從2014石墨烯高峰論壇看石墨烯發展趨勢

刊登日期:2014/9/29
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黃淑娟、郭信良 / 工研院材化所

International Forum on Graphene 2014是由中國科學技術協會所主辦,並由中國大陸數個研究單位與深圳市政府協辦,主要目的為讓中國大陸與國際石墨烯(Graphene)領域頂尖之研究學者建立成果交流與互動機制,本文將針對部分會議內容進行摘述與分享。

CVD石墨烯製程與應用
在石墨烯化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)製程技術上,現階段仍有相當多之研究致力於精進石墨烯品質能力,石墨烯的成長機制包含了碳源熱裂解(Decomposition)、碳溶於金屬(Dissolution)形成 Carbide、以及碳析出(Segregation)等三個程序,石墨烯的層數、結晶性與均勻性等皆受金屬基材(觸媒)本質特性所影響,其中包含了晶面、晶格尺寸、碳溶解度、熔點、催化能力與化學安定性等。目前部分學者也點出,以銅箔進行石墨烯成長時,在大面積製程上仍可能面臨層數不均的問題,因此,北京大學劉忠范教授嘗試透過不同金屬觸媒基材的設計以改善石墨烯成長特性。該研究團隊在金屬材料的設計選擇上共包含三大類(如圖一所示),其一為雙金屬合金系統,藉由 8B族與 1B族之過渡金屬進行組合,以調整其成長速率;其二屬金屬碳化物(Metal Carbide)觸媒系列,以 Fe、Co、Ni 搭配 Mo、W、V等4-6B族過渡金屬組合,以抑制碳由 Carbide中析出能力,有助於單層石墨烯的形成。且如圖二所示,相較於鎳箔基材形成層數不均且尺寸較小之 CVD石墨烯,包含 Ni-Mo、Fe-Mo及Ni-W等合金基材皆有效提升石墨烯之品質;其三則選用包含 Rh、Pd、Pt、Ir等貴重金屬基材,搭配合適之熱處理條件,同樣可製備高品質單層之石墨烯。


圖一、可適用於CVD 石墨烯成長之新型金屬基材系統


圖二、Metal Carbide觸媒設計概念與其使用不同基材所成長之石墨烯比較

在石墨烯轉移製程技術上,劉教授也針對該研究團隊所開發之三種轉移技術進行比較(圖三)。其表示以聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methyl Methacrylate),PMMA)輔助之轉移製程最為簡單、方便,且最常被一般人使用。該方法藉由於CVD 石墨烯表面進行 PMMA 溶液之塗佈,再透過石墨烯-金屬基材間之介質蝕刻後貼附至目標基材,再以諸如丙酮等溶劑將 PMMA 溶解去除後,即可得到石墨烯透明導電膜。

雖透過 PMMA 保護較可確保石墨烯之完整性,但實際應用上則面臨 PMMA 在去除過程中的殘留問題或是造成石墨烯局部結構之破壞。該所提出之第二種轉移方法則是針對以Pt Foil成長之石墨烯所提出的,藉由 Pt 對於 CO的強作用力特性進行 CO插層吸附(CO Intercalation Adsorption),以降低石墨烯與基材之作用力,進而達到脫層之效果。

第三種則為電化學轉移技術,將成長於金屬基材之石墨烯直接當作電極,藉由電解方式於電極上產生氣泡而達到石墨烯與基材脫離之效果,此一製程時間約可在數十秒內即完成,相較於傳統金屬基材蝕刻製程需耗費數分至數十分鐘以上,更具有應用之潛力,目前此一概念之轉移技術已在部分業界中被使用。而在大面積透明導電膜之製作上,可直接於 PET 基材先塗佈一層支撑層(Supporting Layer)以強化其與石墨烯之接合力,再經由壓合/貼合後,接以電化學脫離程序即可完成(圖四)。

中國科學院的任文才博士也針對石墨烯成長與基材再利用性進行探討,該研究團隊發現,當使用 Pt 基材進行石墨烯成長時,由於 Pt 化學安定性佳,更適於應用電化學轉移技術,在轉移過程並不會造成金屬基材的損傷。該 Pt 基材可在不影響石墨烯成長品質下重複使用超過 4,000次,且表面皺折(Wrinkle)粗糙度可小於--- 以上為部分節錄資料,完整內容請見下方檔案。

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