摘要：石墨烯因其卓越的电子、光学、热学和机械特性，已成为一种极具发展前景的材料。目前，通过化学气相沉积法在金属基底上合成大面积石墨烯薄膜仍然是生产高质量石墨烯的主要方法。要实现石墨烯的潜在应用，必须以无损、清洁和高效的方式将石墨烯薄膜转移到目标基底上，因为这对石墨烯

1成果简介

石墨烯因其卓越的电子、光学、热学和机械特性，已成为一种极具发展前景的材料。目前，通过化学气相沉积法在金属基底上合成大面积石墨烯薄膜仍然是生产高质量石墨烯的主要方法。要实现石墨烯的潜在应用，必须以无损、清洁和高效的方式将石墨烯薄膜转移到目标基底上，因为这对石墨烯器件的性能有很大影响。本综述，大连理工大学李经民 教授团队在《Materials Energy&Environmental》期刊发表名为“A Review on High-Efficiency Transfer of Graphene Films Free from Defects and Contamination”的综述，研究提出从无损转移、清洁转移和高效转移这三个角度研究了当前的石墨烯转移方法。它分析并比较了各种转移技术的先进性和局限性。最后，综述指出了当前石墨烯转移方法面临的主要挑战，并展望了未来的发展前景。

2图文导读

2 .1 无缺陷转移

为了评估传输技术的性能，结构完整性至关重要。结构缺陷不仅通过载流子散射机制显著降低了石墨烯的迁移率，而且由于局部曲率效应，碳原子以更高能量、不稳定的状态处于受损区域。这反过来又会降低其电气性能并影响其在高性能设备中的应用。此外，这些缺陷还会影响大规模生产的产量和一致性。在此背景下，无损转移已成为研究热点，尤其是在高性能石墨烯器件的制造中。根据转移石墨烯的表面形貌和目前的研究重点，我们将转移石墨烯中的缺陷分为皱纹、裂纹和空隙三种类型。

图1、Wrinkle-free transfer. a) Comparison of graphene transfer from corrugated copper foil using EVA material and PMMA transfer methods. The isotropic expansion property of EVA reduces the wrinkles in graphene caused by the corrugated copper foil. b) Transferred graphene results using EVA as the supporting material, compared with those using PMMA. The concentric textured copper foil was prepared by mold pressing. Scale bars in optical and topographical images are 1 mm. Panels a, b) were adapted with permission from Hong et al.[35] Copyright 2016 John Wiley and Sons. c) Schematic illustration of the paraffin-assisted graphene transfer process. d) Reduction of wrinkles in transferred graphene by thermal expansion of paraffin. e) Behavior of paraffin-supported graphene at different temperatures. Panels c–e) were adapted with permission under a Creative Commons CC BY license from Leong et al.[24] Copyright 2019 Spring nature.

2.2 种清洁传输方法

在石墨烯的合成和转移过程中，污染仍然是影响其性能的关键因素。石墨烯表面的常见污染源包括生长过程中的残留物（例如，无定形碳）、蚀刻不完全或冲洗不充分导致金属离子残留物、蚀刻剂残留物和支撑材料残留物（例如聚合物、无机化合物）。这些污染物会改变石墨烯的固有特性，从而显著影响基于石墨烯的器件的性能。由于石墨烯的原子级厚度，它在转移过程中极易损坏，因此需要引入支撑层进行保护。然而，残留的支撑材料通常会导致石墨烯污染。因此，支撑层的设计和选择对于石墨烯的清洁转移至关重要。理想的支撑层应满足以下三个条件：（1） 它应表现出与石墨烯的弱相互作用，便于后续去除;（2）必须具有足够的支撑强度，以防止石墨烯薄膜在转移过程中开裂或撕裂;（3） 它应该在常用溶剂中具有良好的溶解性，以帮助有效去除和减少残留污染。

最常见的转移支持材料是聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA），它可以保护石墨烯在转移过程中免受损坏。将石墨烯转移到目标基材后，可以通过有机溶剂洗涤或转移后退火去除聚合物支撑材料。然而，使用有机溶剂完全去除聚合物残留物是一项重大挑战。一方面，长链聚合物的折叠和缠结使它们难以完全溶解在有机溶剂中。另一方面，某些类型的聚合物可以通过共价或非共价相互作用吸附到石墨烯上。尽管大多数聚合物材料在转移过程中提供了良好的强度，但它们对石墨烯表面的强烈粘附使去除变得复杂，从而影响了石墨烯的清洁度。相比之下，有机小分子对石墨烯的粘附力较弱，更容易被溶剂去除;然而，这些材料通常缺乏足够的机械强度来提供足够的支撑，这使得它们在转移过程中容易损坏石墨烯。一些无机材料结合了良好的支撑强度和高可移除性，但它们通常需要严格的环境条件才能使用。例如，冰支持方法可以实现高质量的传输，但作要求很高，限制了实际应用。尽管无支撑的转移方法显示出去除残留物的潜力，但它们在工艺复杂性和有限的转移区域方面存在缺点，需要进一步的研究和技术改进，以实现更可靠和高效的石墨烯转移。各种方法，例如热退火和机械清洁，都可以去除这些残留物;但是，它们可能会蚀刻或以其他方式损坏石墨烯薄膜。

本节将重点介绍转移过程中支撑层的掺杂情况，并将转移支撑层分为四类：聚合物支撑层、有机小分子支撑层、无机支撑层和无支撑转移方法。

2.3 高效传输

石墨烯工业化应用的关键挑战之一是缺乏高质量大规模生长和转移的工业规模生产技术。近年来，随着化学气相沉积 （CVD） 技术的不断优化，在大面积衬底上均匀生长高质量石墨烯已成为可能。然而，石墨烯从生长衬底到目标衬底的高效转移对于其在器件制造中的应用至关重要。因此，提高石墨烯的转移效率已成为当前研究的热点。本节从缩短转移时间和扩大转移区域两个关键方面系统地讨论了高效转移技术的发展。

图2、石墨烯的快速转移

3小结与展望

无损转移为石墨烯的实际应用奠定了基础，表面清洁度直接影响石墨烯的电子和物理特性，而转移效率则是实现大规模工业应用的必要条件。

首先，CVD 生长的石墨烯薄膜与目标基底之间的不匹配会导致褶皱和裂纹。要实现无皱无裂转移，必须促进石墨烯与目标基底的保形接触，并选择或设计合适的支撑材料来增强附着力。在机械剥离方法中，不均匀的氧化也会导致石墨烯的损坏，因此开发一种对携带石墨烯的金属基底进行快速均匀氧化的技术尤为重要。其次，转移后的表面污染通常是由于支撑层去除不彻底造成的。因此，确保有效去除支撑层及其残留物是保持石墨烯性能的关键步骤。虽然高温退火和等离子处理等方法已被证明能有效减少聚合物残留物，但极端条件可能会给石墨烯带来缺陷或损坏。因此，尽量减少转移过程中的污染和开发清洁的转移方法是实现无污染转移的关键目标。无支撑转移方法被认为是避免污染的最佳选择，但其技术实现和稳定性仍需进一步研究和优化。此外，缩短转印时间和增加转印面积以更好地融入现代加工生产线也是当前的一大挑战。辊对辊转移工艺因其可扩展性和可控性，已成为工业制造的首选。然而，减少这种转移方法中引入的缺陷仍然是未来研究的关键目标。

为应对这些挑战，可从以下四个方面进行探索：一是探索新材料作为支撑层，如冰、糖、干冰和液态金属，这些材料在不同温度下会呈现不同的相态，具有潜在的支撑能力。这些方法利用外部环境的变化来改变支撑层的附着力，使其能够附着和释放石墨烯进行转移。第三，结合多支持层转移方法，[89] 如多支持层梯度表面能调制和 PMMA/rosin 双支持层转移，[90] 充分利用不同材料的优势，有助于实现清洁转移和完全转移之间的理想平衡。最后，为进一步推动高效转印技术的发展，类似于 “卷对卷 ”工艺的自动化与用于优化工艺参数的人工智能和机器学习相结合，有望实现全自动工作流程。这一进步将促进大规模设备制造，降低成本和材料浪费，并推动工业应用。

近年来，石墨烯的无转移生长方法也有报道。如果这些 “无转移 ”技术能够扩大工业生产规模，将大大加速石墨烯的广泛应用。不过，在这些方法完全开发出来之前，转移过程仍然是石墨烯实际利用的关键一步。总之，当前的首要任务是实现无损伤、清洁和大面积的石墨烯薄膜转移，这对于推进高质量 CVD 生长石墨烯的商业化至关重要。

文献：

来源：材料分析与应用

来源：石墨烯联盟