形成在(或施用在)各压花图案304的表面上;清洁流体注射器306,其具有注射嘴,并且当以辊到辊方式实施冲压操作时用作除去剥离层的单元;传送带308,其用作施用剥离层的单元;和存储器310,其含有石墨烯剥离材料。在图3中,附图标记314表示基质,附图标记316a表示石墨烯层,附图标记316表示石墨烯图案层。就该方面而言,石墨烯层316a可以与图1所示石墨烯层相同的方式形成,石墨烯剥离层304a可以具有与图1所示石墨烯剥离层相同的材料。
[0054] 首先,当开始冲压进程(使用旋转印模的图案化操作)时,基质314沿着箭头A的方向以预定前进速度前进(进入),聚合物旋转印模202沿着箭头B的方向(顺时针方向)旋转,传送带308沿着箭头C(顺时针方向)的方向旋转,然后在目标位置(例如一个特定压花图案的表面与石墨烯层进行接触的位置)停留预定时间。基质314的前进速度可以与旋转印模302和清洁传送带308的旋转速度同步。
[0055] 在该操作中,虽然没有在附图中明确显示,但是沿着基质314前进方向的前进(进入)以及旋转印模302和传送带308的旋转可以通过来自多种动力源(例如电机、电机驱动器、旋转轴等)的动力进给进行控制。
[0056] 换言之,基质304沿着箭头A的方向前进,旋转印模302顺时针旋转,然后当到达目标位置时在该目标位置(例如在一个特定压花图案的表面与相应石墨烯层接触的位置)停留预定时间。然后,在经过给定时间后,当基质314的前进连同旋转印模302的旋转重新开始时,将附着至旋转印模302的压花图案的石墨烯层316a选择性地从基质314剥离(或切下),从而在基质314上形成石墨烯图案层316。在此情况下,使旋转印模302的压花图案与石墨烯层316a保持接触状态的预定时间可设定为例如1分钟,1分钟30秒,或2分钟,这可鉴于石墨烯剥离层304a的材料而确定。
[0057] 从基质314剥离的石墨烯层316a在附着至石墨烯剥离层304a之后,随着旋转印模302的旋转,具有位于石墨烯剥离层上的石墨烯层的压花图案到达清洁流体注射器306,而该清洁流体注射器通过经由注射嘴注射的清洁流体将附着在压花图案表面上的石墨烯剥离层304a和石墨烯层316a完全除去。
[0058] 接下来,使通过注射清洁流体而完全除去了石墨烯剥离层的压花图案304随着旋转印模302的旋转朝着传送带308前进,并通过使用传送带308在压花图案304的表面上重新形成(或施用)石墨烯剥离层304a。更具体而言,在冲压操作期间,部分地浸渍在存储器310中所含的石墨烯剥离材料312中的传送带308,通过在旋转的同时保持与压花图案304表面的接触,将石墨烯剥离材料重新施用至压花图案304的表面,从而在压花图案304的表面上形成石墨烯剥离层304a。为实现它,传送带306可由能够在一定程度上吸收石墨烯剥离材料的具有柔韧性和弹性的材料构成。
[0059] 换言之,根据该实施方案中的石墨烯形成设备,通过连续运行一些列操作,可以容易地在大面积基质上形成感兴趣的石墨烯图案层,所述一些列操作按以下顺序循环:选择性地剥离石墨烯层→清洁压花图案的表面(以除去石墨烯剥离层)→在压花图案的表面上重新施用石墨烯剥离层→使用旋转印模通过辊到辊的方式从压花图案选择性地剥离石墨烯层。
[0060] 虽然已经描述了本发明的下述实施方案:在通过使用清洁流体注射器注射清洁流体除去施用并附着在旋转印模的压花图案表面上的石墨烯剥离层以及石墨烯层之后,使用传送带在压花图案的表面上重新施用石墨烯剥离层,但是实施方案不限于此。例如,在图2中所示设备中,所述实施方案可以被设计成:在清洁流体注射器和传送带之间设置干燥风箱,然后在压花图案的表面干燥后,在该压花图案的表面上施用石墨烯剥离层。
[0061] 图4是显示本发明再一个实施方案的用于使用旋转印模在基质上形成石墨烯图案层的设备的一个实例的示意图。
[0062] 参见图4,用于形成该实施方案的石墨烯图案层的设备,包括聚合物的旋转印模402,其具有沿着其外圆周表面形成的压花图案404,其中在各压花图案404的表面上将形成(施用)石墨烯剥离层404a;清洁流体注射器406,其具有注射嘴,并且当以辊到辊方式实施冲压操作时用作除去剥离层的单元;存储器形式的施用单元(或纤维)408,其用作涂覆机。
在施用单元408的一侧上(即旋转印模的压花图案经过同时紧密地接触施用单元的部分)形成的是柔性纤维束(或纤维丛)412,该纤维束能够吸收存储器中所含的石墨烯剥离材料
410。在图4中,附图标记414表示基质,附图标记416a表示石墨烯层,附图标记416表示石墨烯图案层。就该方面而言,所述石墨烯层416a可以与图1所示石墨烯层相同的方式形成,石墨烯剥离层404a具有与图1所示石墨烯剥离层相同的材料。
[0063] 首先,当开始冲压进程(使用旋转印模的图案化操作)时,基质414沿着箭头A的方向以预定前进速度前进(进入),聚合物旋转印模402沿着箭头B的方向(顺时针方向)旋转,然后在目标位置(例如一个特定压花图案的表面与石墨烯层进行接触的位置)停留预定时间。基质414的前进速度可以与旋转印模402的旋转速度同步。
[0064] 在该方法中,虽然没有在附图中明确显示,但是沿着基质414前进方向的前进(进入)以及旋转印模402的旋转可以通过来自多种动力源(例如电机、电机驱动器、旋转轴等)的动力进给进行控制。
[0065] 换言之,基质414沿着箭头A的方向前进,旋转印模402顺时针旋转,然后当到达目标位置时在该目标位置(例如在一个特定压花图案的表面与石墨烯层的一部分接触的位置)停留预定时间。然后,在经过给定时间后,当基质414的前进连同旋转印模402的旋转重新开始时,将附着至旋转印模402的压花图案的石墨烯层416a选择性地从基质414剥离(或切下),从而在基质414上形成石墨烯图案层416。在此情况下,使旋转印模402的压花图案与石墨烯层416a保持接触状态的预定时间可设定为例如1分钟,1分钟30秒,或2分钟,这可根据石墨烯剥离层404a的材料而确定。
[0066] 从基质414剥离的石墨烯层416a在附着至石墨烯剥离层404a之后,随着旋转印模402的旋转,具有位于石墨烯剥离层上的石墨烯层部分的压花图案404到达清洁流体注射器
406,而该清洁流体注射器406通过经由注射嘴注射的清洁流体将附着在压花图案404上的石墨烯剥离层404a和石墨烯层416a完全除去。
[0067] 接下来,使通过注射清洁流体而完全除去了石墨烯剥离层的压花图案404随着旋转印模402的旋转朝向施用单元408的纤维束412的方向,并通过使用纤维束412在压花图案404的表面上重新形成(或施用)石墨烯剥离层404a。更具体而言,当压花图案经过并保持与柔性丛接触时,吸收了存储器中所含石墨烯剥离材料410的纤维束412(在旋转时),将所述石墨烯剥离材料施用至压花图案404的表面,从而重新形成石墨烯剥离层404a。
[0068] 换言之,根据该实施方案中的石墨烯形成设备,通过连续运行一些列操作,可以容易地在大面积基质上形成感兴趣的石墨烯图案层,所述一些列操作按以下顺序循环:选择性地剥离石墨烯层→清洁压花图案的表面(以除去石墨烯剥离层)→在压花图案的表面上重新施用石墨烯剥离层→使用旋转印模通过辊到辊的方式选择性地剥离石墨烯层。
[0069] 同时,虽然已经描述了本发明的下述实施方案:在通过使用清洁流体注射器注射清洁流体除去石墨烯剥离层以及涂覆并附着在旋转印模的压花图案表面上的石墨烯层之后,使用施用单元在压花图案的表面上重新施用石墨烯剥离层,但是实施方案不限于此。例如,在图2中所示设备中,应理解的是,可在清洁流体注射器和施用单元之间设置干燥风箱,并可在各压花图案的表面干燥后,在所述各压花图案的表面上重复涂覆石墨烯剥离层。
[0070] 图5是显示本发明再一个实施方案的用于使用旋转印模在基质上以辊到辊方式形成石墨烯图案层的设备的一个实例的示意图。
[0071] 参见图5,用于形成该实施方案的石墨烯图案的设备,包括聚合物的旋转印模502,其具有沿着其外圆周表面形成的压花图案504,其中在各压花图案504的表面上将形成(施用)石墨烯剥离层504a;清洁辊506,当以辊到辊方式实施冲压操作时用作除去剥离层的单元,并具有在其外圆周表面形成的纤维束508;存储器510,其含有清洁流体512(例如水等);和注射器514,其用作剥离层的施用单元。在图5中,附图标记516表示基质,附图标记518a表示石墨烯层,附图标记518表示石墨烯图案层。就该方面而言,石墨烯层518a可以与图1所示石墨烯层相同的方式形成,石墨烯剥离层504a可以具有与图1所示石墨烯剥离层相同的材料。
[0072] 首先,当开始冲压进程(使用旋转印模的图案化操作)时,基质516沿着箭头A的方向以预定前进速度前进(进入),聚合物旋转印模502沿着箭头B的方向(顺时针方向)旋转,清洁辊506沿着箭头C的方向(逆时针方向)旋转,然后在目标位置(例如一个特定压花图案的表面与石墨烯层进行接触的位置)停留预定时间。基质516的前进速度可以与旋转印模502和清洁辊506的旋转速度同步。
[0073] 在该操作中,虽然没有在附图中明确显示,但是沿着基质516前进方向的前进(进入)以及旋转印模502和清洁辊506的旋转可以通过来自多种动力源(例如电机、电机驱动器、旋转轴等)的动力进给进行控制。
[0074] 换言之,基质516沿着箭头A的方向前进,旋转印模302顺时针旋转,然后当到达目标位置时在该目标位置(例如在一个特定压花图案的表面与石墨烯层接触的位置)停留预定时间。然后,在经过给定时间后,当基质516的前进连同旋转印模502的旋转重新开始时,将附着至旋转印模502的压花图案的石墨烯层518a选择性地从基质516剥离(或切下),从而在基质516上形成石墨烯图案层518。在此情况下,使旋转印模502的压花图案与石墨烯层518a保持接触状态的预定时间可设定为例如1分钟,1分钟30秒,或2分钟,这可鉴于石墨烯剥离层504a的材料而确定。
[0075] 从基质516剥离的石墨烯层518a在附着至石墨烯剥离层504a之后,随着旋转印模502的旋转,具有位于石墨烯剥离层上的石墨烯层的压花图案到达清洁辊506。通过使用在清洁辊506的外圆周表面形成的长丝508,完全除去(或清除)具有位于压花图案504上的具有石墨烯层518a的石墨烯剥离层504a。在该实施方案中,纤维束508可以是能够从存储器
510吸收注入的清洁流体的柔性纤维长丝。
[0076] 换言之,清洁辊506通过使用吸收清洁流体的纤维束508除去石墨烯剥离层504a以及涂覆并附着在旋转印模502的压花图案上的石墨烯层518a。
[0077] 接下来,使通过清洁辊506的旋转而完全除去了石墨烯剥离层的压花图案504随着旋转印模502的旋转而朝向注射器514的方向,并且注射器514通过经由注射嘴注射的石墨烯释放材料而在压花图案504的表面上重新形成(或施用)石墨烯剥离层504a。
[0078] 换言之,根据该实施方案中的石墨烯形成设备,通过连续运行一些列操作,因此可以容易地在大面积基质上形成感兴趣的石墨烯图案层,所述一些列操作按以下顺序循环:选择性地剥离石墨烯层→清洁压花图案的表面(以除去石墨烯剥离层)→在压花图案的表面上重新施用石墨烯剥离层→使用旋转印模通过辊到辊的方式选择性地剥离石墨烯层。
[0079] 同时,虽然已经描述了本发明的下述实施方案:在使用具有多个在其外圆周表面形成的长丝的清洁辊除去石墨烯剥离层以及涂覆并附着在旋转印模的压花图案的表面上的石墨烯层之后,通过使用注射器注射石墨烯剥离材料而在压花图案的表面上重新施用石墨烯剥离层,但是实施方案不限于此。例如,在图2所示设备中,可在清洁辊和注射器之间设置干燥风箱,并可在各压花图案的表面干燥后,在所述各压花图案的表面上重复施用石墨烯剥离层。
[0080] 图6是显示本发明再一个实施方案的用于使用大面积印模在基质上以辊到辊的方式形成石墨烯图案层的设备的一个实例的示意图,图7是说明使用大面积印模在大面积基质上连续形成石墨烯图案层的方法的示意图。
[0081] 参见图6,将意欲图案化的基质,例如其上形成有石墨烯层的大面积基质604,放置在可沿着箭头A方向移动的传送单元(例如传送带等)602上。所述传送单元沿着箭头A的方向移动,并在待图案化的位置(面向大面积印模的位置)停止。就该方面而言,石墨烯层可以与图1所示石墨烯层相同的方式在大面积基质604上形成。
[0082] 其后,将大面积印模608——在其上的各压花图案的表面上施用有石墨烯剥离层612——向下移动至大面积基质604并在该位置对齐,以使大面积印模608的图案表面与石墨烯层接触。就该方面而言,所述墨烯剥离层612可以由与图1所示墨烯剥离层相同的材料形成。
[0083] 随后,在保持接触状态达预定时间后,通过向上移去大面积印模608而使该大面积印模608与大面积基质604分离,以选择性地剥离附着在压花图案610的石墨烯剥离层612上的石墨烯层606a,从而在大面积基质604中形成感兴趣的石墨烯图案层606。在此情况下,使大面积印模608保持接触状态的预定时间可设定为例如1分钟,1分钟30秒,或2分钟,这可鉴于石墨烯剥离层612的材料而确定。
[0084] 在该操作中,虽然没有在附图中明确显示,但是传送单元的传送和大面积印模的上/下移动可以通过来自多种动力源(例如电机、电机驱动器、旋转轴等)的动力进给进行控制。
[0085] 接下来,传送单元602沿着箭头A的方向传送,以将其上形成有石墨烯图案层的大面积基质604远离进行图案化操作的位置而放置。剩余的石墨烯剥离层612和石墨烯层606a使用清除单元从压花图案的表面除去,而所述压花图案是通过使用干燥单元进行干燥。使用剥离层的施用单元在压花图案610的表面上重新施用石墨烯剥离层。
[0086] 在此情况下,清除单元可为清洁流体注射器,用以朝大面积印模的图案表面注射清洁流体或者移动具有吸湿性长丝的辊,所述吸湿性长丝沿着辊的圆周表面形成。另外,所述干燥单元可包括,例如,排出热风的风箱。此外,剥离层的施用单元可为例如注射器,用以朝着大面积印模的图案表面注射石墨烯剥离材料或移动具有吸湿性长丝的辊,所述吸湿性长丝沿着辊的圆周表面形成并且能够吸收和保持石墨烯剥离材料。
[0087] 一旦石墨烯剥离材料在压花图案上的施用完成,通过分别实施将传送单元沿着箭头A的方向传送以在待图案化的位置进行对齐意欲图案化的大面积基质的操作,以及其后的操作,可在所述大面积基质上形成石墨烯图案层。
[0088] 如图7所示,通过重复实施一系列操作,随着传送带702的传送,可顺序地在到达待图案化位置的大面积基质上形成石墨烯层,所述一系列操作包括,在传送带702上放置多个大面积基质S1-S6,使彼此距离预定的间隔;间歇地传送传送带702;上下移动大面积印模704;除去压花图案上的石墨烯剥离层和石墨烯层;和在压花图案上重新施用石墨烯剥离层。
[0089] 在图7中,P1至P6部分各自代表一个间隔,在该间隔期间,通过大面积印模704的上下移动在大面积基质上形成石墨烯图案层,T1至T5部分各自代表一个间隔,在该间隔期间,石墨烯剥离层和石墨烯层被从大面积印模704的压花图案除去,并在压花图案上重新施用石墨烯剥离层。
[0090] 换言之,根据该实施方案中的石墨烯形成设备,通过连续运行一些列操作,可以容易地在大面积基质上形成感兴趣的石墨烯图案层,所述一些列操作按以下顺序循环:传送所述传送带→在待图案化的位置对齐大面积基质→通过大面积印模的上下移动形成石墨烯图案层→传送所述传送带→清洁压花图案的表面(以除去石墨烯剥离层)→在压花图案上重新施用石墨烯剥离层→传送所述传送带。
[0091] 另一方面,虽然已经描述了本发明的下述实施方案:通过使传送单元沿着水平方向移动并使大面积印模沿上下方向移动,在大面积基质上形成石墨烯图案层,但是所述实施方案仅是一个示例情形,并不限于此。例如,将理解的是,系统可以使传送单元和大面积印模彼此竖直面对并使大面积印模从一侧到另一侧移动的形式进行配置,从而在大面积基质上形成石墨烯图案层。在此情况下,当除去大面积印模的压花图案上的石墨烯剥离层和石墨烯层部分时以及重新施用石墨烯剥离层时,可以提高方便性。
[0092] [实验实施例]
[0093] 本发明的发明人进行了以下实验:在室温、以2,000rpm在聚合物印模的图案表面上旋涂有机溶剂,两次,20秒,并在P型硅片上形成的石墨烯上冲压所述聚合物印模,冲压保持时间为1分钟。实验结果示于图8中。
[0094] 图8是显示使用拉曼光谱对通过本发明实验图案化石墨烯的结果分析图。
[0095] 参见图8,本发明人清楚地发现,关于石墨烯的拉曼峰在通过实验所获得的图表的图案位置观察到,但在石墨烯图案化在其上的区域中观察不到。
[0096] 在上文所给的描述中,虽然已参照优选的实施方案对本发明进行说明,但是本发明不限于此,并且本领域技术人员应理解的是,在不偏离本发明实施方案范围的情况下,可进行各种取代、更改和改进。
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