TW201505845A

TW201505845A - 從基板分離原子級薄材料的方法

Info

Publication number: TW201505845A
Application number: TW103108438A
Authority: TW
Inventors: Stetson, Jr; James B Stetson; Stanley J Viss
Original assignee: Lockheed Corp
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2015-02-16
Also published as: WO2014150363A2; US20140261999A1; WO2014150363A3

Abstract

一種從像是銅的基底分離像是石墨烯的原子級薄材料之方法係在此揭露。該方法提供包含複合片材，像是石墨烯-銅片材，以及接著對該複合片材施加極音速波，以便去切斷其間的鍵結，並從銅基底分離石墨烯片材。用來執行該分離的系統亦在此被揭露。

Description

從基板分離原子級薄材料的方法

有關申請的相互引用

本申請案主張於2013年3月15日所申請之暫時申請案第61/787,035號之優先權，且其在此藉由引用被併入。

一般而言，本發明係關於一種準備原子級薄材料片材的方法。更具體地，本發明係關於一種從支承基底或片材分離原子級薄材料或這種材料之片材的方法。

操縱用於奈米科技元件的單個原子之能力持續發展。這些發展的部分係屬於材料的領域，且特別是原子級薄材料，其可使用單一分子元件或所選擇的分子元件的組合。這種材料的例子之一為石墨烯，其係為二維芳香族碳聚合物，二維芳香族碳聚合物具有眾多的應用，範圍從電子存儲器、蓄電器、複合增強、薄膜等等。

石墨烯薄膜為具有碳原子之單原子層厚的層，結合在一起以界定出一片材。單石墨烯薄膜的厚度，可被稱為一層或一片，是約0.2到0.3奈米(nm)厚，或在此有時被稱為“薄”。在一些實施例中，多石墨烯層可被形成，具有較大的厚度及相應地較大的強度。當薄膜生長或形成時，多石墨烯片材可被設置為多層。或者，多石墨烯片材可藉由疊層或定位一石墨烯層於另一者的頂部而被達成。對所有在此揭露的實施例而言，單石墨烯層或多石墨烯層可被使用且被認為是原子級薄材料。測試顯示多石墨烯層由於其自身的黏著性而維持它們的完整性及功能性。在多數的實施例中，石墨烯薄膜可為0.5到2奈米厚。石墨烯層的碳原子界定由六個碳原子所構成之六邊形環狀結構(苯環)的重覆圖案，其係形成碳原子的蜂巢式晶格。間隙孔由在片材中的每六個碳原子環狀結構所形成，且此間隙孔寬小於1奈米。事實上，本領域技術人員將理解的是，間隙孔被認為是在其最長尺寸上寬約0.23奈米。因此，間隙孔的尺寸及配置和石墨烯的電子性質排除了跨越石墨烯的厚度之任何分子的運輸。

最近的發展已聚焦在石墨烯薄膜，用於使用來作為像是海水脫鹽之應用中的過濾薄膜。這種應用的例子之一係揭露於美國專利第8,361,321號中，其藉由引用在此併入。由於石墨烯的這些各式使用及其他原子及薄材料的發展，其係有製造用來使用於過濾應用及其他使用之相對大區域的石墨烯片材的需求。

用於製造石墨烯片材或層的一種方式需要適合的碳源在薄銅片材上的化學氣相沉積。如最佳見於圖1，銅片材 10被設置在適當的腔室中，該適當的腔室係為碳源12被處理以在受控制的環境下，從碳氣相沉積(CVD)裝置16產生蒸汽14。據此，如圖2所示，藉由控制沉積過程的參數，石墨烯晶格結合約攝氏800度之升高的溫度，可在曝露於蒸汽14的銅片材10之表面上產生連續的石墨烯片材18。沉積過程的控制可產生單原子層的石墨烯或多原子層的石墨烯。在任何情形中，在氣相沉積過程完成時，由標號20表示的複合石墨烯-銅片材被形成。片材20亦可被稱作疊層結構。複合片材20接著包含石墨烯片材18以及銅片材10。鍵結24在沉積過程中於片材10和18的碳和銅原子之間發展，且被認為是一種凡得瓦交互作用(Van der Waals function)或凡得瓦力(Van der Waals force)。這些鍵結力是第一級的，且可藉由分佈式非線性彈簧勁度來表示。

目前的方法要求在不損壞石墨烯片材的情況下從銅分離石墨烯。目前的分離方法字面上係藉由使用蝕刻溶液並接著使石墨烯片材在蝕刻容器中的液體表面上來溶解銅片材10。隨後的石墨烯片材之漂洗和乾燥是必需的，以將其準備來用於其預期用途。將理解的是，溶解銅和處理所造成的廢棄物所需的過程步驟是昂貴且耗時的。因此，本領域需要一種低成本且可擴展的手段來安全並可靠地從基底釋放原子級薄材料，特別是從銅基底或片材釋放石墨烯片材。

鑑於上述情況，本發明的第一面向在於提供從基底分離原子級薄材料的方法。

本發明的另一面向在於提供一種從基底分離原子級薄材料的方法，該方法包括提供形成複合片材的原子級薄材料及基底，以及對複合片材施加極音速波，以便從基底分離原子級薄材料。

上述實施例的一面向在於使用作為原子級薄材料的石墨烯以及含有銅的基底，其係由鍵結力彼此鍵結。

上述實施例的又一面向在於提供用於相對於另一者去移動複合片材或產生極音速波的極音速波源。

上述實施例的再一面向在於提供石墨烯的單原子層作為複合片材的一部份。該方法亦可包括調整極音速波的頻率及/或振幅，以最佳化複合片材的分離。且該方法可包括將頻率調整到約6兆赫(Terahertz)。

上述實施例的再又一面向在於提供複數個石墨烯的原子層作為複合片材的一部份。該方法亦可包括調整極音速波的頻率及/或振幅，以最佳化複合片材的分離。且該方法可包括將頻率調整到約2兆赫(Terahertz)。

上述實施例的其他面向在於提供藉由真空吸盤在分離後用於收集原子級薄材料。

上述實施例的又一其他面向在於提供藉由捲帶盤在分離後用於收集原子級薄材料。

本發明的另一面向在於提供一種用於從基底分離原子級薄材料的方法，該方法包括提供具有鍵結到基底的原子級薄層之複合片材，判定原子級薄材料與基底之間的鍵能值，判定鍵能值的空間導數值，從空間導數值來判定平衡位移值，以及將大於平衡位移值的激發頻率施加到複合片材。

上述實施例的另一面向在於以具有鍵結到包含銅的基底之石墨烯的原子級薄層來設置複合片材。

上述實施例的再一面向在於以極音速波源來產生激發頻率。該方法可包括調整由極音速波源所產生的極音速波之頻率及/或振幅，以最佳化原子級薄層從基底的分離。該方法可提供將頻率調整為約2兆赫(Terahertz)到約6兆赫(Terahertz)之間。且該方法可包括將極音速波源或複合片材相對於另一者來移動。

本發明的另一面向在於提供一種用於從基底分離原子級薄材料的系統，該系統包括位在原子級薄材料或基底的近端之極音速波源，以便產生極音速波來從基底分離原子級薄材料。

上述實施例的另一面向在於提供源載具給該系統，源載具係相對於原子級薄材料和基底來定位極音速波源，及/或在於提供傳送裝置給該系統，傳送裝置相對於極音速波源來支承原子級薄材料和基底。在該系統的進一步變形中，真空吸盤可被使用來在由極音速波源的極音速波的施用之後，進一步從基底分離原子級薄材料。

10‧‧‧銅片材(基底)

12‧‧‧碳源

14‧‧‧蒸汽

16‧‧‧碳氣相沉積裝置

18‧‧‧石墨烯片材(材料)

20‧‧‧材料-基底片材(複合石墨烯-銅片材)

24‧‧‧鍵結

26‧‧‧用於從基底分離原子級薄材料的過程(系統)

30‧‧‧極音速源

32‧‧‧源載具

34‧‧‧(極音速機電)激發頻率

36‧‧‧傳送裝置

40‧‧‧原子級薄材料片材(石墨烯片材)

44‧‧‧收集系統

50‧‧‧捲帶盤

50’‧‧‧捲帶盤

54‧‧‧真空吸盤

60‧‧‧石墨烯鍵能

62‧‧‧石墨烯對銅位移的函數

64‧‧‧力

66‧‧‧平衡力

68‧‧‧平衡鍵結力

70‧‧‧位移

對於以下的說明、所附的申請專利範圍及隨附的圖式，本發明的這些及其他特徵與優點將變得更好理解。圖式可以按比例或不按比例繪製，且某些零件之比例可能為了說明之便而被放大。

圖1為石墨烯-銅片材的形成之先前技術示意圖；圖2為根據先前技術之石墨烯-銅片材的先前技術示意圖；圖3為根據本發明的概念之用來相互分離原子級薄材料和基底的過程之示意圖；以及圖4為根據本發明的概念顯示鍵能(上圖)和鍵結力(下圖)作為像是石墨烯之例示性原子級薄材料以及像是銅的基底材料之間的距離之函數的圖示，以便顯示當兩者之間的鍵結被釋放時。

如上所述，先前技術的方法提供了在銅基底的層上之石墨烯片材的形成。然而，以下所揭露的內容係可應用於被形成在或鍵結到作為載具的基底上之任何的原子級薄材料層或多層材料層。因此，片材10可為原子級薄材料層能被放置、沉積或以其他方式座落於其上的銅材料、任何銅合金或任何材料。此外，片材10可用便於鍵結及/或分離過程之任何類型的化學或其它材料進行處理。片材18可為石墨烯、數層石墨烯、或被放置、沉積或以其他方式形成在基底上的任何材料，其中，鍵結24可為凡得瓦交互作用或凡得瓦力。可被放置或形成在基底上且需要藉由在此所揭露的方法從基底分離原子級薄材料的其他類型可包括二硫化鉬、氮化硼、六方晶氮化硼、二硒化鈮、矽烯(silicene)和鍺烯(germanene)，但並不侷限於此。如在此所使用的，原子級薄材料的用語指的是一種材料，其具有至少單原子的厚度，且在特定實施例中可具有材料之高達20原子的厚度。

如最佳見於圖3，用於從基底分離原子級薄材料的過程或系統係由標號26來表示，其中材料可為石墨烯或類似物且基底可為銅或類似。熟知本領域技術人士將理解的是，由標號24表示的鍵結示意性地表示凡得瓦鍵結力，凡得瓦鍵結力係屬於可藉由分佈式非線性彈簧勁度來表示的等級。此外，以片材10的形式之基底和以片材18的形式之原子級薄材料均可被表示為分佈質量。

基底材料片材20，亦可稱作石墨烯-銅片材，係被定位成使得其與極音速源30為可操作的關係。如在此所使用的，極音速涉及遠超過大氣聲波傳輸速度的電荷變化的頻率。極音速源30可由源載具32在側向、垂直或任何其他方向上相對於基底材料片材20來移動。極音速源30產生極音速波，且特別是配置來跨越石墨烯-銅片材20的一側之極音速機電激發頻率34。在一些實施例中，為了得到單層石墨烯從銅基底的分離，源產生6×10¹²周/秒(6兆赫)正負4×10³周/秒的電荷誘發力為所需的。在其他實施例中，數層石墨烯(二到三層石墨烯)從銅基底的釋放可由2×10¹²周/秒(2兆赫)正負2×10³周/秒的電荷誘發力來達成。據認為，類似的頻率值和範圍可被其他類型的原子級薄材料與相關基底所採用。

激發頻率34被調諧到與由材料-鍵結-基底(銅-鍵結-石墨烯)系統所構成的上述質量-彈簧-質量系統(材料基底片材)的共振中。極音速源30可由源載具32定位在片材20的兩側。然而，將源30定位在原子級薄材料片材18的近端被認為是將提供最佳的結果。如熟知本領域人士將理解的，為靜電裝置的極音速源30在原子級薄材料上建立振盪力以將其驅動到共振中從基底釋放。在一實施例中，源可在與以下標量方程式：F=qE相稱的高度被定位在石墨烯薄片上，其中F為在導電石墨烯層或薄片上所需的力(週期性)。如在方程式中所使用的，F相當於表面電荷q和所施加的電場E(週期性)的產物。所施加的電場E為從石墨烯層或薄片的距離之平方反比函數；亦即E=a/x²，其中x為激發電極自石墨烯層或薄片(顯示於圖4中且將於以下被討論)被位移離開的距離(以米為單位)。若所施加的電壓V為較大的，激發電極距離可為較大的(允許石墨烯薄片之較大的物理運動)，因此具有可根據給定的石墨烯質量密度來調整的可行且實用的位移範圍，以使共振分離事件完美。實際在實施例中的典型值與在此所揭露之離石墨烯層或薄片為0.1到1毫米(1×10^-3米)的實施例為一致的。據此，在石墨烯和銅複合片材 20的情形下，由於碳原子相較於銅原子是更容易去激發的，將源30定位在靠近石墨烯為更有效的。

當片材20在受控制且調節的狀態下被傳送裝置36引導越過極音速源30，正交於片材表面的共振位移被產生在材料和基底之間。在大多數的實施例中，傳送裝置36拉或引導片材20通過源30。在一些實施例中，傳送裝置36亦可被使用來調整片材20和源30之間的距離。此外，源30及片材20可各自被獨立地移動來起始分離。或者，源30及片材20可由載具32和傳送裝置36以協調的方式移動來起始分離。一旦共振位移延伸通過第三級凡得瓦半徑(約25×10^-6米)，鍵結強度(或相等的彈簧勁度)實質上消失。極音速波的產生在鍵結24創造不對稱力場。在任何情況下，力場切斷材料18和片材10之間的凡得瓦鍵結。在所顯示的實施例中，碳及銅之間的鍵結被切斷，同時留下石墨烯中的碳-碳鍵結的完好。在一些實施例中，激發頻率34大致上為對單層石墨烯約6兆赫，以及為對多層石墨烯約2兆赫。當然，這些頻率可因為分離過程的參數中之其他變數而被調整。作為極音速波施加的結果，像是石墨烯之未連接的原子級薄材料片材40被從像是銅的基底或片材10移除或分離，且被抓取以供後續應用。熟知本領域技術人士將理解的是，依據各材料的變數、材料的厚度、以及承載材料的基底之類型，所使用的頻率值以及源從複合片材的間隙為可調整的。

在片材10和片材18之間的鍵結被切斷後，每一片材可被收集系統44收集及/或傳送以供後續的使用。在一實施例中，銅片材可被捲帶輪50拉出，捲帶輪50亦可幫助複合片材20跨越極音速源。在一實施例中，當石墨烯片材40自銅片材10分離時，可移動的真空吸盤54可拾取石墨烯片材40並將其移動以供進一步的處理。在另一實施例中，另一捲帶輪50’可被使用來收集石墨烯片材40。

現在參照圖4，作為例示性的銅片材10和例示性的石墨烯片材18之間的距離之函數的鍵能(上圖)和鍵結力(下圖)的圖形表示法被顯示。如先前所討論的，銅片材10和石墨烯片材18被稱為凡得瓦力的分子引力彼此鍵結。如圖4的上圖所示，亦稱為凡得瓦位能的石墨烯鍵能60被繪製為沿著x軸之石墨烯對銅位移62的函數。熟知本領域技術人士將理解的是，經歷能量的力是空間導數，或能量的空間梯度。顯示在圖4的下圖中的力64表示此空間導數且被繪製成石墨烯對銅位移62的函數。鍵能斜率為零的平衡位移66對應到平衡鍵結力68為零之處。在激發頻率34被施加的位置處，石墨烯片材18振盪。當振盪位移增進到正鍵結引力與位移70大大地降低的點時，石墨烯被無害地釋放且被真空吸盤54或其他適合的裝置收集。熟知本領域技術人士應理解的是，對於原子級薄材料和相關基底之根據其各自的特性和其彼此接合時之特性的各個組合，有關於凡得瓦位能、位移值、以及力值之類似的圖形和值可被取得。這些值可接著被使用來最佳化分離過程。

換言之，圖4表示鍵能和鍵結從彼此的位移之間的關係、以及為了從其銅基底10分離石墨烯片材18所必須克服之鍵結力(能量的空間導數或梯度)之間的關係之一種定性的但理論上一致的繪圖。圖4顯示出重要的不對稱性，其指出一旦得到石墨烯薄片從銅被位移離開的正向評估，引力消失且整個片材18被完好的從銅基底10抬升離開。

基於前述，本發明的優點是顯而易見的。本發明所揭露的過程消除了可能在像是石墨烯片材的原子級薄材料中造成缺點及缺陷之均為習知方法步驟的液相蝕刻、漂洗、擷取及乾燥之需求。此外，由於沒有銅廢料溶液或其他基底材料廢料被產生，且在分離過程之後維持的銅片材10可被回收供其他使用或可再次被使用來於其上發展其他的石墨烯片材，所揭露的過程為環境友善的。本發明亦有利於所揭露的製造過程為易於擴展的、需要少的功率的、且為可調諧的以適應來自溫度、壓力和其它因素的鍵結強度的變化。換言之，根據石墨烯與銅之間的鍵結之強度，極音速源可變化其所產生的輸出，以確保石墨烯層從銅片材的可重覆分離。此外，極音速源可適用於去從相關基底材料分離其它的原子級薄材料。

因此，可以看出，本發明的目的已藉由使用上面呈現的結構及其方法而被滿足。雖然根據專利法規，僅最佳模式和較佳的實施例已被呈現並詳細描述出來，但是應當理解的是本發明並不侷限於此。據此，應參照以下的申請專利範圍來瞭解本發明真正的範疇和廣度。