Tối ưu hóa quy trình chuyển màng graphene lên một số loại đế định hướng ứng dụng làm điện cực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

TRẦN THỊ YẾN NGỌC

TỐI ƯU HĨA QUY TRÌNH CHUYỂN MÀNG
GRAPHENE LÊN MỘT SỐ LOẠI ĐẾ ĐỊNH HƯỚNG

ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC

Ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 8440104

Người hướng dẫn: TS. TRẦN NĂM TRUNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Tối ưu hóa quy trình chuyển màng graphene lên
một số loại đế định hướng ứng dụng làm điện cực” là cơng trình nghiên cứu
của cá nhân tôi trong thời gian qua. Các số liệu, kết quả trình bày trong đề án
này là hồn tồn trung thực và không sao chép hay sử dụng kết quả từ các đề
tác khác. Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm về tính trung thực trong thơng tin
sử dụng trong cơng trình nghiên cứu này.

LỜI CẢM ƠN

Với lịng biết ơn sâu sắc, tơi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới TS.
Trần Năm Trung, Bộ môn Vật lý – Khoa học Vật liệu, Khoa Khoa học Tự
nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn, người đã trực tiếp và tận tình hướng dẫn tơi
hồn thành tốt đề án này.

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo Khoa Khoa
học Tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn đã giảng dạy và tạo điều kiện thuận
lợi giúp đỡ tơi trong q trình thực hiện đề án này.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các cán bộ của Trường Đại học
Quy Nhơn đã cho phép tôi sử dụng cơ sở vật chất và trang thiết bị trong quá
trình thực hiện các công việc thực nghiệm.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới những người thân trong gia đình, tất
cả bạn bè thân thiết đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học
tập cũng như trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề án này.

Tôi xin chân thành cảm ơn!
Học viên

Trần Thị Yến Ngọc

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................... 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................................. 3
4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 3

5. Cấu trúc của đề án ..................................................................................... 4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 5
1.1. Tổng quan về vật liệu graphene.............................................................. 5
1.1.1. Cấu trúc của graphene....................................................................... 5
1.1.2. Tính chất của graphene ..................................................................... 6
1.1.2.1. Tính chất điện ............................................................................. 6
1.1.2.2. Tính chất nhiệt ............................................................................ 7
1.2.2.3. Tính chất cơ ................................................................................ 8
1.2.2.4. Tính chất quang .......................................................................... 8
1.2. Các phương pháp chuyển màng graphene ............................................. 8
1.2.1. Chuyển ướt (Wet transfer) ............................................................... 8
1.2.2. Chuyển qua trung gian bong bóng.................................................... 9
1.2.2.1. Chuyển bong bóng điện hóa (Electrochemical bubble transfer) 9
1.2.2.1 Chuyển bong bóng khơng điện hóa (Non - Electrochemical
bubble transfer). ..................................................................................... 10
1.2.3. Chuyển khô (Dry transfer).............................................................. 11
1.2.4. Chuyển cuộn sang cuộn (R2R: Roll-to-roll transfer) ..................... 11
1.3. Ứng dụng của graphene........................................................................ 12
1.3.1. Graphene – Transistor hiệu ứng trường.......................................... 12
1.3.2. Màng dẫn điện trong suốt ............................................................... 13
1.3.3. Cảm biến điện hóa và cảm biến sinh học ....................................... 14

1.3.4. Pin Lithium ..................................................................................... 14
1.3.5. Siêu tụ ............................................................................................. 14
1.3.6. Vật liệu graphene – composite ....................................................... 15
1.4. Các nghiên cứu trước đây về graphene ................................................ 15

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM .................................................................. 18
2.1. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm ........................................................... 18

2.1.1. Thiết bị, dụng cụ ............................................................................. 18
2.1.2. Hóa chất .......................................................................................... 20
2.2. Quy trình chuyển màng graphene bằng phương pháp chuyển ướt ...... 20
2.3. Thực nghiệm chuyển màng graphene bằng phương pháp chuyển ướt. 22

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................. 29
3.1. Hình thái và tính chất của màng graphene........................................... 29
3.1.1. Hình thái bề mặt của màng graphene trên đế SiO2/Si .................... 29
3.1.2. Hình thái bề mặt của màng graphene trên đế thủy tinh .................. 32
3.2. Cấu trúc của màng graphene................................................................ 34
3.3. Tính chất điện của màng graphene....................................................... 36

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 38

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ................................... 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 40

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tên tiếng Việt Tên tiếng Anh
Scanning Electron
SEM Kính hiển vi điện tử quét Microscopy
Chemical Vapor
CVD Lắng đọng pha hơi hóa học Deposition
Polymethyl Metacrylate
PMMA Kính hiển vi quang học Graphene
Gr Đặc trưng dòng điện – điện Optical Microscopy
OM thế
Đồng Curent – Voltage Curves

I-V Diode phát quang
Copper
Cu Light Emitting Diode
LED Indium Tin Oxide
ITO Fluorine-doped Tin
Oxide
FTO

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Thống kê độ dẫn nhiệt của một số vật liệu.......................................... 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Graphene là vật liệu gốc của các dạng thù hình của carbon: (a)
Graphene cấu trúc 2D, (b) Fullerence (0D), (c) Carbon nanotube (1D), (d)
Graphite (3D) [7]............................................................................................... 5
Hình 1. 2. Các liên kết của nguyên tử carbon trong mạng graphene [8, 9]. ..... 5
Hình 1. 3. Minh họa sơ đồ quy trình chuyển graphene từ đế Cu lên đế mới bằng
phương pháp chuyển ướt [11]. .......................................................................... 9
Hình 1. 4. Quy trình chuyển bong bóng điện hóa [12]. .................................... 9
Hình 1. 5. Quy trình chuyển bong bóng khơng điện hóa [12]. ....................... 11
Hình 1. 6. Quy trình chuyển khơ [12]. ............................................................ 11
Hình 1. 7. Quy trình chuyển cuộn sang cuộn [12]. ......................................... 12
Hình 1. 8. Cấu trúc của graphene [17]. ........................................................... 13
Hình 1. 9. Cấu tạo của OLED sử dụng graphene làm lớp điện cực trong suốt
[20]. ................................................................................................................. 13

Hình 2. 1. Một số thiết bị được sử dụng làm thí nghiệm: (a) Cân phân tích, (b)
Máy khuấy từ, (c) Máy khuấy từ gia nhiệt, (d) Đồng hồ vạn năng. ............... 18
Hình 2. 2. Tủ sấy Memmert. ........................................................................... 19
Hình 2. 3. Lị nung dạng ống Nabertherm. ..................................................... 19

Hình 2. 4. (a) Graphene trên đế đồng, (b) Đế SiO2/Si và đế thủy tinh. .......... 20
Hình 2. 5. Một số hóa chất sử dụng làm thí nghiệm: (a) FeCl3, (b) (NH4)2S2O8,
(c) Acetone. ..................................................................................................... 20
Hình 2. 6. Sơ đồ quy trình chuyển màng graphene lên đế SiO2/Si................. 21
Hình 2. 7. Quá trình ăn mịn bằng dung dịch (NH4)2S2O8: (a) lúc mới ăn mòn,
(b) sau khi ăn mòn 20 phút, (c) sau khi ăn mịn 30 phút. ............................... 23
Hình 2. 8. Q trình ăn mịn bằng dung dịch FeCl3: (a) lúc mới ăn mòn, (b) sau
khi ăn mòn 20 phút, (c) sau khi ăn mịn 30 phút............................................. 23
Hình 2. 9. Q trình làm sạch và loại bỏ dung dịch ăn mòn bằng nước DI. .. 24

Hình 2. 10. Màng PMMA/Gr được chuyển lên đế SiO2/Si và đế thủy tinh. .. 25
Hình 2. 11. PMMA/Gr/SiO2/Si và PMMA/Gr/thủy tinh sau khi được sấy khô
và bám chặt vào đế. ......................................................................................... 25
Hình 2. 12. Lị nung được cài đặt từ 30 oC tới 120 oC. ................................... 26
Hình 2. 13. Lò nung được cài đặt nung tại 120 oC .......................................... 27
Hình 2. 14. Lị nung được cài đặt giảm từ 120 oC xuống nhiệt độ phịng. .... 27
Hình 2. 15. Quy trình loại bỏ PMMA bằng dung dịch acetone: (a), (b)
PMMA/graphene/SiO2/Si đặt trong dung dịch acetone, (c)
PMMA/graphene/thủy tinh được lắc nhẹ trong dung dịch acetone để rửa sạch
PMMA............................................................................................................. 27
Hình 2. 16. Mẫu graphene/SiO2/Si và graphene/thủy tinh sau khi được sấy khơ.
......................................................................................................................... 28
Hình 3. 1: Ảnh chụp mẫu graphene trên đế SiO2/Si: (a) Trước khi loại bỏ
PMMA, (b) không xử lý nhiệt và (c-g) xử lý nhiệt tại các nhiệt độ (c) 90 oC, (d)
120 oC, (e) 150 oC và (g) 180 oC. .................................................................... 29
Hình 3. 2: Ảnh SEM của các mẫu PMMA/graphene/SiO2/Si: (a) không xử lý
nhiệt và xử lý nhiệt tại nhiệt độ (b) 90 oC, (c) 120 oC, (d) 150 oC và (e) 180 oC.
Ảnh OM của các mẫu graphene/SiO2/Si: (f) không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại
nhiệt độ (g) 90 oC, (h) 120 oC, (i) 150 oC và (j) 180 oC. ................................. 30
Hình 3. 3: Ảnh chụp và ảnh hiển vi quang học của mẫu graphene trên đế thủy

tinh (a, d) không xử lý nhiệt, (b, e) xử lý nhiệt tại 120 oC và (c, g) xử lý nhiệt
tại 180 oC ......................................................................................................... 33
Hình 3. 4: Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng graphene trên đế SiO2/Si khi
không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại nhiệt độ 120 oC. ..................................... 34
Hình 3. 5: Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng graphene trên đế thủy tinh khi
không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại nhiệt độ 120 oC. ..................................... 36
Hình 3. 6: Phổ mật độ dòng điện – điện thế của các mẫu màng graphene trên
đế SiO2/Si khi không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại nhiệt độ 120 oC. ............. 37

1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Ngày nay, sự phát triển của khoa học và công nghệ dần trở thành một xu
thế mạnh mẽ của thế giới, điều này đã và đang mang đến cho nền công nghiệp
điện tử cũng như cuộc sống con người những diện mạo và thành tựu mới. Khoa
học và công nghệ ngày càng phát triển vì nó có tiềm năng ứng dụng rộng rãi và
được dự đốn sẽ có ảnh hưởng to lớn đến tất cả các lĩnh vực khoa học, công
nghệ, kỹ thuật cũng như đời sống hằng ngày trong nền kinh tế thế kỷ 21. Trong
đó, đặc biệt phải nhắc đến cơng nghệ nano. Sự ra đời của công nghệ nano đã
mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới cho ngành công nghiệp điện tử với các
thành phần mới có kích thước nano khi công nghệ điện tử truyền thống tiếp cận
những hạn chế về kích thước vi mơ.

Cùng với sự phát triển của công nghệ nano, nhiều loại vật liệu nano mới
được ra đời, trong đó graphene là vật liệu có tính chất ưu việt và thu hút được
nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Lý thuyết về graphene đã bắt đầu được nghiên
cứu từ những năm 1940. Năm 2004, những tấm graphene đầu tiên được tách

thành công từ bột graphite và đến năm 2010, giải thưởng Nobel danh giá nhất
của khoa học đã được trao cho hai nhà khoa học Konstantin S. Novoselov và
Andre K. Geim thuộc Trường Đại học Manchester nước Anh 1. Kể từ khi được
phát hiện, graphene đã thể hiện nhiều tính chất hấp dẫn và vô cùng lý thú mà
những vật liệu khác khơng thể có được bao gồm: độ linh động điện tử ở nhiệt
độ phòng (250.000 cm2/Vs) 1, độ dẫn nhiệt cao nhất so với tất cả loại vật liệu
đã biết (hơn 5.000 W/mK ở nhiệt độ phòng) 2, modulus đàn hồi cao (đạt 1 TPa)3,
… Graphene cực mỏng, chỉ hấp thụ khoảng 2,3% ánh sáng khả kiến nên
graphene trong suốt đối với mắt người, nhờ có tính chất này nên graphene có
thể được sử dụng làm màng dẫn điện trong suốt trong nhiều ứng dụng như màn
hình cảm ứng, điện cực cho đèn LED (Light Emitting Diode), điện cực cho pin

2

mặt trời. Vì vậy, graphene có khả năng thay thế cho các điện cực dẫn điện trong
suốt phổ biến hiện nay như indium tin oxide (ITO), Fluorine-doped tin oxide
(FTO), bởi vì các điện cực trên có nhược điểm là vừa dễ vỡ, vừa đắt tiền và sắp
bị cạn kiệt nguồn nguyên liệu 3–5. Bên cạnh đó, độ rộng vùng cấm của graphene
cũng có thể được điều chỉnh, điều này làm cho graphene có tiềm năng ứng dụng
trong việc chế tạo bóng bán dẫn (transistor) 5,6. Ngồi ra, graphene cịn có nhiều
ứng dụng khác như: dùng làm transitor trong đóng ngắt mạch cao tần, vật liệu
cảm ứng, vật liệu nhạy quang, vật liệu dùng trong các công nghệ sản xuất máy
bay, đèn LED, điện thoại, cửa sổ thông minh, v.v.

Có nhiều phương pháp tổng hợp graphene như: phương pháp cơ học,
phương pháp tách hóa học, phương pháp tách mở ống nano carbon, phương
pháp phân tách pha lỏng, phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học, v.v. Trong
đó, tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD: Chemical Vapor
Deposition) trên đế đồng (Cu: Copper) được sử dụng phổ biến vì đây là phương
pháp có thể tạo ra các lớp graphene mỏng với diện tích lớn, độ đồng đều của

màng cao, và đặc biệt có thể khống chế được chiều dày hay số lớp graphene.
Việc tách màng graphene từ đế Cu để chuyển lên bề mặt chất nền khác có thể
được thực hiện bằng một số phương pháp như: phương pháp chuyển ướt,
phương pháp chuyển khô, phương pháp chuyển bong bóng, phương pháp
chuyển cuộn sang cuộn (roll-to-roll), v.v.

Thực tế cho thấy rằng, trong ứng dụng làm điện cực, việc chuyển màng
graphene lên các loại đế khác nhau là một lựa chọn hợp lý. Bằng cách sử dụng
màng graphene làm điện cực, ta có thể tạo ra các thiết bị điện tử có hiệu suất
hoạt động cao hơn, như các cảm biến, bộ lọc sóng, bộ chuyển đổi tín hiệu, .v.v.
Tuy nhiên, các loại đế khác nhau thì tính chất bề mặt của chúng cũng khác nhau
nên ảnh hưởng đến sự bám dính của graphene, ngồi ra trong quy trình chuyển
màng lên các loại đế khác nhau ở các điều kiện môi trường khác nhau cũng ảnh

3

hưởng đến chất lượng graphene từ đó ảnh hưởng đến tính chất của màng
graphene. Để tối ưu hóa quy trình chuyển màng graphene từ đế Cu lên một số
loại đế khác nhau, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Tối ưu hóa quy trình
chuyển màng graphene lên một số loại đế định hướng ứng dụng làm điện
cực”.
2. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu tối ưu quy trình chuyển màng graphene từ đế Cu lên một số
loại đế khác nhau như SiO2/Si và thủy tinh, đồng thời khảo sát hình thái bề mặt,
cấu trúc và tính chất dẫn điện của màng graphene nhằm định hướng ứng dụng
làm điện cực.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: màng graphene trên đế Cu (graphene/Cu), màng

graphene trên các đế SiO2/Si và thủy tinh (graphene SiO2/Si, graphene/glass).

- Phạm vi nghiên cứu: màng graphene được chuyển lên các loại đế khác
nhau ở phạm vi phịng thí nghiệm.
4. Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu cơ sở lí luận và tổng hợp tài liệu.
- Phương pháp thực nghiệm chế tạo mẫu: phương pháp chuyển ướt (wet
transfer) màng graphene, phương pháp xử lý nhiệt.
- Phương pháp khảo sát đặc trưng và tính chất của vật liệu như hiển vi
quang học (Optical Microscopy, OM), hiển vi điện tử quét (Scanning Electron
Microscopy, SEM), phổ tán xạ Raman, phổ truyền qua (Transmittance, %T),
đặc trưng dòng điện – điện thế (Current – Voltage curves, I-V).

4

5. Cấu trúc của đề án
Đề án được chia làm các phần chính:
Mở đầu
Nội dung
- Chương 1. Tổng quan về vật liệu graphene
- Chương 2. Thực nghiệm
- Chương 3. Kết quả và thảo luận
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo

5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về vật liệu graphene
1.1.1. Cấu trúc của graphene

Graphene là vật liệu đơn lớp carbon được sắp xếp thành một mạng tinh
thể hình tổ ong hai chiều (mạng hình lục giác), với khoảng cách liên kết carbon-
carbon là 0,142 nm. Nếu cuộn graphene lại ta thu được dạng thù hình fullerence
(0D), nếu quấn lại sẽ tạo nên dạng thù hình carbon nanotube (1D) hoặc nếu xếp
chồng lên nhau sẽ thu được dạng thù hình graphite (3D). Hình 1.1 Graphene là
vật liệu gốc của các dạng graphite khác.

Hình 1. 1. Graphene là vật liệu gốc của các dạng thù hình của carbon: (a) Graphene
cấu trúc 2D, (b) Fullerence (0D), (c) Carbon nanotube (1D), (d) Graphite (3D) 7.

Hình 1. 2. Các liên kết của nguyên tử carbon trong mạng graphene 8,9.

6

Trong đó, mỗi nguyên tử carbon tham gia liên kết với ba nguyên tử carbon
gần nhất bằng liên kết cộng hóa trị sigma (σ) bền vững. Khi liên kết, chúng bỏ
ra các điện tử ở lớp 2s và 2p lai hóa sp2 trong khơng gian tạo thành ba trạng
thái sp giống nhau định hướng theo ba phương lệch nhau một góc 120o. Sự xen
phủ của các trạng thái sp của nguyên tử carbon này với trạng thái sp của nguyên
tử carbon khác tạo thành liên kết cộng hóa trị sigma bền vững. Chính những
liên kết sigma này quy định cấu trúc mạng tinh thể graphene và giải thích vì
sao graphene rất bền vững về mặt cơ học và trơ về mặt hóa học. Ngồi liên kết
sigma (σ), giữa hai nguyên tử carbon gần nhau còn tồn tại một liên kết pi (π)
khác kém bền vững do sự xen phủ của các orbital pz khơng bị lai hóa với orbital
s. Liên kết (π) yếu và có định hướng khơng gian vng góc với orbital sp nên
các điện tử tham gia liên kết này rất linh động và quy định tính chất điện và
quang của graphene.

1.1.2. Tính chất của graphene

Việc tìm ra graphene đã bổ sung đầy đủ các dạng thù hình của carbon. Tuy
nhiên, vật liệu mới này lại có những tính chất vượt trội hơn các dạng thù hình
tồn tại trước đó. Điều này đã và đang mở ra những hướng nghiên cứu tiềm năng
cho nền công nghiệp điện tử như tăng tốc chip điện tử, làm điện cực trong suốt,
điện cực, v.v.

1.1.2.1. Tính chất điện

Ở dạng tinh khiết và nhiệt độ thường, graphene dẫn điện nhanh hơn các
chất khác (nhanh hơn gấp 10 lần so với Silicon) vì chuyển động của các electron
trong graphene rất nhanh, các electron dường như khơng có khối lượng và
chuyển động gần bằng vận tốc ánh sáng. Graphene có độ linh động điện tử cao
(250.000 cm2/V.s) ở nhiệt độ phòng 1.

7

1.1.2.2. Tính chất nhiệt

Ở nhiệt độ thường, graphene ở dạng tinh khiết dẫn nhiệt nhanh hơn gần
như toàn bộ các chất khác và bản thân graphene là chất dẫn nhiệt. Khi đo ở
nhiệt độ phòng, độ dẫn nhiệt của graphene ~5.000 W/mK 2. Với nhu cầu ngày
càng cao của sự phát triển ngành công nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử
phải ngày càng được thu nhỏ và mật độ mạch tích hợp cũng phải tăng. Bên cạnh
đó, yêu cầu tản nhiệt cho các linh kiện cũng rất quan trọng cho nên graphene là
một vật liệu đầy hứa hẹn cho ứng dụng trong tương lai.

Bảng 1. Thống kê độ dẫn nhiệt của một số vật liệu 7.

Vật liệu Độ dẫn nhiệt
(W/mK)

Graphene 5.000
Carbon 1.000
Bạc 406
Nhôm 205
Chì 34,7
Thủy tinh 0,8
Nước ở 20 oC 0,6
Sợi thủy tinh 0,04
Tấm xốp gỗ 0,04
Gỗ rỉ 0,04
Nhựa PE 0,033
Nhựa PU 0,02
Gỗ 0,12-0,04
Không khí ở 0 oC 0,024
Silica aerogel 0,03

8

1.2.2.3. Tính chất cơ

Graphene có cấu trúc bền vững ngay cả ở nhiệt độ bình thường.
Graphene có Young’s modulus ~1.100 GPa (độ bền kéo ~125 GPa), độ cứng
lớn hơn rất nhiều so với các loại vật liệu khác (gấp 300 lần so với thép và cứng
hơn cả kim cương). Mặt khác, tỉ trọng của graphene khá là nhỏ 0,77 mg/m2 3.

1.2.2.4. Tính chất quang

Graphene hấp thụ chỉ 2,3% cường độ ánh sáng 8, nó hầu như trong suốt
với ánh sáng trong vùng khả kiến. Do vậy, màng graphene lơ lửng (pending)
khơng có màu sắc.

1.2. Các phương pháp chuyển màng graphene

Để chuyển màng graphene được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng
hơi hóa học (CVD) trên đế kim loại, đầu tiên phải loại bỏ đế kim loại bằng cách
hòa tan trong các dung dịch ăn mòn hoặc sử dụng các phương pháp chuyển như
chuyển bong bóng, chuyển tách lớp, chuyển bong tróc nhiệt. Để tránh làm rách,
nhăn hoặc hạn chế tạp chất không mong muốn bám vào màng graphene trong
quá trình chuyển đế, các nhà khoa học đã dùng nhiều kỹ thuật chuyển màng
khác nhau để đánh giá và khắc phục những nhược điểm của các phương pháp.

1.2.1. Chuyển ướt (Wet transfer)

Trong phương pháp chuyển ướt, chất ăn mòn (iron(III) chloride hoặc
amonium persulfat) được dùng để ăn mòn đế kim loại, sau đó màng graphene
được làm sạch qua bằng nước bằng nước khử ion (Deionized Water, DI) rồi
chuyển lên các loại đế thích hợp. Quy trình chuyển graphene từ đế Cu lên đế
mới bằng phương pháp chuyển ướt được minh họa trong Hình 1.3.

9

Hình 1. 3. Minh họa sơ đồ quy trình chuyển graphene từ đế Cu lên đế mới bằng
phương pháp chuyển ướt 10.

Các phương pháp chuyển ướt được xem là phương pháp chuyển màng
graphene thông dụng và phổ biến nhất, được sử dụng thành cơng ở quy mơ
phịng thí nghiệm. Tuy nhiên, những phương pháp này có một số hạn chế như:
khả năng lẫn tạp chất cao, tốn thời gian và chi phí. Điều này đã thúc đẩy các
nhà khoa học khám phá những cách khác có thể giúp chuyển màng graphene
trên diện rộng, không bị lẫn tạp chất.

1.2.2. Chuyển qua trung gian bong bóng

1.2.2.1. Chuyển bong bóng điện hóa (Electrochemical bubble transfer)
Bong bóng O2 và H2 được tạo ra thơng qua các phản ứng điện hóa trong đó
graphene trên đế Cu đóng vai trị là một trong các điện cực (cathode hoặc
anode). Các bong bóng tác dụng một lực bong tróc và cuối cùng tách lớp
graphene khỏi đế. Hình 1.4 là quy trình chuyển bong bóng điện hóa.

Hình 1. 4. Quy trình chuyển bong bóng điện hóa 10.

10

Phương pháp này chỉ được sử dụng với các chất dẫn điện thích hợp để
dùng làm điện cực. Có thể loại bỏ sạch graphene khỏi đế và đế được tái sử
dụng, không giống như các phương pháp chuyển ướt thơng thường ăn mịn hóa
học chất nền kim loại 9. Phương pháp này tiết kiệm vì nó giảm thiểu việc sử
dụng chất ăn mòn hoặc chất tẩy rửa. Đế Cu tự đánh bóng trong q trình tách
lớp và có thể được tái sử dụng mà không cần xử lý thêm. Các đặc điểm hình
thái bề mặt của đế Cu, chẳng hạn như các gợn sóng, được in trên graphene được
chuyển, điều này làm tăng khả năng tạo khuôn cho graphene và các vật liệu
khác.

Quy trình chuyển điện hóa loại bỏ cặn Fe khó loại bỏ và nhanh hơn các
phương pháp thông thường 10. Điều thú vị là chất lượng graphene vẫn được bảo
toàn mặc dù đế được sử dụng nhiều lần. Graphene được sản xuất có ít nếp nhăn
nhất và độ linh động hạt tải điện cao sau khi truyền 11. Một nghiên cứu đã sử
dụng PMMA/graphene/Cu làm cả cực âm và cực dương để tách lớp đồng thời
hai tấm graphene bằng cách sử dụng phương pháp tách bong bóng, dẫn đến
truyền chất lượng cao 12.

1.2.2.1 Chuyển bong bóng khơng điện hóa (Non - Electrochemical
bubble transfer).
Phương pháp chuyển bong bóng điện hóa rất phức tạp và khơng ứng dụng
rộng rãi vì phương pháp này chỉ thích hợp với các đế là chất dẫn điện. Việc tìm
ra phương pháp khác lý tưởng hơn, thích hợp với đế là chất dẫn điện và không
dẫn điện là cần thiết. Và phương pháp chuyển bong bóng khơng điện hóa được
nghiên cứu ra. Trong phương pháp chuyển bong bóng khơng điện hóa, các bong
bóng có thể được tạo ran gay cả bằng các phản ứng hóa học thơng thường và
cho phép tách graphene tổng hợp ra khỏi đế.
Phản ứng hóa học ướt đơn giản được sử dụng là
NH4OH + H2O2 + H2O (1:1:3 thể tích)

11
Phản ứng hóa học này tạo ra bong bóng O2 giúp tách lớp PMMA/graphene
khỏi lá Cu. Hình 1.5. là quy trình chuyển bong bóng khơng điện hóa.

Hình 1. 5. Quy trình chuyển bong bóng khơng điện hóa 10.

1.2.3. Chuyển khơ (Dry transfer)
Trong kỹ thuật chuyển ướt, việc sử dụng các dung dịch ăn mịn và phải qua
nhiều bước làm sạch khiến graphene có nhiều khả năng bị lẫn tạp chất và khuyết
tật. Ngoài ra, các đế bị ăn mịn khơng tái sử dụng lại được dẫn đến tăng chi phí
sản xuất. Vì vậy, kỹ thuật chuyển khô đã được phát triển như một giải pháp
thay thế, tiết kiệm và khả thi để chuyển graphene sạch, chất lượng cao sang các
bề mặt tương thích với thiết bị, trong đó các phương pháp tách lớp được sử
dụng để cho phép tái sử dụng đế nền 13. Quy trình chuyển khơ được mơ tả trong
Hình 1.6.

Hình 1. 6. Quy trình chuyển khơ 10 .

1.2.4. Chuyển cuộn sang cuộn (R2R: Roll-to-roll transfer)
Để đáp ứng nhu cầu thị trường về graphene quy mô lớn và cho phép các

ứng dụng khác nhau của graphene, việc chuyển giao quy mô công nghiệp chất
lượng cao có tầm quan trọng hàng đầu. Để đạt được điều này, phương pháp