核心內容
1。 討論了各種石墨烯轉移方法；
2。 概述了石墨烯的清潔方法和直接生長方法；
3。 總結了石墨烯轉移技術的未來發展路線。
研究背景
石墨烯是一種具有獨特性質的材料，可用於電子、催化、能源和生物相關領域。為了最大限度地利用這種材料，在生長過程中和將石墨烯薄膜轉移到應用相容的襯底之後，都需要高質量的石墨烯。化學氣相沉積是在襯底（如金屬襯底銅箔）上生長高質量石墨烯的重要方法。因此，大量努力在致力於實現石墨烯高質量且無損地轉移到技術相關的材料和系統中。
綜述簡介
蘇州大學Mark H. Rummeli團隊
在Nano Research上發表綜述文章，從對汙染控制和成品石墨烯結構完整性保護的角度，綜述了一系列目前石墨烯轉移技術。此外，還討論了它們的可擴充套件性、成本效益和時間效益，總結了石墨烯技術的轉移挑戰、替代選擇和未來發展前景。
要點1：轉移方法
旨在實現無缺陷石墨烯的應用-質量轉移的研究已經取得了顯著的進展，並且已經提出了各種策略來確保有效的石墨烯轉移，並透過保持其結構完整性來保持石墨烯的獨特性質。轉移過程還可以成功地展平，合成過程中由於金屬基底和石墨烯之間的熱膨脹係數差異而產生的石墨烯褶皺，例如透過石蠟支撐的轉移。此外，在評估石墨烯轉移技術時，還要考慮成本、處理時間、可擴充套件性和環境影響。圖1（a）–1（e）給出了一些常用方法，包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）支援的溼法路線、幹法轉移和氣泡輔助分層法。每種方法都有自己的優缺點，如表1所示。
圖1。 石墨烯典型的轉移路線和方法圖示
表1 不同轉移方法的優點和缺點
1。1 溼法轉移
在溼法轉移方法中，使用離子蝕刻劑（例如過硫酸銨水溶液，表2列出了一些典型蝕刻劑）來溶解生長襯底，然後將石墨烯從液體清潔溶劑（通常是水）轉移到目標襯底而不幹燥。各種支撐層用於實現石墨烯的清潔和無殘留轉移。
表2 典型的石墨烯生長襯底刻蝕劑及其對應的濃度
溼法轉移仍然是最常見和最傳統的轉移方法，在實驗室中的得到成功使用。然而，這些方法有許多的限制，促使科學家探索能夠實現大面積、無汙染轉移石墨烯的替代路線。研究包括生長襯底、蝕刻劑、支撐層和支撐層溶解溶劑的最佳化，這些都是導致高轉移成本的重要因素。此外，最大限度地減少清潔步驟的數量，以減少殘留物沉積和對石墨烯層的損壞（如摺疊、裂縫、撕裂和皺紋）也很重要。
1。2 鼓泡法轉移
（1）電化學反應轉移
在這種方法中，O
2
和H
2
氣泡是透過電化學反應產生的，其中銅生長襯底上的石墨烯充當電極之一（陰極或陽極）。氣泡施加剝離力，最終將石墨烯從生長襯底上剝離（圖1（c））。這種方法只能用於適合用作電極的導電基底。與化學蝕刻金屬襯底的傳統溼法轉移方法不同，可以實現石墨烯從生長襯底上的清潔剝離，允許襯底被回收利用。這種方法是經濟的，因為它最大限度地減少了蝕刻劑或清潔劑的使用，並且是可擴充套件的。
簡而言之，電化學方法快速、有效，並且可實現生長基底的多次重複使用。
（2）非電化學鼓泡輔助轉移
一般來說，電化學鼓泡輔助轉移是複雜和劇烈的。此外，需要最佳化工作電壓，這十分具有挑戰性。此外，基於鼓泡的電化學轉移僅適用於導電基底，這使得該方法對於石墨烯轉移不太理想。因此，非常需要一種溫和而簡便的鼓泡輔助轉移方法。Gorantla等人提出了一種想法，即氣泡透過正常的化學反應產生，使得合成石墨烯從基底上脫離（即使是非導電基底）。他們使用了以下簡單的化學反應：NH
4
OH+H
2
O
2
+H
2
O，形成O
2
氣泡，有助於將PMMA/石墨烯從銅箔上剝離（圖2（a））。如圖2（b-f）所示，轉移的石墨烯片是乾淨的，具有極少的缺陷。
與常規的電化學鼓泡方法不同，這種方法可以用於導電和非導電基底，這表明了該方法的普適性。
圖2。 化學反應產生氣泡實現輔助轉移的示意圖（a）、拉曼表徵（b）和透射電鏡表徵（c）。
1。3 幹法轉移
在廣泛使用的離子液體和重複轉移步驟的轉移技術中，汙染和缺陷的可能性很高，這些多重清潔步驟使得獲得應用級石墨烯具有挑戰性。此外，生長襯底在這些過程中不可重複使用，這增加了淨成本。因此，幹轉移技術已被開發為將清潔、高質量石墨烯轉移到器件兼容表面的替代、經濟和可行的途徑，其中使用分層方法來允許生長襯底的再利用。使用具有低結合能的無機金屬氧化物（MoO
3）
開發了幹法轉移方法，其透過水處理被完全洗掉（圖3（a））。由圖3（b-d）所示的拉曼圖可知，這種方法實現了高質量的石墨烯轉移。進一步，拉曼光譜說明，重複利用生長襯底（高達50次）可同樣產生高質量的石墨烯（圖3（e））。X射線光電子能譜（XPS）研究證實了沒有金屬殘留物的乾淨轉移（圖3（f））。因此，層狀金屬氧化物可用於改善平整石墨烯層的轉移，並促進石墨烯的應用。
圖3。（a）使用
MoO
3
作為石墨烯轉移保護層的示意圖；（b-d）拉曼圖譜分別對應於G峰、2D峰和
I
2D
/
I
G
比；（e）在同一回收銅箔襯底上重複生長石墨烯薄膜的拉曼光譜；（f）XPS光譜。
1。4 卷對卷轉移
為了滿足市場對大規模石墨烯的需求，並實現石墨烯的各種應用，高質量的工業規模轉移至關重要。為了實現這一點，發展了卷對卷石墨烯轉移。此外，這種方法被推廣到其它二維（2D）材料的轉移，包括異質結構的卷對卷堆疊。卷對卷方法無聚合物殘餘，並使生長襯底的迴圈利用，達到成本最小化。該方法可規模化拓展的另一個重要因素是，使用石墨烯和基底之間的熱去離子水滲透作為分層的主要驅動力。卷對卷工藝中，三個最重要的引數是傳輸速率、溫度和輥壓。在層壓輔助卷對卷轉移的情況下，低轉移速率、溫和加熱和高壓有利於高質量轉移。
圖4。 （a）卷對卷轉移裝置的示意圖，包括熱輥層壓裝置、電化學剝離裝置和回捲裝置；（b）轉移裝置的照片；（c）轉移過程示意圖。
1。5 無支撐轉移
支撐輔助石墨烯轉移是將高質量清潔石墨烯轉移到目標襯底的傳統方法，不幸的是，支撐基底中的雜質仍然非常普遍，無法在不損害石墨烯性質的情況下完全消除。因此，正在開發替代路線，以避免使用支撐層，並實現與支撐層使用和去除相關的成本。在一種無支撐轉移路線中，累積在目標襯底上的靜電荷用於移動銅/石墨烯，隨後溼法蝕刻銅（圖5（a））。該方法是可擴充套件的，並且顯示出具有較少缺陷的高質量石墨烯轉移（圖5（b）和5（c））。與PMMA支援的方法和卷對卷方法相比，靜電荷調控轉移實現了更高質量、無殘留的石墨烯，這由更窄的XPS峰得到證明（圖5（d））。
圖5。 （a）銅箔上生長的石墨烯在襯底上的清潔-提升轉移過程示意圖；（b）拉曼光譜；（c）單層石墨烯的
I
D
/
I
G
比分佈；（d）XPS光譜。
要點2：清潔方法
由於PMMA支援的轉移是最常見的，也是殘留雜質、損壞石墨烯性質方面問題最嚴重的，因此開發針對該過程的清潔方法具有重要意義。移除PMMA殘留的重要方法包括電子束照射樣品、鐳射、超臨界CO
2
處理。
圖6。 石墨烯的清潔方法。
要點3：直接生長
在感興趣的襯底上直接生長石墨烯，是避免轉移和清潔過程的各種限制，同時減少所需的處理成本和時間。因此，實現直接生長將是朝著擴大石墨烯開發和後續應用邁出的積極一步。一般來說，直接在電介質襯底上生長石墨烯，例如二氧化矽、石英和藍寶石，是很有挑戰性的，因為它們不具有催化性質。因此，引入催化劑有助於分解碳源，併為後續沉積提供成核位點。
圖7 （a）形成銅蒸汽，並直接生長石墨烯的過程；（b-c）拉曼和XPS圖；（d）電學測量（電阻對柵極電壓）；（e）和（f）在犧牲SiO
2
/Si襯底和銅箔之間反應產生銅蒸氣和石墨烯層，樣品的拉曼光譜和照片；（g）拉曼光譜；（h）XPS光譜。
小結
在這篇綜述文章中，作者討論了實現高質量石墨烯轉移和清潔的不同策略，並證明了在不同襯底上直接生長石墨烯的可行性。目前，石墨烯技術的進步，尚未實現具有所需質量、產量和可擴充套件性的石墨烯生產。但是，實驗和理論研究的進展，更重要的是機器學習演算法（人工智慧）的發展，有望促進石墨烯技術的發展。透過這種方式，可以實現石墨烯的升級，以充分利用其獨特性質應用。希望石墨烯技術很快達到頂峰，帶來一場獨特的技術革命。
文章資訊
Sami Ullah， Xiaoqin Yang， Huy Q。 Ta， Maria Hasan， Alicja Bachmatiuk， Klaudia Tokarska， Barbara Trzebicka， Lei Fu & Mark H。 Rummeli。 Graphene transfer methods： A review。
Nano Research
， 2021， https：//doi。org/10。1007/s12274-021-3345-8。
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源：NanoResearch
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