MC應用｜如何利用等離子技術優化石墨烯轉移方法？

石墨烯通常通過化學氣相沉積（CVD）在生長基底上沉積，然后轉移到適合其特定應用的目標基底上。等離子體處理可用于支持和促進各種石墨烯轉移方法。

石墨烯是一種具有六方晶體結構的單原子碳層，由于其許多DT的材料特性，在過去幾十年中受到了廣泛的研究。憑借其高導電性和導熱性、近乎光學的透明度和高機械強度，石墨烯被認為是一種非常通用的二維材料，可用于廣泛的應用，包括能源儲存、光學顯示和傳感器^[1-3]。

生產石墨烯的常見方法是CVD，使用碳氫化合物氣體或含碳前體與催化襯底（如銅銅箔）結合使用，以分解前體并將石墨烯沉積在生長襯底上。

然后必須將石墨烯轉移到適合特定應用的期望的目標襯底上。例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)的柔性透明聚合物基板，可能有利于制造基于石墨烯的可穿戴電子設備。因此，石墨烯從生長基底到目標基底(及其最終使用點)的高保真轉移是器件制造方案中非常關鍵的處理步驟。

已經使用了各種方法來轉移石墨烯，包括濕轉移(通過浸入濕化學溶液中從生長基底釋放石墨烯)、干轉移(無濕化學的脫層)或不同技術的組合。在少數情況下，也研究了石墨烯在目標襯底上的直接生長^[3]。

等離子體處理可以通過在納米級水平上清潔表面和改變表面化學以增強膜粘附來促進石墨烯轉移。由于施加的功率相對較低，只有10瓦，Harrick等離子清洗機非常適合溫和地清潔表面和處理石墨烯。在本篇案例中，我們探索了使用等離子體處理來增加表面親水性，并通過各種轉移技術為可靠的石墨烯轉移準備襯底表面。

Hiranyawasit等人開發了一種濕轉移方法(使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為生長在銅箔上的石墨烯的支撐層),以使用SU-8光致抗蝕劑作為中間粘合層將石墨烯轉移到PDMS基底上。在轉移的各個階段對表面進行了O₂等離子體處理，以促進膜層之間的均勻涂層和強粘附力，并將石墨烯成功轉移到PDMS上。

在他們的工作中，SU-8被用作中間層以增強石墨烯和PDMS之間的粘附力。石墨烯在SU-8上的附著力很強，但與此相反，SU-8在PDMS上的附著力不強。為了克服這一缺陷，在旋涂SU-8之前，對PDMS進行了O₂等離子體處理，使其表面具有親水性（未經等離子體處理，SU-8不能均勻地涂在PDMS表面）。在對SU-8進行紫外線固化和硬烘之后，在從過LS銨溶液（用于溶解其上生長石墨烯的銅箔）中收集石墨烯/PMMA膜疊層之前，進一步對SU-8/PDMS基底進行等離子體處理以增加SU-8的表面親水性，從而將石墨烯/PMMA轉移到涂有SU-8的PDMS上。然后將組裝好的結構浸泡在BT中，以去除頂部的PMMA層，從而得到石墨烯/SU-8/PDMS基底的最終薄膜結構。

作為對比，研究人員在裸露的（未處理的）PDMS和O₂等離子體處理的PDMS上轉移石墨烯。在這兩種對照中，都沒有使用SU-8中間層。對于未經處理的PDMS，石墨烯起皺并從基底上脫剝離，而對于經過等離子體處理的PDMS，石墨烯均勻地涂覆在基底上，但最終在隨后的電阻測量中剝離。

由此產生的石墨烯/SU-8/PDMS結構顯示出薄層電阻(RS)為1147±184Ω/sq），與轉移到剛性基底（如硅、玻璃）上的石墨烯相當。他們的工作證明了在PDMS上開發基于石墨烯的設備的可行性，并有可能應用于柔性電子產品。

Kinoshita等人設計了一種干式釋放方法來轉移石墨烯和六方氮化硼（hBN）層，以構建hBN/石墨烯多層結構，使用碳酸聚丙烯（PPC）薄膜作為中間支撐層。

二維材料在室溫下對PPC表現出很強的附著力，然而，在>40℃（PPC的玻璃轉化溫度）時，附著力明顯減弱。因此，石墨烯和hBN層牢固地粘附在室溫下的PPC表面，但在70℃時稍加加熱就容易從PPC上釋放。這樣，在進行PPC的轉移和釋放時，可以將聚合物的污染降低，并且不使用溶劑。

在異質結構制造方案的不同階段使用空氣等離子體處理，以賦予表面親水性并增強對后續層的粘附力。在他們的方案中，制備了薄的PDMS/玻璃載玻片疊層作為支持的中間結構，以促進干轉移過程。在貼附載玻片之前，對PDMS片(0.4毫米厚)進行空氣等離子體處理，以確保牢固的結合。類似地，在接收具有附著的2D層的PPC結構之前，對PDMS/玻璃結構的頂側進行等離子體處理，以增加親水性并增強PPC對PDMS的粘附力。等離子體處理能夠實現多層之間的牢固附著，并確保機械穩定的結構，以便在多步干轉移過程中進行處理。

雖然濕法和干法都可以有效地將石墨烯轉移到目標基底上，但研究人員也在研究石墨烯在所需基底上的直接生長，以進一步簡化制造過程。此外，可以通過消除聚合物層和金屬生長襯底來保持原生石墨烯的質量，犧牲聚合物層和金屬生長襯底可能是污染源，并可能降低石墨烯的電性能。

多·納西門托·巴博薩等人證明了通過CVD直接在目標襯底(玻璃)上生長石墨烯。調整CVD工藝條件，即真空壓力和甲烷流量，以在玻璃上合成均勻的大面積雙層石墨烯。

沉積后，在通過拉曼光譜、X射線光電子能譜(XPS)和光學透射率測量進一步表征之前，應用等離子體處理長達20分鐘，以從基底的一側去除石墨烯。所得的光學透射光譜與常規石墨烯雙層的光學透射光譜相當，表明等離子體清洗步驟沒有顯著改變原生石墨烯的質量。作為制造方案的一部分，可以利用等離子體清洗來去除殘留的石墨烯，同時保持石墨烯的生長特性。

因此，這些出版物說明了等離子體處理如何成為有益的處理步驟，以促進濕和干石墨烯轉移或直接生長，從而最終在期望的基底上產生高質量的石墨烯層。

等離子用戶的相關文章：

• Hiranyawasit W, Punpattanakul K, Pimpin A, Kim H, Jeon S and Srituravanich W. “A novel method for transferring graphene onto PDMS." Appl. Surf. Sci. (2015) 358: 70-74. 

• Kinoshita K, Moriya R, Onodera M, Wakafuji Y, Masubuchi S, Watanabe K, Taniguchi T and Machida T. “Dry release transfer of graphene and few-layer h-BN by utilizing thermoplasticity of polypropylene carbonate." npj 2D Mater. Appl. (2019) 3: 22. 

• do Nascimento Barbosa A, Romani EC, Mendoza CD, Maia da Costa MEH and Freire FL. “Direct synthesis and characterization of graphene layers on silica glass substrates". Mater. Today: Proc. (2019) 10: 400-407. 

【參考文獻】

[1] Ullah S, Yang X, Ta HQ, Hasan M, Bachmatiuk A, Tokarska K, Trzebicka B, Fu L and Rummeli MH. “Graphene transfer methods: A review." Nano Res. (2021) 14(11): 3756-3772.

[2] Lee HC, Liu W-W, Chai S-P, Mohamed AR, Aziz A, Khe C-S, Hidayah NMS and Hashim U. “Review of the synthesis, transfer, characterization and growth mechanisms of single and multilayer graphene." RSC Adv. (2017) 7: 15644-15693.

[3] Chen Y, Gong X-L and Gai J-G. “Progress and Challenges in Transfer of Large-Area Graphene Films." Adv. Sci. (2016) 3: 1500343.