一种利用高级脂肪醇或高级脂肪酸转移二维材料的方法

摘要

本发明涉及二维材料领域，具体为一种利用高级脂肪醇或高级脂肪酸转移二维材料的方法，适用于基体上的二维材料单晶或薄膜的洁净无褶皱转移。将加热熔融后的高级脂肪醇或脂肪酸旋涂在基体上生长的二维材料表面，冷却固化得到高级脂肪醇或脂肪酸/二维材料/基体复合体；利用刻蚀液腐蚀掉基体，得到高级脂肪醇或脂肪酸/二维材料复合体；将高级脂肪醇或脂肪酸/二维材料复合体转移到温水表面，使高级脂肪醇或脂肪酸/二维材料复合体充分舒展；将高级脂肪醇或脂肪酸/二维材料复合体转移到目标基体表面，从而实现二维材料的转移。本发明方法使得转移的二维材料表面具有更高的清洁度及更少的褶皱，为二维材料的物性研究与实际应用奠定了基础。

说明书

技术领域：

本发明涉及二维材料领域，具体为一种利用高级脂肪醇或高级脂肪酸转移二维材料的方法，适用于基体上的二维材料单晶或薄膜的洁净无褶皱转移。

背景技术：

自2004年，原子级厚度石墨烯材料被成功剥离以来，以石墨烯为代表的二维材料因其与块体材料迥异的独特物理化学性质而得到广泛关注，且在诸多领域展现了巨大的应用前景，例如电子/光电子器件、自旋器件、太阳能电池、传感、探测等。二维材料的高效制备是决定其能否应用的关键，化学气相沉积法在可控制备大尺寸二维材料单晶或薄膜方面展示出独特优势。但是在化学气相沉积法中需要将二维材料生长在特定基体表面，因此如何将二维材料从生长基体完整转移到目标基体表面是至关重要的一步。目前采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等高分子转移介质实现二维材料的完整转移已经得到了广泛的应用。但该类高分子转移介质由于分子链较大，与二维材料表面具有较强的相互作用力，因此经过有机溶剂清洗之后的二维材料表面仍然有大量的有机物残留。此外在二维材料生长后的降温过程中，由于二维材料与基体的热膨胀系数差异较大，二维材料表面会产生大量的褶皱，这些褶皱会伴随整个转移过程。因此转移到目标基体上的二维材料，表面会存在大量的褶皱及高分子介质残留，严重阻碍了相关物性测量以及在光电器件等领域中的应用。

以正十四烷醇和正十四羧酸为代表的小分子高级脂肪醇和脂肪酸，由于其与二维材料表面的相互作用较弱，且在很多有机溶剂中均具有良好的溶解性，容易从二维材料表面去除，因此转移后的二维材料具有更高的清洁度。此外由于该类小分子均具有较高的线膨胀系数，在转移过程中，采用温水加热舒展可以大幅度消除二维材料的褶皱。由此可见，小分子高级脂肪醇和脂肪酸有望实现二维材料清洁无褶皱转移，这对二维材料的物性研究与薄膜的实际应用具有重要意义。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种利用高级脂肪醇或高级脂肪酸转移二维材料的方法，该方法利用小分子高级脂肪醇或高级脂肪酸作为转移介质，转移特定基体上的二维材料单晶或薄膜，使得转移的二维材料表面具有更高的清洁度及更少的褶皱。

本发明的技术方案是：

一种利用高级脂肪醇或高级脂肪酸转移二维材料的方法，高级脂肪醇或脂肪酸作为转移介质，该方法包括以下步骤：

步骤1：将加热熔融后的高级脂肪醇或脂肪酸旋涂在基体上生长的二维材料表面，然后冷却固化，得到高级脂肪醇或脂肪酸/二维材料/基体复合体；

步骤2：利用刻蚀液腐蚀掉基体，得到高级脂肪醇或脂肪酸/二维材料复合体；

步骤3：将高级脂肪醇或脂肪酸/二维材料复合体转移到温水表面，使高级脂肪醇或脂肪酸/二维材料复合体充分舒展，以消除原有的二维材料褶皱；

步骤4：将高级脂肪醇或脂肪酸/二维材料复合体转移到目标基体表面，真空热退火以去除二维材料与目标基体之间的水分，使高级脂肪醇或脂肪酸/二维材料复合体与目标基体紧密贴合：

步骤5：利用有机溶剂清洗去除高级脂肪醇或脂肪酸涂层，从而实现二维材料的转移。

所述的利用高级脂肪醇或脂肪酸转移二维材料的方法，高级脂肪醇包括但不限于十一烷醇、十二烷醇、十三烷醇、十四烷醇、十五烷醇、十六烷醇、十七烷醇、十八烷醇、十九烷醇、二十烷醇、二十一烷醇、二十二烷醇之一种或两种以上；高级脂肪酸包括但不限于辛酸、癸酸、十一酸、十二酸、十三酸、十四酸、十五酸、十六酸、十七酸、十八酸、十九酸、二十酸、二十一酸、二十二酸之一种或两种以上。

所述的利用高级脂肪醇或脂肪酸转移二维材料的方法，步骤1中，所转移的二维材料为生长在基体上的二维材料单晶或薄膜，基体包括但不限于铜、铁、镍、钴、铂、金、钯、SiO

所述的利用高级脂肪醇或脂肪酸转移二维材料的方法，步骤1中，将固体的高级脂肪醇或高级脂肪酸加热到其熔点以上，并以500～3000rpm的转速旋涂到有二维材料的基体表面。

所述的利用高级脂肪醇或脂肪酸转移二维材料的方法，步骤2中，所用的刻蚀液包括但不限于商用铜刻蚀液、商用金刻蚀液、稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸、氢氟酸溶液、过硫酸铵水溶液或氢氧化钠水溶液。

所述的利用高级脂肪醇或脂肪酸转移二维材料的方法，步骤3中，所用的温水保持在高级脂肪醇或脂肪酸的熔点温度以下，保持时间为1～3h。

所述的利用高级脂肪醇或脂肪酸转移二维材料的方法，步骤4中，真空热退火的温度保持在高级脂肪醇或脂肪酸的熔点温度以下，退火时间为12～24h。

所述的利用高级脂肪醇或脂肪酸转移二维材料的方法，步骤5中，采用有机溶剂溶解高级脂肪醇或脂肪酸，有机溶剂包括但不限于乙醇、乙醚、氯仿、己烷、丙酮、石油醚中的一种或两种以上。

本发明的设计原理是：

本发明提出的高级脂肪醇与高级脂肪酸是有机小分子，其与二维材料表面的相互作用较弱，且在很多有机溶剂中均具有良好的溶解性，很容易从二维材料表面去除，因此转移后的二维材料具有更高的清洁度。此外该类小分子均具有较高的线膨胀系数，在转移过程中，采用温水加热舒展可以大幅度消除二维材料的褶皱，由此可见小分子高级脂肪醇和脂肪酸可以实现二维材料洁净无褶皱转移。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明提出的高级脂肪醇或脂肪酸是有机小分子，很容易从二维材料表面去除，因此转移后的二维材料具有更高的清洁度。

2.本发明提出的高级脂肪醇或脂肪酸具有较大的线膨胀系数，在转移过程中，采用温水加热舒展可以大幅度消除二维材料的褶皱。

3、本发明可以实现二维材料的洁净无褶皱转移，所得二维材料可以保持高的透光率、平整度和洁净度等，对二维材料的物性研究与薄膜的实际应用具有重要意义。

附图说明：

图1：高级脂肪醇或脂肪酸转移二维材料的流程示意图。

图2：转移至SiO

图3：转移至SiO

具体实施方式：

如图1所示，一种利用高级脂肪醇或高级脂肪酸转移二维材料的方法，具体步骤如下：

(1)将加热熔融后的高级脂肪醇或脂肪酸旋涂在特定基体上生长的二维材料的表面，然后冷却固化，得到高级脂肪醇或脂肪酸/二维材料/基体复合体；

(2)利用刻蚀液腐蚀掉基体，得到高级脂肪醇或脂肪酸/二维材料复合体；

(3)将高级脂肪醇或脂肪酸/二维材料复合体转移到温水表面并保持一定时间，使高级脂肪醇或脂肪酸/二维材料复合体充分舒展，以消除原有的二维材料褶皱；

(4)将高级脂肪醇或脂肪酸/二维材料复合体转移到目标基体表面，真空热退火若干小时以去除二维材料与目标基体之间的水分，使高级脂肪醇或脂肪酸/二维材料复合体与目标基体紧密贴合；

(5)利用乙醇等有机溶剂清洗去除高级脂肪醇或脂肪酸涂层，从而实现二维材料的转移。

下面，通过实施例和附图进一步详述本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例采用十四烷醇转移石墨烯，包括如下步骤：

(1)首先将十四烷醇加热到50℃，使十四烷醇充分熔化，然后将液态的十四烷醇覆盖到长有石墨烯的铜箔表面，使用旋涂仪以2000转/分钟转速均匀旋涂60s，之后在室温下固化1h，得到十四烷醇/石墨烯/铜箔的复合体。

(2)利用商用铜刻蚀液腐蚀掉铜箔，得到十四烷醇/石墨烯复合体。

(3)将十四烷醇/石墨烯复合体转移到34℃的温水中保持1h，使十四烷醇/石墨烯复合体充分舒展，以消除原有的石墨烯褶皱。

(4)将十四烷醇/石墨烯复合体转移到SiO

(5)最后利用乙醇70℃温度下溶解去除十四烷醇，从而完成石墨烯的转移。

利用光学显微镜、拉曼光谱仪对石墨烯薄膜形貌及质量进行表征，表明转移得到的石墨烯薄膜结构完整、表面洁净、质量很高。

实施例2

如图1所示，本实施例采用十五烷醇转移石墨烯，包括如下步骤：

(1)首先将十五烷醇加热到50℃，使十五烷醇充分熔化，然后将液态的十五烷醇覆盖到长有石墨烯的铜箔表面，使用旋涂仪以2000转/分钟转速均匀旋涂60s，之后在室温下固化1h，得到十五烷醇/石墨烯/铜箔的复合体。

(2)利用商用铜刻蚀液腐蚀掉铜箔，得到十五烷醇/石墨烯复合体。

(3)将十五烷醇/石墨烯复合体转移到34℃的温水中保持1h，使十五烷醇/石墨烯复合体充分舒展，以消除原有的石墨烯褶皱。

(4)将十五烷醇/石墨烯复合体转移到SiO

(5)最后利用乙醇70℃温度下溶解去除十五烷醇，从而完成石墨烯的转移。

利用光学显微镜、拉曼光谱仪对石墨烯薄膜形貌及质量进行表征，表明转移得到的石墨烯薄膜结构完整、表面洁净、质量很高。

实施例3

如图1所示，本实施例采用十六烷醇转移石墨烯，包括如下步骤：

(1)首先将十六烷醇加热到60℃，使十四烷醇充分熔化，然后将液态的十六烷醇覆盖到长有石墨烯的铜箔表面，使用旋涂仪以2000转/分钟转速均匀旋涂60s，之后在室温下固化1h，得到十六烷醇/石墨烯/铜箔的复合体。

(2)利用商用铜刻蚀液腐蚀掉铜箔，得到十六烷醇/石墨烯复合体。

(3)将十六烷醇/石墨烯复合体转移到34℃的温水中保持1h，使十六烷醇/石墨烯复合体充分舒展，以消除原有的石墨烯褶皱。

(4)将十六烷醇/石墨烯复合体转移到SiO

(5)最后利用乙醇70℃温度下溶解去除十六烷醇，从而完成石墨烯的转移。

利用光学显微镜、拉曼光谱仪对石墨烯薄膜形貌及质量进行表征，表明转移得到的石墨烯薄膜结构完整、表面洁净、质量很高。

实施例4

如图1所示，本实施例采用十七烷醇转移石墨烯，包括如下步骤：

(1)首先将十四烷醇加热到60℃，使十七烷醇充分熔化，然后将液态的十七烷醇覆盖到长有石墨烯的铜箔表面，使用旋涂仪以2000转/分钟转速均匀旋涂60s，之后在室温下固化1h，得到十七烷醇/石墨烯/铜箔的复合体。

(2)利用商用铜刻蚀液腐蚀掉铜箔，得到十七烷醇/石墨烯复合体。

(3)将十七烷醇/石墨烯复合体转移到34℃的温水中保持1h，使十七烷醇/石墨烯复合体充分舒展，以消除原有的石墨烯褶皱。

(4)将十七烷醇/石墨烯复合体转移到SiO

(5)最后利用氯仿70℃温度下溶解去除十七烷醇，从而完成石墨烯的转移。

利用光学显微镜、拉曼光谱仪对石墨烯薄膜形貌及质量进行表征，表明转移得到的石墨烯薄膜结构完整、表面洁净、质量很高。

实施例5

如图1所示，本实施例采用十四烷醇转移六方氮化硼，包括如下步骤：

(1)首先将十四烷醇加热到50℃，使十四烷醇充分熔化，然后将液态的十四烷醇覆盖到长有六方氮化硼的铜箔表面，使用旋涂仪以2000转/分钟转速均匀旋涂60s，之后在室温下固化1h，得到十四烷醇/六方氮化硼/铜箔的复合体。

(2)利用商用铜刻蚀液腐蚀掉铜箔，得到十四烷醇/六方氮化硼复合体。

(3)将十四烷醇/六方氮化硼复合体转移到34℃的温水中保持1h，使十四烷醇/六方氮化硼复合体充分舒展，以消除原有的六方氮化硼褶皱。

(4)将十四烷醇/六方氮化硼复合体转移到SiO

(5)最后利用乙醇70℃温度下溶解去除十四烷醇，从而完成六方氮化硼的转移。

利用光学显微镜、拉曼光谱仪对六方氮化硼薄膜形貌及质量进行表征，表明转移得到的六方氮化硼薄膜结构完整、表面洁净、质量很高。

实施例6

如图1所示，本实施例采用十四烷醇与十五烷醇的混合物转移石墨烯，包括如下步骤：

(1)首先将质量比为1:1的十四烷醇与十五烷醇的混合物加热到50℃，使混合物充分熔化，然后将液态的混合物醇覆盖到长有石墨烯的铜箔表面，使用旋涂仪以2000转/分钟转速均匀旋涂60s，之后在室温下固化1h，得到混合物/石墨烯/铜箔的复合体。

(2)利用商用铜刻蚀液腐蚀掉铜箔，得到混合物/石墨烯复合体。

(3)将混合物/石墨烯复合体转移到34℃的温水中保持1h，使混合物/石墨烯复合体充分舒展，以消除原有的石墨烯褶皱。

(4)将混合物/石墨烯复合体转移到SiO

(5)最后利用乙醇70℃温度下溶解去除混合物，从而完成石墨烯的转移。

利用光学显微镜、拉曼光谱仪对石墨烯薄膜形貌及质量进行表征，表明转移得到的石墨烯薄膜结构完整、表面洁净、质量很高。

实施例7

如图1所示，本实施例采用十二酸转移石墨烯，包括如下步骤：

(1)首先将十二酸加热到50℃，使十二酸充分熔化，然后将液态的十二酸覆盖到长有石墨烯的铜箔表面，使用旋涂仪以2000转/分钟转速均匀旋涂60s，之后在室温下固化1h，得到十二酸/石墨烯/铜箔的复合体。

(2)利用商用铜刻蚀液腐蚀掉铜箔，得到十二酸/石墨烯复合体。

(3)将十二酸/石墨烯复合体转移到34℃的温水中保持1h，使十二酸/石墨烯复合体充分舒展，以消除原有的石墨烯褶皱。

(4)将十二酸/石墨烯复合体转移到SiO

(5)最后利用乙醇70℃温度下溶解去除十二酸，从而完成石墨烯的转移。

利用光学显微镜、拉曼光谱仪对石墨烯薄膜形貌及质量进行表征，表明转移得到的石墨烯薄膜结构完整、表面洁净、质量很高。

实施例8

如图1所示，本实施例采用十三酸转移石墨烯，包括如下步骤：

(1)首先将十三酸加热到50℃，使十三酸充分熔化，然后将液态的十三酸覆盖到长有石墨烯的铜箔表面，使用旋涂仪以2000转/分钟转速均匀旋涂60s，之后在室温下固化1h，得到十三酸/石墨烯/铜箔的复合体。

(2)利用商用铜刻蚀液腐蚀掉铜箔，得到十三酸/石墨烯复合体。

(3)将十三酸/石墨烯复合体转移到34℃的温水中保持1h，使十三酸/石墨烯复合体充分舒展，以消除原有的石墨烯褶皱。

(4)将十三酸/石墨烯复合体转移到SiO

(5)最后利用乙醇70℃温度下溶解去除十三酸，从而完成石墨烯的转移。

利用光学显微镜、拉曼光谱仪对石墨烯薄膜形貌及质量进行表征，表明转移得到的石墨烯薄膜结构完整、表面洁净、质量很高。

实施例9

如图1所示，本实施例采用十四酸转移石墨烯，包括如下步骤：

(1)首先将十四酸加热到60℃，使十四酸充分熔化，然后将液态的十四酸覆盖到长有石墨烯的铜箔表面，使用旋涂仪以2000转/分钟转速均匀旋涂60s，之后在室温下固化1h，得到十四酸/石墨烯/铜箔的复合体。

(2)利用商用铜刻蚀液腐蚀掉铜箔，得到十四酸/石墨烯复合体。

(3)将十四酸/石墨烯复合体转移到34℃的温水中保持1h，使十四酸/石墨烯复合体充分舒展，以消除原有的石墨烯褶皱。

(4)将十四酸/石墨烯复合体转移到SiO

(5)最后利用乙醇70℃温度下溶解去除十四酸，从而完成石墨烯的转移。

利用光学显微镜、拉曼光谱仪对石墨烯薄膜形貌及质量进行表征，表明转移得到的石墨烯薄膜结构完整、表面洁净、质量很高。

实施例10

如图1所示，本实施例采用十五酸转移石墨烯，包括如下步骤：

(1)首先将十五酸加热到60℃，使十五酸充分熔化，然后将液态的十四酸覆盖到长有石墨烯的铜箔表面，使用旋涂仪以2000转/分钟转速均匀旋涂60s，之后在室温下固化1h，得到十五酸/石墨烯/铜箔的复合体。

(2)利用商用铜刻蚀液腐蚀掉铜箔，得到十五酸/石墨烯复合体。

(3)将十五酸/石墨烯复合体转移到34℃的温水中保持1h，使十五酸/石墨烯复合体充分舒展，以消除原有的石墨烯褶皱。

(4)将十五酸/石墨烯复合体转移到SiO

(5)最后利用乙醇70℃温度下溶解去除十五酸，从而完成石墨烯的转移。

利用光学显微镜、拉曼光谱仪对石墨烯薄膜形貌及质量进行表征，表明转移得到的石墨烯薄膜结构完整、表面洁净、质量很高。

实施例11

如图1所示，本实施例采用十二酸转移六方氮化硼，包括如下步骤：

(1)首先将十二酸加热到50℃，使十二酸充分熔化，然后将液态的十二酸覆盖到长有六方氮化硼的铜箔表面，使用旋涂仪以2000转/分钟转速均匀旋涂60s，之后在室温下固化1h，得到十二酸/六方氮化硼/铜箔的复合体。

(2)利用商用铜刻蚀液腐蚀掉铜箔，得到十二酸/六方氮化硼复合体。

(3)将十二酸/六方氮化硼复合体转移到34℃的温水中保持1h，使十二酸/六方氮化硼复合体充分舒展，以消除原有的六方氮化硼褶皱。

(4)将十二酸/六方氮化硼复合体转移到SiO

(5)最后利用乙醇70℃温度下溶解去除十二酸，从而完成六方氮化硼的转移。

利用光学显微镜、拉曼光谱仪对六方氮化硼薄膜形貌及质量进行表征，表明转移得到的六方氮化硼薄膜结构完整、表面洁净、质量很高。

实施例12

如图1所示，本实施例采用十二酸与十三酸的混合物转移石墨烯，包括如下步骤：

(1)首先将质量比为1:1的十二酸与十三酸的混合物加热到50℃，，使混合物充分熔化，然后将液态的混合物覆盖到长有石墨烯的铜箔表面，使用旋涂仪以2000转/分钟转速均匀旋涂60s，之后在室温下固化1h，得到混合物/石墨烯/铜箔的复合体。

(2)利用商用铜刻蚀液腐蚀掉铜箔，得到混合物/石墨烯复合体。

(3)将混合物/石墨烯复合体转移到34℃的温水中保持1h，使混合物/石墨烯复合体充分舒展，以消除原有的石墨烯褶皱。

(4)将混合物/石墨烯复合体转移到SiO

(5)最后利用乙醇70℃温度下溶解去除混合物，从而完成石墨烯的转移。

利用光学显微镜、拉曼光谱仪对石墨烯薄膜形貌及质量进行表征，表明转移得到的石墨烯薄膜结构完整、表面洁净、质量很高。

如图2所示，实施例1得到的石墨烯结构完整，表面干净无残留。

如图3所示，实施例1得到的石墨烯质量很高。

上述结果表明，本发明采用小分子高级脂肪醇或脂肪酸作为转移介质，得到的二维材料表面具有更高的清洁度，且可以消除二维材料表面的褶皱，为二维材料的物性研究与薄膜的实际应用奠定了基础。由于高级脂肪醇或脂肪酸分子链较小，与二维材料表面的相互作用较弱，此外该类小分子也具有较大的线膨胀系数，因此可有效降低转移后的二维材料表面的有机物残留及褶皱，这对二维材料的物性研究与薄膜的实际应用具有重要意义。