(57)【要約】【課題】照射を用いる酸化グラフェンの堆積及びパターニング。【解決手段】本発明の例示的な実施形態によれば、方法が開示される。この方法は、基板を供することと、基板の上に酸化グラフェン（ＧＯ）膜を堆積させることと、ＧＯ膜の少なくとも一部を光照射に暴露させ、ＧＯ膜の少なくとも一部を還元し、これによって、ＧＯ膜上に、少なくとも１つの還元型ＧＯ（ｒＧＯ）領域のパターンを生成することと、少なくとも１つのｒＧＯ領域の前述したパターンに従って、ＧＯ膜上に極性物質を選択的に堆積させることと、を含む。【選択図】図２
2017508695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を提供するステップと、
前記基板の上に酸化グラフェン膜（ＧＯ膜）を堆積させるステップと、
前記ＧＯ膜の前記少なくとも一部を還元し、それによって、前記ＧＯ膜の上に、少なくとも１つの還元型ＧＯ（ｒＧＯ）領域のパターンを生成するために、前記ＧＯ膜の少なくとも一部を光照射に暴露させるステップであって、ステップと、
前記少なくとも１つのｒＧＯ領域の前記パターンにしたがって、前記ＧＯ膜の上に極性物質を選択的に堆積させるステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記基板の上にＧＯ膜を堆積させるステップは、基板の上に２００ナノメートル未満の厚さを有するＧＯ膜を堆積させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＧＯ膜の少なくとも一部を光照射に暴露させるステップは、ＧＯ膜の少なくとも一部を、２００ナノメートルと９００ナノメートルとの間の波長スペクトルの光照射に暴露させるステップを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
２００ナノメートルと９００ナノメートルとの間の波長スペクトルでの前記光照射が、キセノン・フラッシュ・ランプによって生じる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ＧＯ膜の少なくとも一部を光照射に暴露させるステップは、１．０×１０−５秒から１０分の期間、実行される、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
極性物質を選択的に堆積させるステップは、少なくとも１つのｒＧＯ領域の前記パターンにしたがって極性ＧＯインクを印刷するステップを含む、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
極性ＧＯインクを印刷するステップは、２００ナノメートルを超える厚さを有する極性ＧＯインクを印刷するステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
ＧＯ膜を堆積させるステップは、スプレイ・コーティング、スピン・コーティング、印刷または膜転写によって、前記基板の上にＧＯ膜を堆積させるステップを含む、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
基板を提供するステップは、フレキシブル・プラスチック基板を提供するステップを含む、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
基板を提供するステップは、硬質ガラス基板を提供するステップを含む、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記堆積させたＧＯ膜を、少なくとも１つの表面剤によってドープするステップを更に含む請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも１つのｒＧＯ領域の前記パターンにしたがって、前記ＧＯ膜の上に極性物質を選択的に堆積させるステップは、少なくとも１つのｒＧＯ領域の前記パターンの外側にある前記ＧＯ膜の少なくとも１つの領域に極性物質を選択的に堆積させるステップを含む、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記ＧＯ膜の少なくとも一部を光照射に暴露させるステップは、マスクを用いて前記ＧＯ膜の少なくとも一部を光照射に暴露させるステップを含む、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
マスクを用いるステップは、フォトマスクを用いるステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記極性物質を含む前記ＧＯ膜を光照射に暴露させるステップであって、それによって、絶縁性ｒＧＯ膜の上に、少なくとも１つの疎水性導電構造体のパターンを生成する、ステップを更に含む請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記極性物質を含む前記ＧＯ膜の少なくとも一部を光照射に暴露させるステップは、
前記極性物質を含む前記ＧＯ膜を乾燥させるステップと、
２００ナノメートルと９００ナノメートルとの間の波長スペクトルを有し、キセノン・フラッシュ・ランプにより生成されるフォトニック・フラッシュによって前記ＧＯ膜を処理するステップと、
を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記ＧＯ膜の少なくとも一部を光照射に暴露させるステップは、前記ＧＯ膜の少なくとも一部を、前記基板の前記ＧＯ膜が堆積した側に所定距離で配置された光源からの光照射に暴露させるステップを含む、請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記ＧＯ膜の少なくとも一部を光照射に暴露させるステップは、前記ＧＯ膜の少なくとも一部を、前記基板の前記ＧＯ膜が堆積した側の反対側に所定距離で配置された光源からの光照射に暴露させるステップを含む、請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
１つ以上の導電性電極を前記基板の上に堆積させるステップを更に含み、
前記ＧＯ膜は、前記堆積させた１つ以上の導電性電極を有する前記基板の上に堆積される、請求項１ないし１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
基板を提供するステップと、
前記基板の上に酸化グラフェン膜（ＧＯ膜）を堆積させるステップと、
前記堆積させたＧＯ膜の上に、紫外線硬化型インク（ＵＶ硬化型インク）のパターンを選択的に堆積させるステップと、
前記ＵＶ硬化型インクの前記選択的に堆積させたパターンの外側にあるＧＯ膜の領域を還元するために、および、前記ＵＶ硬化型インクを硬化させるために、前記ＵＶ硬化型インクを含むＧＯ膜を光照射に暴露させるステップと、を含む方法。
【請求項２１】
前記堆積させたＧＯ膜の上に、ＵＶ硬化型インクのパターンを選択的に堆積させるステップは、前記堆積させたＧＯ膜の上に、ＵＶ硬化型インクをインクジェット印刷するステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記光照射は、キセノン・フラッシュ・ランプによって生じる、請求項２０または２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記基板の上にＧＯ膜を堆積させるステップは、前記基板の上に２００ナノメートルを超える厚さを有するＧＯ膜を堆積させるステップを含む、請求項２０ないし２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
ＧＯ膜を堆積させるステップは、スプレイ・コーティング、スピン・コーティング、印刷または膜転写によって、前記基板の上にＧＯ膜を堆積させるステップを含む、請求項２０ないし２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２５】
前記ＵＶ硬化型インクのパターンを選択的に堆積させるステップは、高分子ＵＶインクのパターンを選択的に堆積させるステップを含む、請求項２０ないし２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
高分子ＵＶインクのパターンの選択的な堆積において、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリシロキサン樹脂、および、エポキシ樹脂の高分子材料のうちの少なくとも１つが用いられる、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
反応器と、フラッシュ・ランプとを備えるデバイスであって、該デバイスは、
前記反応器の内部で基板を保持し、
前記基板の上に酸化グラフェン膜（ＧＯ膜）を堆積させ、
前記ＧＯ膜の前記少なくとも一部を還元し、それによって、少なくとも１つの還元型ＧＯ（ｒＧＯ）構造体、および、少なくとも１つの非還元型ＧＯ構造体のパターンを、
前記基板の上に生成するために、前記ＧＯ膜の少なくとも一部を前記フラッシュ・ランプによる光照射に暴露させ、
前記パターンにしたがって、前記基板の上の前記少なくとも１つの非還元型ＧＯ構造体に極性物質を選択的に堆積させる
ように構成される、デバイス。
【請求項２８】
反応器と、フラッシュ・ランプと、を備えるデバイスであって、該デバイスは、
前記反応器の内部で基板を保持し、
前記基板の上に酸化グラフェン（ＧＯ）膜を堆積させ、
前記堆積させたＧＯ膜上に、紫外線硬化型インク（ＵＶ硬化型インク）のパターンを選択的に堆積させ、
前記ＵＶ硬化型インクの選択的に堆積させたパターンの外側にあるＧＯ膜の領域を還元するために、および、前記ＵＶ硬化型インクを硬化させるために、前記ＵＶ硬化型インクを含むＧＯ膜を光照射に暴露させる
ように構成される、デバイス。
【請求項２９】
少なくとも１つのプロセッサと、
前記少なくとも１つのプロセッサに連結された少なくとも１つのメモリであって、該少なくとも１つのメモリは、前記少なくとも１つのプロセッサによって実行されるとき、装置に、請求項１ないし２６のいずれか１項に記載の方法を実行させるプログラムコード命令を含む、少なくとも１つのメモリと、
を備える装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、酸化グラフェンの堆積及びパターニングに関する。具体的には、本発明は、照射を用いる酸化グラフェンの堆積及びパターニングに関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化グラフェン（ＧＯ）は、グラフェン系電子部品を製造するのに有望な物質である。バルクグラファイト及びグラフェンとは対照的に、ＧＯは溶媒分散性で、絶縁性であり、淡褐色である。ＧＯは処理が非常に容易であり、印刷技術と互換性がある。絶縁性ＧＯを還元し、特有の電気特性及び化学特性を示す、化学的に修飾されたグラフェン、いわゆる還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）を形成することができる。還元剤（ヒドラジンなど）による化学処理、高温（５００℃超）への熱アニーリング、及びレーザー処理を含む、ＧＯを還元する複数の従来法が存在する。有望な技術の一つは、周囲条件でのパルスキセノン光に対する暴露時におけるＧＯの光‐熱還元である。フォトニック・フラッシュ還元(photonic flash reduction)はここ数年で注目を集めており、これは、ＧＯの処理に対する関心を示している。当技術分野で知られているフォトニック還元(photonic reduction)方法は、還元後のＧＯの特性の変化を表す。これらの特性には、厚さ、色、化学反応性、表面トポグラフィ、熱安定性などが含まれる。
【発明の概要】
【０００３】
本発明の第１の態様によれば、方法が開示される。この方法は、基板を供することと、基板上に酸化グラフェン（ＧＯ）膜を堆積させることと、ＧＯ膜の少なくとも一部を光照射(photonic irradiation)に暴露させ、ＧＯ膜の前述した少なくとも一部を還元し、これによって、ＧＯ膜上に、少なくとも１つの還元型ＧＯ（ｒＧＯ）領域のパターンを生成することと、少なくとも１つのｒＧＯ領域の前述したパターンに従って、ＧＯ膜上に極性物質を選択的に堆積させることと、を含む。
【０００４】
この態様に係る方法は、例えば、酸化グラフェンをパターニングする方法、又は酸化グラフェンのパターニングを制御する方法、又は酸化グラフェンの堆積をパターン化する方法であってもよい。光照射とは、可視、紫外線及び赤外線波長を含むスペクトルを有する電磁照射を意味する。以下、「極性物質」は、比較的高い表面張力を有した極性溶媒を含有する複合物質と定義され、また、「非極性物質」とは、比較的低い表面張力を有した複合物質を意味する。極性物質間の相互作用は、非極性物質と極性物質の相互作用よりもエネルギー的に有利である。「親水性物質」は、比較的高い表面自由エネルギーを有する固体物質、すなわち、水に対して自然に親和性を有する固体極性物質と定義される。「疎水性物質」は、比較的低い表面自由エネルギーを有する固体非極性物質と定義され、これは自然に水と反発する。換言すると、本出願の目的上、「疎水性」及び「親水性」という用語は、水との相互作用に基づいて非液体物質を説明するのに用いられる。一方、「極性」及び「非極性」という用語は、固体物質と液体物質の両方を意味し得る。
【０００５】
本発明の実施形態によれば、基板上にＧＯ膜を堆積させることは、基板上に２００ナノメートル未満の厚さを有するＧＯ膜を堆積させることを含み得る。
【０００６】
一実施形態によれば、ＧＯ膜の少なくとも一部を光照射に暴露させることは、ＧＯ膜の少なくとも一部を、２００ナノメートル〜９００ナノメートルの波長スペクトルの光照射に暴露させることを含む。
【０００７】
一実施形態によれば、２００ナノメートル〜９００ナノメートルの波長スペクトルの光照射は、キセノン・フラッシュ・ランプによって生じる。
【０００８】
本明細書の目的上、フラッシュ・ランプとは、非常に短い時間（１０-5秒）若しくは非常に長い時間（最大１０分）又はこれらの両方の時間、光照射を生じることが可能なランプを意味する。
【０００９】
一実施形態によれば、ＧＯ膜の少なくとも一部を光照射に暴露させることは、１．０×１０-5秒から１０分の時間、行われる。
【００１０】
一実施形態によれば、ＧＯ膜の少なくとも一部を光照射に暴露させることは、一連のパルスで行われる。これらのパルスはそれぞれ、１０マイクロ秒から１ミリ秒の長さであり得る。
【００１１】
一実施形態によれば、極性物質を選択的に堆積させることは、少なくとも１つのｒＧＯ領域の前述したパターンに従って極性ＧＯインクを印刷することを含む。表面エネルギーの差により、極性インクと親水性物質の相互作用は、極性インクと疎水性物質との相互作用よりも有利である。
【００１２】
一実施形態によれば、極性ＧＯインクを印刷することは、２００ナノメートルを超える厚さの極性ＧＯインクを印刷することを含む。
【００１３】
一実施形態によれば、ＧＯ膜を堆積させることは、スプレイ・コーティングによって基板上にＧＯ膜を堆積させることを含む。場合により、スピン・コーティング、印刷及び膜転写を用いて、ＧＯ膜を堆積させてもよい。
【００１４】
一実施形態によれば、基板はフレキシブル・プラスチック基板である。
【００１５】
別の実施形態によれば、基板は硬質ガラス基板である。
【００１６】
一実施形態によれば、方法は、堆積させたＧＯ膜を表面剤によってドープすることを更に含む。
【００１７】
ＧＯ膜を上述の表面剤によりドープすることによって、得られる構造体における濡れ性のコントラストを増加させることができる。
【００１８】
一実施形態によれば、少なくとも１つのｒＧＯ領域の前述したパターンに従って、ＧＯ膜上に極性物質を選択的に堆積させることは、少なくとも１つのｒＧＯ領域のパターンの外側にあるＧＯ膜の少なくとも１つの領域に極性物質を選択的に堆積させることを含む。
【００１９】
換言すると、この実施形態によれば、極性物質を、ＧＯ膜の少なくとも１つの非還元領域に選択的に堆積させる。一実施形態によれば、ＧＯ膜の少なくとも一部を光照射に暴露させることは、マスクを用いて、ＧＯ膜の少なくとも一部を光照射に暴露させることを含む。一実施形態によれば、マスクはフォトマスクであり得る。
【００２０】
一実施形態によれば、方法は、極性物質を含むＧＯ膜を光照射に暴露させ、これによって、絶縁性ｒＧＯ膜上に、少なくとも１つの疎水性導電構造体のパターンを生成することも含む。
【００２１】
換言すると、この実施形態によれば、照射への暴露は少なくとも２回生じ、基板上に酸化グラフェン膜を堆積させた後と、そして極性物質を選択的に堆積させた後に生じる。
【００２２】
一実施形態によれば、極性物質を含むＧＯ膜の少なくとも一部を光照射に暴露させることは、極性物質を含むＧＯ膜を乾燥させることと、２００ナノメートル〜９００ナノメートルの波長スペクトルを有しキセノン・フラッシュ・ランプにより生じるフォトニック・フラッシュによって同様に処理することと、を含む。
【００２３】
一実施形態によれば、１つ以上の導電性電極を基板上に堆積させ、１つ以上の導電性電極を堆積させた基板上にＧＯ膜を堆積させる。換言すると、ＧＯ膜の堆積前に、１つ以上の導電性電極を基板上に堆積させる。
【００２４】
一実施形態によれば、ＧＯ膜の少なくとも一部を光照射に暴露させることは、ＧＯ膜の少なくとも一部を、ＧＯ膜が堆積した基板の一方に所定距離で配置された光源からの光照射に暴露させることを含む。換言すると、基板の上で堆積が行われる場合、構造体は、上方から、すなわち、基板の上側に所定距離で配置された光源から照射される。
【００２５】
一実施形態によれば、ＧＯ膜の少なくとも一部を光照射に暴露させることは、ＧＯ膜の少なくとも一部を、ＧＯ膜が堆積した基板の側とは反対側に所定距離で配置された光源からの光照射に暴露させることを含む。換言すると、基板の上で堆積が行われる場合、構造体は、下方から、すなわち、基板の下側に所定距離で配置された光源から照射される。
【００２６】
本発明の一態様によれば、方法が開示される。この方法は、基板を供することと、基板上にＧＯ膜を堆積させることと、堆積させたＧＯ膜上に、紫外線（ＵＶ）硬化型インクのパターンを選択的に堆積させることと、ＵＶ硬化型インクを含むＧＯ膜を光照射に暴露させて、ＵＶ硬化型インクの選択的に堆積させたパターンの外側にあるＧＯ膜の領域を還元し、ＵＶ硬化型インクを硬化させることと、を含む。
【００２７】
本方法は、例えば、ＧＯのマスクレスパターニング方法、又はパターン化されたＧＯのマスクレス堆積(maskless deposition)方法であってもよい。ＵＶ硬化型インクパターンは、堆積させたＧＯ膜の領域を照射から遮蔽することができ、これによって、これらの領域の還元を阻止することができる。
【００２８】
一実施形態によれば、堆積させたＧＯ膜上に、ＵＶ硬化型インクのパターンを選択的に堆積させることは、堆積させたＧＯ膜上に、ＵＶ硬化型インクをインクジェット印刷することを含む。場合により、この実施形態では、種々の堆積方法を用いてもよく、これらの方法としては、分注、スロットダイコーティング、スプレイ・コーティング、ソフトリソグラフィ、毛細管マイクロモールド(micromolding in capillaries)、スクリーン印刷、オフセット印刷、反転オフセット印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷、エアロゾルジェット印刷及び同種のものが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２９】
一実施形態によれば、光照射は、キセノン・フラッシュ・ランプによって生じる。
【００３０】
一実施形態によれば、基板上に堆積させたＧＯ膜は、基板上に２００ナノメートルを超える厚さを有する。
【００３１】
一実施形態によれば、ＧＯ膜を堆積させることは、スプレイ・コーティングによって基板上にＧＯ膜を堆積させることを含む。場合により、スピン・コーティング、印刷及び膜転写を用いて、ＧＯ膜を堆積させてもよい。
【００３２】
一実施形態によれば、ＵＶ硬化型インクのパターンを選択的に堆積させることは、高分子ＵＶインクのパターンを選択的に堆積させることを含む。
【００３３】
実施形態によれば、高分子ＵＶインクのパターンの選択的な堆積には、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリシロキサン樹脂及びエポキシ樹脂の高分子材料のうちの少なくとも１つが用いられるが、これらの材料のうちのいずれかに限定されない。
【００３４】
本発明の一態様によれば、装置が開示される。この装置は、反応器とフラッシュ・ランプとを備え、装置は、反応器内部で基板を保持し、基板上に酸化グラフェン（ＧＯ）膜を堆積させ、ＧＯ膜の少なくとも一部をフラッシュ・ランプによる光照射に暴露させ、ＧＯ膜の前述した少なくとも一部を還元し、これによって、基板上に、少なくとも１つの還元型ＧＯ（ｒＧＯ）構造体、及び少なくとも１つの非還元型ＧＯ構造体のパターンを生成し、そして、前述のパターンに従って、基板上の少なくとも１つの非還元型ＧＯ構造体に極性物質を選択的に堆積させるように構成される。さらに、本装置は、フラッシュ・ランプと基板との間にマスクを保持するように構成されていてもよく、マスクは、基板の少なくとも一部をフラッシュ・ランプから遮蔽するように構成される。
【００３５】
反応器のフラッシュ・ランプは、１０-5秒から１０分の種々の時間、光照射を生じることが可能である。
【００３６】
本発明の一態様によれば、装置が開示される。この装置は、反応器とフラッシュ・ランプとを備え、装置は、反応器内部で基板を保持し、基板上に酸化グラフェン（ＧＯ）膜を堆積させ、ＧＯ膜の少なくとも一部をフラッシュ・ランプによる光照射に暴露させ、ＧＯ膜の前述した少なくとも一部を還元し、これによって、基板上に、少なくとも１つの還元型ＧＯ（ｒＧＯ）構造体、及び少なくとも１つの非還元型ＧＯ構造体のパターンを生成し、そして、前述のパターンに従って、基板上の少なくとも１つの非還元型ＧＯ構造体に極性物質を選択的に堆積させるように構成される。
【００３７】
本発明の一態様によれば、装置が開示される。この装置は、少なくとも１つのプロセッサと、少なくとも１つのプロセッサに連結され少なくとも１つのメモリを備え、少なくとも１つのメモリは、少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、上述した実施形態のうちのいずれかに係る方法を装置に実行させるプログラムコード命令を含む。
【００３８】
本発明の一態様によれば、装置が開示される。この装置は、反応器内部で基板を保持し、基板上に酸化グラフェン（ＧＯ）膜を堆積させ、ＧＯ膜の少なくとも一部をフラッシュ・ランプによる光照射に暴露させ、ＧＯ膜の前述した少なくとも一部を還元し、これによって、基板上に、少なくとも１つの還元型ＧＯ（ｒＧＯ）構造体、及び少なくとも１つの非還元型ＧＯ構造体のパターンを生成し、そして、前述のパターンに従って、基板上の少なくとも１つの非還元型ＧＯ構造体に極性物質を選択的に堆積させる手段を備える。
【００３９】
ここで、本発明の例示的な実施形態を更に十分に理解するために、添付図面に関する次の説明について言及する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１ａ】ＧＯ薄膜の照射時間に対する静的水接触角（ＷＣＡ）及び抵抗のグラフである。
【図１ｂ】照射時間に対する抵抗のグラフである。
【図２】本発明の実施形態に係る方法を示す。
【図３】本発明の別の形態に係る方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本発明の例示的な実施形態とその潜在的な利点は、図１〜３を参照することによって理解される。
【００４２】
本発明の実施形態の基礎となる一部のメカニズムは、図１ａ及び１ｂを参照して更に十分に理解することができる。還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）は、酸化グラフェン（ＧＯ）とは対照的に、溶媒にほとんど分散されないため、印刷及びコーティング技術において利用することが困難である。したがって、小規模でのｒＧＯパターニングは、技術的に課題が残っている。
【００４３】
ｒＧＯの濡れ性及び電気特性は、フォトニック・フラッシュ還元増加の程度に伴って劇的に変化する。これは、数秒の照射時間に対する静的水接触角（ＷＣＡ）［度］及び抵抗［Ｍオーム］のＧＯ依存性を示すグラフである図１ａから、明らかになっている。ＷＣＡは濡れ性の指標であり、角度が大きくなるほど、物質は疎水性になる。照射時間はＧＯの還元の指標であり、物質が長く暴露されるほど、エネルギーが多く伝えられるため、照射下でＧＯ層が完全に還元されるまで、ＧＯは還元されるようになる。抵抗は、電気特性の指標として用いられる。
【００４４】
およそ３５°の濡れ性のコントラストは、左側の目盛に示されている依存性によって実証されるように、６０秒以内の照射で達成することができる。酸化グラフェンの親水性はその固有特性のうちの一つであるが、疎水性はＧＯの還元によって適切に達成される。濡れ性のコントラストは、表面剤がＧＯの表面自由エネルギーを増加させ、そしてＷＣＡを減少させるため、ＧＯ超薄層を表面剤によりドープすることよって更に増加し得る。右側の目盛に示されているプロットは、ＧＯ薄膜の抵抗の増加を示している。
【００４５】
図１ｂは、種々の厚さのＧＯ膜についての照射時間に対する抵抗［Ｍオーム］のグラフであり、図１ａに示されている電導率／抵抗の相関関係に更に詳細な考察を提供する。照射による還元前では、ＧＯは絶縁体である。厚いＧＯ膜の電導率は、照射時間の増加に伴って有意に増加し、これによって、厚膜から還元されたｒＧＯが導体になる。しかしながら、薄いＧＯコーティング及び超薄ＧＯコーティングの電導率は、還元の強さの増加に伴って実際に減少する。
【００４６】
２００ｎｍ未満の厚さの最も超薄である可能性があるＧＯ膜は、還元時、及び剥離されて弱いπ‐π相互作用を有する無秩序に充填されたｒＧＯシートをもたらす爆発的な脱ガス工程によって生じる粒子間接触の低下時に、試料を介する電荷移動のイオンチャンネルを抑制することにより、抵抗を増加させる。個々のｒＧＯシートの電導率は、堆積させたＧＯと比較して、増加し得るが、全体的な電導率は、密度の損失及び無秩序により減少する。一方、厚い膜（２００ナノメートル超）、及び非常に厚い膜（１マイクロメートル超）の場合、この工程は、充填されたＧＯシートの高い密度によって補償され、その結果、還元時に粒子対粒子接触が依然として維持される。したがって、厚いＧＯ膜は、照射時間に伴って抵抗の減少を示す。
【００４７】
これらの観察に基づいて、単一の表面に親水性と疎水性の両方の領域を同時に形成することが可能であると考えられる。さらに、パターン化されたＧＯ膜上のＧＯインク（又は他の極性インク）の異方性濡れは、微細な導電性ｒＧＯ領域（又は他の構造体）を作製するために、例えば印刷時に、利用することができる。また、ＧＯ‐ｒＧＯコーティング上で印刷を制御するのに、種々の適切な極性インクも用いることができる。極性インク又は物質とは、比較的高い表面エネルギーを有する極性溶媒を含有した複合物質を意味するが、非極性物質とは比較的低い表面エネルギーを有した複合物質を意味する。極性物質間の相互作用は、非極性物質と極性物質の相互作用よりもエネルギー的に有利である。親水性物質は、水に対して自然に親和性を有する固体極性物質であるが、疎水性物質は、比較的低い表面自由エネルギーを有する固体非極性物質であり、これは自然に水と反発する。
【００４８】
図２は、本発明の例示的な実施形態を示している。ＧＯ超薄膜の濡れ性のコントラスト、及び比較的薄いＧＯ膜と厚いＧＯ膜との電気特性の差は、キセノンフラッシュ還元と印刷技術との組合せによって、このＧＯパターニング方法に用いられる。基板２０１が供される。基板は、例えば、フレキシブル・プラスチック基板又は硬質ガラス基板であってもよい。次いで、基板上にＧＯ膜２０２を堆積させる。例えば、スプレイ・コーティング、スピン・コーティング、印刷及び膜転写によって、ＧＯ膜を堆積させてもよい。ＧＯ膜の厚さは、５ナノメートル〜２００ナノメートルであり得る。次に、膜の少なくとも一部を光照射に暴露させる。マスク、例えばフォトマスクは、光照射の前に、膜に適用することができる。または、マスクは、照射時に基板から離して用いることができる。キセノン・フラッシュ・ランプを用いて、膜を所定の時間、照射することができる。光照射の波長は、２００ｎｍ〜９００ｎｍであり得る。キセノン・フラッシュ・ランプ又は別の照射源は、基板の上方若しくは下方に、又は他のいずれかの適切な位置に所定距離で位置し得る。照射は、ＧＯ膜の前述した少なくとも一部を還元し、これによって、ＧＯ膜において、少なくとも１つのｒＧＯ領域のパターン２０３が生じる。マスクが用いられる場合、マスクによって保護されていないＧＯ膜の領域が還元される。還元されていないＧＯは、符号２０４によって示されている。この後、少なくとも１つのｒＧＯ領域の前述したパターンに従って、ＧＯ膜上に極性物質２０５を堆積させる。図２に示されている例示的な実施形態では、親水性の還元されていないＧＯの領域２０４に極性物質を堆積させる。極性物質は、還元されていないＧＯの領域２０４に選択的に堆積させたＧＯインクの厚い層であり得る。選択的な堆積は、例えばインクジェット印刷であってもよい。選択的な堆積時における極性物質の「過剰充填」は、疎水性ｒＧＯ領域が望ましくない拡散を妨げるため、この方法では防止される。選択的な堆積時に、一部の位置調整が必要であり得る。成果は、基板上の親水性の極性物質と薄い疎水性還元型ＧＯとの組合せであるパターンである。付加的な任意工程では、構造体を乾燥させ、例えば同じフラッシュ・ランプによって、再度光照射に暴露させることができる。マスクは、第２の照射時には必ずしも用いられない。厚いＧＯインクを極性物質として用いた場合、得られる構造体は、第２の照射により、完全に疎水性であり、絶縁性（誘電性）の薄いｒＧＯ上に導電性ｒＧＯのパターン２０６を備える。この得られる構造体は、ほぼ透明である。
【００４９】
これらのパターン化されたｒＧＯ構造体及びＧＯ構造体は、湿度、温度及び静電容量式タッチセンシング(capacitive touch sensing)を含む、相互接続又は検知用途に用いることができる。さらに、ｒＧＯ及び機能化ｒＧＯの電気特性は、ＮＯ、ＮＯ2、ＮＨ3、Ｈ2、アルコール及び他の有機蒸気などの種々の分析試料に対して非常に感度が良く、このため、ｒＧＯを非常に感度の良いガスセンサの有望なプラットフォームにすることができる。概して、堆積するＧＯ膜のシート抵抗は、膜の厚さに応じ、周囲湿度において、約１０ ＧΩ／□（１平方当たりのギガオーム）〜１００ ＧΩ／□である。薄いｒＧＯ層は、およそ１００〜２００ ＧΩ／□を示す。厚いｒＧＯ層は約１０ ＧΩ／□のシート抵抗に近づき、これは薄いｒＧＯよりも３〜４桁小さな大きさである。
【００５０】
この方法は、スケールアップすることが非常に容易であり、幅広い種々の用途に用いられ、有害廃棄物をもたらす化学物質を含まず、フレキシブル基板及びロール・ツー・ロール製造法(Roll-to-Roll manufacture)と互換性を有し得る。実施形態において、堆積させたＧＯ膜を表面剤によってドープすることによって、濡れ性のコントラストを向上させることが可能である。
【００５１】
図３は、本発明の一態様に係る例示的な方法を示している。本発明のこの態様の基本原理に関する全体的な留意点として、フラッシュ・ランプ（例えば、キセノン・フラッシュ・ランプ）は、ＧＯ膜の吸収スペクトルと一致する、およそ２００〜９００ｎｍに及ぶ発光スペクトルを有する。これらの膜は、主に、紫外線（ＵＶ）領域の光を吸収し、およそ２３１ｎｍにおいて吸収ピークを有する。一方、部品のＧＯ膜は、例えばＵＶ硬化型インクの形態で堆積させた薄いプラスチックフィルム又は高分子フィルムによって、望ましくないキセノンフラッシュ光から効果的に遮断することができる。これによって、特定の領域においてＧＯの還元を防止することができ、その他の領域を還元することができる。
【００５２】
図３を参照すると、マスクレスＧＯ‐ｒＧＯパターニング方法が示されている。この方法には、例えば硬質ガラス基板又はフレキシブル基板の、基板３０１を供することが含まれる。次いで、基板上にＧＯ膜３０２を堆積させる工程がある。この後、堆積させたＧＯ膜上において、絶縁性ＵＶ硬化型インク３０３のパターンの選択的な堆積が行われる。絶縁性ＵＶ硬化型インクは、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリシロキサン樹脂及び／又はエポキシ樹脂などのポリマーを含み得る。例示的な堆積技術は、インクジェット印刷である。インクの堆積には、多くの印刷方法を用いることができ、これらの方法は、分注、スロットダイコーティング、スプレイ・コーティング、ソフトリソグラフィ、毛細管マイクロモールド、スクリーン印刷、オフセット印刷、反転オフセット印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷、エアロゾルジェット印刷があるが、これらに限定されない。ＵＶ硬化型インクを堆積させた後、ＵＶ硬化型インクを含むＧＯ膜を光照射に暴露させて、ＵＶ硬化型インクの選択的に堆積させたパターンの外側にあるＧＯ膜の領域を還元し、ＵＶ硬化型インクを硬化させる。キセノン・フラッシュ・ランプ又はＵＶランプを用いて、膜を所定の時間、照射することができる。照射源は、基板の上方若しくは下方に、又は他のいずれかの適切な位置に所定距離で位置し得る。ＵＶ硬化型インクは、ＧＯ膜の領域の還元と同時に硬化させることができる。これによって、構造体であって、絶縁性ＧＯ膜上に、硬化させた絶縁体３０５の下方に配置された導電性ｒＧＯのパターン３０４を有した構造体が得られる。
【００５３】
この手法の特定の利点は、フォトマスクの使用が必要ではないということである。
【００５４】
本発明の一態様によれば、装置が開示される。この装置は、基板が設けられた反応器とともに、フラッシュ・ランプを備え、反応器内部で基板を保持し、基板上に酸化グラフェン（ＧＯ）膜を堆積させ、ＧＯ膜の少なくとも一部をフラッシュ・ランプによる光照射に暴露させ、ＧＯ膜の前述した少なくとも一部を還元し、これによって、基板上に、少なくとも１つの還元型ＧＯ（ｒＧＯ）構造体、及び少なくとも１つの非還元型ＧＯ構造体のパターンを生成し、そして、前述のパターンに従って、基板上の少なくとも１つの非還元型ＧＯ構造体に極性物質を選択的に堆積させるように構成され得る。さらに、上述した工程に適している反応器内条件を生じるように構成され得る。
【００５５】
本発明の一態様によれば、装置が開示される。この装置は、基板が設けられた反応器とともに、フラッシュ・ランプを備え、反応器内部で基板を保持し、基板上にＧＯ膜を堆積させ、堆積させたＧＯ膜上に、紫外線（ＵＶ）硬化型インクのパターンを選択的に堆積させ、そして、ＵＶ硬化型インクを含むＧＯ膜を光照射に暴露させて、ＵＶ硬化型インクの選択的に堆積させたパターンの外側にあるＧＯ膜の領域を還元し、ＵＶ硬化型インクを硬化させるように構成され得る。さらに、上述した工程に適している反応器内条件を生じるように構成され得る。
【００５６】
フラッシュ・ランプは、キセノン・フラッシュ・ランプであって、直線状管構造であり、約２００ナノメートル〜約９００ナノメートルの発光スペクトルを有し得るキセノン・フラッシュ・ランプを含み得る。装置には、電源、放電モジュール、並びに、フラッシュ・ランプのパルスエネルギー、パルス周波数、パルス持続時間及び照射時間を制御するように構成された制御器も含まれ得る。パルス周波数の範囲は、およそ１ヘルツ〜およそ３００ヘルツであり得る。パルス持続時間の範囲は、およそ１０マイクロ秒からおよそ５ミリ秒であり得る。電力の範囲は、１０ワット〜３０００ワットであり得る。装置には、フラッシュ・ランプと基板との間に配置されたマスクが更に含まれていてもよく、マスクは、基板の少なくとも一部をフラッシュ・ランプから遮蔽するように構成される。
【００５７】
いかなる方法によっても、以下に記載されている特許請求の範囲の範囲、解釈又は適用を限定することなく、本明細書に開示されている１つ以上の例示的な実施形態による技術的効果は、フレキシブル基板及びロール・ツー・ロール製造法との互換性である。本明細書に開示されている１つ以上の例示的な実施形態による別の技術的効果は、化学廃棄物を発生させないパターン化されたＧＯ‐ｒＧＯ構造体のクリーンな製造である。本明細書に開示されている１つ以上の例示的な実施形態による別の技術的効果は、グラフェン及びグラフェン誘導体印刷方法において、キセノンフラッシュ法を大量生産に容易に組み合わせることができることである。濡れ性及び電導率は、記載されている工程にその場で調整することができる。
【００５８】
本発明に係る装置には、メモリと通信する少なくとも１つのプロセッサが含まれる。プロセッサは、メモリから情報を記憶、制御、追加及び／又は読み取るように構成される。メモリは、プロセッサによって実行することが可能な１つ以上のコンピュータプログラムを含み得る。また、プロセッサは、装置の機能を制御するようにも構成され得る。プロセッサは、制御シグナリングを行うことによって、装置の他の要素を制御するように構成され得る。プロセッサは、種々の手段として具体化されてもよく、これらの手段としては、例えば、回路、少なくとも１つのプロセッシングコア、デジタル信号プロセッサが付属する１つ以上のマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサが付属しない１つ以上のプロセッサ、１つ以上のコプロセッサ、１つ以上のマルチコアプロセッサ、１つ以上の制御器、処理回路、１つ以上のコンピュータ、例えば特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）若しくはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などの集積回路を含む種々の他の処理要素、又はこれらの一部の組合せが挙げられる。プロセッサによって送受信された信号には、いずれかの数の種々の有線又は無線ネットワーク技術が含まれ得る。
【００５９】
メモリとしては、例えば、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、及び／又は同種のものを挙げることができる。例えば、揮発性メモリとしては、ダイナミックＲＡＭ及び／又はスタティックＲＡＭを含むランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、オンチップキャッシュメモリ若しくはオフチップキャッシュメモリ、又は同種のものを挙げることができる。埋め込み型及び／又は取り外し可能な不揮発性メモリとしては、例えば、読み取り専用メモリ、フラッシュメモリ、磁気記憶装置、例えば、ハードディスク、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ、磁気テープなど、光ディスクドライブ及び／又は媒体、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）、及び／又は同種のものを挙げることができる。
【００６０】
必要に応じて、本明細書に論じられている種々の機能を、互いに異なる順で及び／又は同時に行ってもよい。さらに、必要に応じて、上述した機能の１つ以上は、任意であってもよいし、又は組み合わせてもよい。
【００６１】
本発明の種々の態様が独立請求項に規定されているが、本発明の他の態様は、記載されている実施形態及び／又は独立請求項の特徴を有する従属請求項の特徴の他の組合せを含み、特許請求の範囲に明示的に規定されている単独の組合せは含まない。
【００６２】
また、上述したものは例示的な実施形態について説明するが、これらの説明は限定的な意味とみなされるべきではないことに留意する必要もある。むしろ、添付の特許請求の範囲に規定されている本発明の範囲から逸脱することなく、実行することが可能な複数の変形及び変更が存在する。
【図１ａ】
2017508695.tif 000003
【図１ｂ】
2017508695.tif 000004
【図２】
2017508695.tif 000005
【図３】
2017508695.tif 000006
【国際調査報告】
2017508695.tif 000007
2017508695.tif 000008
2017508695.tif 000009
2017508695.tif 000010