(57)【要約】  第一の基板の表面の少なくとも一部に少なくとも１つの材料層を形成する工程であって、前記少なくとも１つの材料層の第一の表面が、前記第一の基板に接触して、それにより界面が決まる、工程と、前記少なくとも１つの材料層の第二の表面を第二の基板に付着させる工程と、前記界面に気泡を形成する工程と、機械的な力を与える工程であって、それによって、前記第二の基板と前記少なくとも１つの材料層は、前記第一の基板から一緒に分離する、工程とを含む方法を記載する。関連するアレンジメントについても記載する。
2016508891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の基板の表面の少なくとも一部に少なくとも１つの材料層を形成する工程であって、前記少なくとも１つの材料層の第一の表面が前記第一の基板に接触して、それにより界面が決まる、工程と、
前記少なくとも１つの材料層の第二の表面を第二の基板に付着させる工程と、
前記界面に気泡を形成する工程と、
機械的な力を与える工程であって、それによって、前記第二の基板と前記少なくとも１つの材料層は、前記第一の基板から一緒に分離する、工程と
を含む方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの材料層が１ｎｍ未満の厚さである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの材料層がグラフェンを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの材料層が単原子層または複数層のグラフェンを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つの材料層が、化学蒸着によって前記第一の基板上に形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第一の基板が、銅、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、白金、コバルト、ニッケルまたはそれらの組み合わせを含み、前記第二の基板が、ポリマーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第一の基板が銅を含み、前記第二の基板がポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第二の基板が、接着剤で接着すること、ラミネートすること、コーティングすること、スプレーすること、および、ディップすることのうち少なくとも１つによって、前記少なくとも１つの材料層に付着される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記界面に気泡を形成する工程が、
水と電解質を含む溶液を形成する工程と、
前記溶液に少なくとも前記界面を浸漬する工程と、
前記第一の基板と前記少なくとも１つの材料層と前記第二の基板とでカソードを形成する工程と、
前記溶液中において前記カソードから遠く離れた場所にアノードを配置する工程と、
前記カソードと前記アノードに電源を接続し、前記溶液を通して前記電源によって生成した電流を流す工程と
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記電解質が、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、硫酸、および／または、塩化ナトリウムを含み、および、前記溶液が、水１リットル当たり０．０５モル〜１モルの電解質を含み、前記電流が、０．１〜２Ａ／ｃｍ２の電流密度を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記アノードが分離点の傍に配置される、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記機械的な力を与える工程が、前記第一の基板を第一の方向へ引っ張り、前記少なくとも一つの材料層と共に前記第二の基板を第二の方向へ引っ張り、前記第一の方向と前記第二の方向は互いに分岐し、それによって分離の角度が決まることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記分離の角度が約１度〜約９０度を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第一の基板の反対側の表面の少なくとも一部に、少なくとも１つの第二の材料層を形成する工程をさらに含み、前記少なくとも１つの第二の材料層がポリマーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第一の基板または第二の基板のうち一方が、他方の基板よりも可撓性が劣る、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも１つの材料層を第三の基板に付着させる工程と、前記第二の基板を除去する工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第一の基板が供給ロールの形態で供給され、
前記少なくとも１つの材料層が連続的にその表面に形成され、
前記第二の基板が前記少なくとも１つの材料層の前記第二の表面に連続的に適用され、
前記第二の基板と前記少なくとも１つの材料層が第一のピックアップロール上に連続的に収集され、および、
前記第一の基板が第二のピックアップロールに連続的に収集される、
請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
第一のリーダーフィルムに、前記第二の基板と少なくとも１つの材料層とを付着させる工程と、第二のリーダーフィルムに前記第一の基板を付着させる工程とをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも１つの材料層を第一の基板から第二の基板に転写するためのアレンジメントであって、前記アレンジメントが、
複合材料のロールを含む供給ロールであって、前記複合材料が、第一の基板と、前記第一の基板と接触して、それにより、界面が決まる少なくとも１つの材料層と、前記少なくとも１つの材料層の第二の表面に付着した第二の基板とを含む、供給ロールと、
溶液を含む容器であって、前記溶液が水と少なくとも１つの電解質を含む、容器と、
前記溶液中に前記複合材料を配置したときにこの複合材料で規定されるカソードと、
前記溶液中において前記カソードから遠く離れた場所に配置するアノードと、
前記カソードと前記アノードに接続する電源と、
前記第二の基板／少なくとも１つの材料層に付着する第一のピックアップロールと、
前記第一の基板に付着する第二のピックアップロールとを含み、
前記カソードが前記界面に気泡を生成するように構成されて配置され、前記第二のピックアップロールが前記第一の基板を第一の方向へ引っ張るように構成されて配置され、前記第一のピックアップロールが前記少なくとも１つの材料層と共に前記第二の基板を第二の方向へ引っ張るように構成されて配置され、前記第一の方向と前記第二の方向は互いに分岐し、それによって分離の角度が決まる、アレンジメント。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの材料層がグラフェンを含む、請求項１９に記載のアレンジメント。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの材料層が単原子層または複数層のグラフェンを含む、請求項１９に記載のアレンジメント。
【請求項２２】
前記溶液中に前記複合材料が配置されたときにこの複合材料でアノードが規定され、カソードが前記溶液中において前記アノードから遠く離れた場所に配置される、請求項１９に記載のアレンジメント。
【請求項２３】
前記第一の基板が、銅、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、白金、コバルト、ニッケルまたはそれらの組み合わせを含み、前記第二の基板が、ポリマーを含む、請求項１９に記載のアレンジメント。
【請求項２４】
前記第一の基板が銅を含み、前記第二の基板がポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を含む、請求項１９に記載のアレンジメント。
【請求項２５】
前記第一の基板と、前記少なくとも１つの材料層と共に第二の基板が、異なった方向で分離ローラーから離れる、請求項１９に記載のアレンジメント。
【請求項２６】
前記第一の基板がカーブしたローラーの表面から離れ、前記少なくとも１つの材料層と共に前記第二の基板が、前記ローラーから離れる前に、付加的な距離にわたり前記カーブしたローラーの表面に沿い続ける、請求項２５に記載のアレンジメント。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの材料層と共に前記第二の基板がカーブしたローラーの表面から離れ、前記第一の基板が、前記ローラーから離れる前に、付加的な距離にわたり前記カーブしたローラーの表面に沿い続ける、請求項２５に記載のアレンジメント。
【請求項２８】
前記分離の角度が約１度〜約９０度を含む、請求項１９に記載のアレンジメント。
【請求項２９】
前記複合材料が前記第一の基板の反対側の表面の少なくとも一部に第二の材料をさらに含み、前記少なくとも１つの第二の材料層がポリマーを含む、請求項１９に記載のアレンジメント。
【請求項３０】
前記第一の基板または前記第二の基板のうち一方が、他方の基板よりも可撓性が劣る、請求項１９に記載のアレンジメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の情報］
本願は、Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９条に基づいて、２０１２年１２月７日に出願された、基板の間のフィルムの転写のための方法と装置(Methods and Apparatus for Transfer of Films Among Substrates)という表題の米国仮特許出願第６１／７９７，４７１号の利益を主張し、その開示は、参照により本願明細書の一部となすものとする。
【０００２】
［発明の分野］
本発明は一般に、１つ又は複数の基板から他の基板へフィルムを転写(transfer：移動)させるための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
この明細書において、公知の資料、法令または条項は参照されまたは説明され、この参照または説明は、公知の資料、法令または条項、またはそれらのいかなる組み合わせが、適用可能な法規条項下で優先日に公開されていることも、公知であることも、一般知識の一部であることも、または、先行技術を構成するものであることも認めるものではなく、または、本明細書が関与している課題を解決する試みに関連することが知られているものであることを承認するものではない。
【０００４】
グラフェンの発見は、その電子、光学、物理的および機械的特性から、エレクトロニックおよび他のアプリケーションに利用できる可能性に対して関心の広がりを生み出した。グラフェンは、六方格子できつく結合した、炭素原子の単原子層である。実験系として、その歴史は浅いにも関わらず、グラフェンは、量子力学的な電子輸送やチャージスクリーニングを暗示する「相対論的な」キャリア、幅依存性の（width-dependent）エネルギーバンドギャップ、極めて高いキャリア移動度、高弾性および電気機械的な変調（modulation）を含む面白い新しい物理特性を既に明らかにされている。グラフェンの特性は、多くの産業、特にエレクトロニックにおいて魅力がある。グラフェンの高いキャリア移動度や高い熱伝導率は、グラフェンをシリコンやダイヤモンドの潜在的な代替品にさせる。それらの特性は、（バリスティックトランジスタ、スピントランジスタなどの）次世代の半導体デバイス（solid-state device）の創作を可能にし得る。グラフェンは、また、タッチディスプレイや太陽光発電などのアプリケーションにおいて、可撓性(flexible)の光学的に透明な導体として使用するための対象である。他の潜在的なアプリケーションとしては、化学センサー、ナノ細孔フィルター、腐食および／または化学的防護に対する不浸透性のコーティング、ウルトラキャパシタ、ＴＥＭの支持体およびその他が挙げられる。
【０００５】
グラフェンシートを低コスト化するという目的に対して、最近、大面積グラフェンの製造方法の研究が進められている。金属基板上へのグラフェンの化学蒸着は、大面積で低コストなグラフェンを製造するのに期待される１つの手法である。グラフェンの製造の１つの重大な問題は、グラフェンシートのハンドリング性や、多くのアプリケーションでの、蒸着した基板から他の基板へのグラフェンシートの転写である。このため、ある基板から他の基板に単層または多層のグラフェンを転写するための大面積プロセスが必要である。
【０００６】
現在の広く使用されているグラフェンの転写プロセスの１つは、溶解によって金属基板を除去する化学エッチングステップを含んでいる。このプロセスを数千平方メートルでの製造にスケーリング（scaling）することは、多大な費用と無駄な挑戦につながる。エッチング液を注入した金属の再利用または廃棄は、莫大な費用と無駄なハンドリング性の争点をもたらす。基板はエッチング液によって溶解するので、グラフェンフィルムの成長に対して再利用することができない。さらに、溶解プロセスはかなり遅い。少なくともこれらの理由から、この従来の技術は、効率の良い、大規模な、低コストの、グラフェンフィルムの製造に対して適切ではない。
【０００７】
本発明の記載を支援するために従来技術の特徴(aspects)を説明するが、本発明者らはこれらの技術的な特徴を決して除外するものではなく、本発明の請求の範囲は本明細書に説明される１つ又は複数の従来の技術的な特徴を包含または含み得るものであることは言うまでもない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記で説明した従来技術の１つ又は複数の問題や欠陥に対処することができる。しかしながら、本発明が他の問題や欠陥に対処するのに役立つこと、または、多くの技術分野において恩恵(benefit)や利益(advantage)をもたらすことを証明することができることは予期される。したがって、本発明は、必ずしも、本明細書で説明される幾つかの特定の問題または欠陥に対処することに限定するような解釈をするべきではない。
【０００９】
本発明は、以下の恩恵や利益の１つ又は複数をもたらす方法および装置を提供する。すなわち、
化学廃棄物の廃止(elimination)または著しい減少や関連した環境およびコストでの利益、
次(future)のグラフェン形成(formation)のための金属基板を再利用することを可能とし、それによって、廃棄を減少させ、プロセスの経済的合理性(economic)を改善すること、
グラフェンフィルムの創作、基板転写、および／または、多層構造の製造(multi-layer structure fabrication)のための拡張可能な連続的なプロセスを可能とすること、
グラフェンフィルムをほぼ滑らかな表面上に置くことを可能とすること、
単原子層の厚さまたは多層のグラフェンフィルムの厚さであるグラフェンフィルムを転写するためのプロセスを提供すること、
可撓性の基板または固い(rigid)基板のどちらかにグラフェンを転写することができるプロセスを提供すること、
グラフェンフィルムの大面積のシートを創作し転写することを可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このように、１つの態様によれば、本発明は、第一の基板の表面の少なくとも一部に少なくとも１つの材料層を形成する工程であって、前記少なくとも１つの材料層の第一の表面が、前記第一の基板に接触して、それにより界面(interface：接触面)が決まる(define)、工程と、前記少なくとも１つの材料層の第二の表面を第二の基板に付着(attach)させる工程と、前記界面に気泡を形成する工程と、機械的な力を与える工程であって、それによって、前記第二の基板と前記少なくとも１つの材料層は、前記第一の基板から一緒に分離する、工程とを含む方法を提供する。
【００１１】
さらなる態様によれば、少なくとも１つの材料層を第一の基板から第二の基板に転写するためのアレンジメント（arrangement:配置）であって、前記アレンジメントが、複合材料(composite material)のロールを含む供給ロールであって、前記複合材料が、第一の基板と、前記第一の基板と接触してそれにより界面が決まる少なくとも１つの材料層と、前記少なくとも１つの材料層の第二の表面に付着した第二の基板とを含む、供給ロールと、溶液を含む容器(vessel)であって、前記溶液が水と少なくとも１つの電解質を含む、容器と、前記溶液中に前記複合材料を配置したときにこの複合材料で規定される(define)カソードと、前記溶液中において前記カソードから遠く離れた場所に配置されるアノードと、前記カソードとアノードに接続する電源と、前記第二の基板／少なくとも１つの材料層に付着した第一のピックアップロールと、前記第一の基板に付着する第二のピックアップロールとを含み、前記カソードが前記界面に気泡を生成するように構成されて配置され、前記第二のピックアップロールが前記第一の基板を第一の方向へ引っ張るように構成されて配置され、前記第一のピックアップロールが前記少なくとも１つの材料層と共に前記第二の基板を第二の方向へ引っ張るように構成されて配置され、前記第一の方向と第二の方向が互いに分岐し、それによって分離の角度が決まる、アレンジメントを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１Ａ〜１Ｃは、本発明の一態様における方法の略図である。
【図２】本発明のさらなる態様における方法の略図である。
【図３】本発明の原理に基づいて構成された、アレンジメントおよび関連の方法の略図である。
【図４】本発明のさらなる任意的な態様の方法およびアレンジメントの略図である。
【図５】本発明の付加的な態様によるアレンジメントおよび方法の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書および添付の請求項において、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈において特段の明示がない限り、複数形の言及も含む。加えて、「ｏｒ」の使用は、文脈において特段の明示がない限り、「ａｎｄ／ｏｒ」の言及も含む。
【００１４】
本発明の一態様によれば、基板上に形成したグラフェンを、第二の基板に転写する方法を提供する。この方法は、後に記載するように、第二の基板にグラフェンを付着させ、溶液中にその層を浸漬し、その後、機械的なけん引作用(pulling action)を用いて、グラフェンと金属の間の界面に電解で形成した気泡を活用して、最初(original)の基板からグラフェンと第二の基板を分離し、２つの層を押し開く(push)。電解セルは、溶液中で、グラフェンと金属構造(metal structure)と第二の電極を電気的に接触させることによって構成される。このプロセスは、伝導性を有する基板上でグラフェンフィルムを成長させるのに適している。このプロセスは、とりわけ大面積のグラフェンフィルムをスケーリングするのに適している。
【００１５】
本発明の原理による方法およびアレンジメントの、限定のない、いくつかの実施形態は、図１〜５に図式的に示す。
【００１６】
例えば、図１に例示するように、少なくとも１つの材料層１２は、第一の基板１０の表面の少なくとも一部に形成され、それによって、少なくとも１つの材料層１２の第一の表面１４とその基板１０の間の界面１６を形成することができる。少なくとも１つの材料層は、例えば、周期パターンのように、第一の基板の表面の一部に形成することができる。あるいは、少なくとも１つの材料層１２は、第一の基板１０の全体の表面を覆うことができる。材料層１２は、材料の単層または多層として形成することができる。材料層１２は、任意の適切な厚さを有することができる。本発明の方法およびアレンジメントは、全体の厚さが１０ｎｍ未満である層などの薄い層に関して有利である。少なくとも１つの材料層１２は、任意の適切な材料またはそれらの材料の組み合わせから形成することができる。いくつかの形態によれば、少なくとも１つの材料層１２は、グラフェンを含んでいる。グラフェンは、単原子層のグラフェンまたは多原子(multiple-atom)層の厚さを有する層のグラフェンとして存在してもよい。グラフェンは、１つ又は複数の付加的な材料と組み合わせることができる。例えば、グラフェンは、１つ又は複数のドーパント(dopant)でドープすることができる。ドーパントは、ヨウ素、窒素、ホウ素、カリウム、ヒ素、ガリウム、アルミニウム、インジウムまたはその他を含むことができる。グラフェンは、当業者に一般的に知られている任意の適切な技術に従って、例えばグラファイトの剥離、エピタキシャル成長、グラファイトの酸化物還元(oxide reduction)、カーボンナノチューブのエッチングまたは分割(division)、グラファイトの超音波処理、および、二酸化炭素の還元反応で形成することができる。本発明のいくつかの形態によれば、グラフェンは、化学蒸着によって基板上に成長させる。さらに代わりの形態によれば、グラフェンは、比較的低い温度、大気圧近傍の条件下で、平坦化した基板上に成長させてもよい。例えば、基板１０は、グラフェンを成長させる表面に、任意の適切な技術、例えば電解研磨、機械的研磨、および／または、化学的研磨を行うことによって平坦化することができる。基板１０のこの表面に、その後、約２５０℃〜約２０００℃の温度、約１０−７気圧〜約大気圧(ambient pressure)で、炭化水素ガス(例えばメタン)を接触させる。本発明のいくつかの実施および限定されない形態によれば、基板１０上に少なくとも１つの材料層１２としてグラフェンを形成する適切な技術の１つは、国際公開第２０１２／０２１６７７号に記載されており、これを参照によって本明細書の一部とみなす。
【００１７】
少なくとも１つの材料層１２の種類(nature)に関わらず、第一の基板１０は、任意の適切な材料から形成することができる。第一の基板１０は、可撓性または固くてもよい。いくつかの事例によれば、基板１０は金属で形成することができる。基板１０を形成するために用いることができる金属の特定の限定されない例として、銅、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、白金、コバルト、ニッケル、または、それらの任意の組み合わせが挙げられる。限定されない事例によれば、基板１０は銅から形成される。
【００１８】
図１に例示するように、例えば、第一の基板１０は、材料１２の形成の前または後に、それらの表面に適用される任意の層またはコーティング１１を有していてもよい。層またはコーティング１１は、任意の適切な材料または複数の材料で形成することができる。例えば、ポリエチレンテレフタレート(ＰＥＴ)、ポリ(メチルメタクリレート)(ＰＭＭＡ)、ポリエチレンナフタレート(ＰＥＮ)、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ)、ポリエチレンおよびその他などのポリマーで形成することができる。層またはコーティングは、接着剤による接着、ラミネート、コーティング、スプレー、スピンコート、ディップなどの任意の適切な技術によって適用してもよい。
【００１９】
図１にさらに示すように、例えば、第二の基板１８は、少なくとも１つの材料層の第二の表面に付着させることができる。第二の基板１８は、任意の適切な材料または材料の組み合わせから形成することができる。いくつかの限定されない例によれば、第二の基板１８は、ポリ(メチルメタクリレート)(ＰＭＭＡ)またはポリエチレンナフタレート(ＰＥＮ)から形成することができる。あるいは、第二の基板１８は、ポリエチレン(ＰＥ)、ポリビニルクロライド(ＰＶＣ)、ガラス、シリカ、二酸化珪素、シリコン、ＭｇＯおよびその他から形成することができる。第二の基板に、任意の適切な技術によって、少なくとも１つの材料層を適用することができる。適切な技術は、特に限定されないが、接着剤による接着、ラミネート、コーティング、スプレー、スピンコート、ディップなどが含まれる。
【００２０】
次に、上記した材料の組み合わせは、分離または剥離することができる。この分離または剥離は、分離の界面１６に沿って形成した気泡２２の補助(assistance)と機械的な力の適用との組み合わせによって達成される。この原理を、図１（Ｃ）に図式的に示す。気泡１２は、任意の適切な原理によって形成することができる。１つの例示的な形態によれば、気泡２２は、水の電気分解による水素の放出によって形成される。この原理は、当業者によく知られている。水中において、負の電荷を帯びたカソードで、還元反応は生じ、電子（ｅ−）を用いて、水素カチオンを供給するカソードから、水素ガスを形成する（酸で平衡にした半反応）。
カソードでの還元：２Ｈ＋(aq)＋２ｅ− → Ｈ２(g)
正の電荷を帯びたアノードで、酸化反応は生じ、アノードで酸素ガスを生成しおよび電子を供給して、その巡回(circuit)を完成(complete)する。
アノード（酸化）：２Ｈ２Ｏ(l) → Ｏ２(g)＋４Ｈ＋(aq)＋４ｅ−
【００２１】
上記した電気分解反応を発生するための特定の任意の形態は、以下の本明細書に記載される。
【００２２】
上記に加えて、前述の材料を剥離または分離するために本発明の原理に従って利用される他の構成(component)は、機械的な力または圧力の適用を含む。これは、図１（Ｃ）に表記する黒い矢印によって図式的に示す。本明細書で説明するように、これらの力は、互いに分岐する方向へ適用し、これによって分離の角度αが決まる。剥離操作(operation)の有効性および効率(efficiency)は、適用した力の量と同様に、適切な分離角度αの精選に影響される。本発明のいくつかの形態によれば、分離角度αは、約１度〜約９０度、または、約５度〜約６０度である。
【００２３】
上記した技術のさらなる代替の形態によれば、少なくとも１つの材料層１２は、付加的な第三の基板にさらに転写することができる。この代替の手法の例として、図２に図示的に示す。本明細書で説明するように、第二の基板は転写用フィルム１８’となる。この転写フィルム１８’は、任意の適切な材料または材料の組み合わせから形成することができる。上記したように、それは第二の基板１８と同じ材料から形成することができる。あるいは、転写フィルム１８’は、例えば、伝熱テープ、ＰＥＴ、ＰＥ、ＰＶＣ、ＰＴＦＥ、ＰＭＭＡおよびその他の異なる材料から形成することができる。１つの特定の限定されない例によれば、転写フィルム１８’は、高温(elevated temperature)への暴露で破壊する熱的に敏感な接着剤から形成することができる。これは、少なくとも１つの材料層１２から転写フィルム１８’を除去するための比較的簡単な原理を可能にする。少なくとも１つの材料層１２と転写フィルム１８’から、第一の基板１０と任意の層またはコーティング１１を分離した後に、第三の基板２４を少なくとも１つの材料層１２の表面に付着する（例えば図２（Ｄ）を参照）。次に、転写フィルム１８’を少なくとも１つの材料層１２から除去し、最終用途(end-use)の基板２４上に処理された少なくとも１つの材料層１２を残す。この除去は、任意の適切な技術、例えば、上述した熱的に敏感な接着剤の加熱、機械的な力、化学的な分離技術、化的溶解、化学エッチング、光誘起分解および解重合によって達成することができる。この代替技術の利点の１つは、少なくとも１つの材料層１２を固い基板２４に転写することができることである。もちろん、基板２４は可撓性であってもよい。基板２４は、任意の適切な材料、例えばセラミックス、金属またはポリマーで形成することができる。具体的な例としては、限定されないが、硬い基板上の、シリコン、ガラス、石英、半導体のフィルムが挙げられる。
【００２４】
本発明はまた、例えば前述した方法を実行するために使用されるアレンジメントも包含する。本発明の原理に従って構成されるアレンジメントを、図３〜５に示す。前述した方法に関連した上記した本明細書で説明するこれらの特徴は、図１〜２で示したのと同じ関連の数表示を用いて識別する。図３に例示するように、例えば、前述した方法はロールｔｏロール(roll-to-roll)プロセスとして実施することができる。図３に描写したアレンジメントは、このように限定されないが、そのようなロールｔｏロールプロセスに適している。本明細書で説明するように、アレンジメントは、説明した特徴の複数の異なる組み合わせを含むことができる。例えば、複合材料２８のロールを含む供給ロール２６を提供することができる。複合材料は、第一の基板１０、これによって界面１６が決まる、第一の基板に接触する少なくとも１つの材料層１２、少なくとも１つの材料層１２の第二の表面に付着する第二の基板１８、および、第一の基板１０の表面に処理される任意の付加的な層またはコーティング１１を含むことができる。これらの材料は、上述した特定の形成(form)または構成(composition)とすることができる。
【００２５】
この複合材料２８は、任意の適切なアレンジメント、例えば１つ又は複数のガイドローラー４４、４６によって、電解セル中に供給される。電解セルは、溶液３２を含む容器(vessel)３０を含み、溶液３２は水と少なくとも１つの電解質を含む。任意の適切な電解質または電解質の組み合わせは用いることができる。いくつかの任意の形態によれば、電解質は、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、硫酸、および／または、塩化ナトリウムを含む。溶液は、水１リットル当たり０．０５モル〜１モルの電解質を含む。あるいは、溶液は、１つ又は複数のドーパント材料を含有する。適切なドーパントとしては、特に限定されないが、ヨウ素、窒素、ホウ素、カリウム、ヒ素、ガリウム、アルミニウム、インジウム、クロム、または、2,3,5,6-テトラフルオロ-7,7,8,8-テトラシアノキノジメタン(2,3,5,6-Tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane)、7,7,8,8-テトラシアノ-2,3,5,6-テトラフルオロキノジメタン(7,7,8,8-Tetracyano-2,3,5,6-tetrafluoroquinodimethane)(F4-TCNQ)などの複数の有機分子が挙げられる。溶液は、任意の適切な量のドーパントを含有していてもよく、使用されたドーパントに高く依存する。
【００２６】
いくつかのアプリケーション（例えば透明導電体）において、フィルムの重要な特性は、グラフェンにドーピングすることによって改良(refine)および改善されてもよい。例えば、適切なドーピングで、グラフェン中の電子キャリア密度を増大させ、透明な接点(contact)において伝導率を増大させる。二次元の材料として、すなわち、材料が全て暴露した表面であるとして、グラフェンは、より深い層までドーパントを拡散する必要がないので、蒸着した後にドープされてもよい（すなわち、深い層にドーパントはない）。
【００２７】
グラフェンのドーピングは、電解質溶液中にドーパントを包含することによって、転写プロセス中で達成することができる。グラフェンを金属蒸着の基板から分離して、溶液中に暴露する。溶液中の電解質または他の添加剤は、ドーパントとしての機能があり、プロセス間にグラフェンの表面に接着する。分離のプロセスは、機能(function)するための特定の電解質を必要としない。電解質は、溶液の伝導率を増大させ、溶液を通して電荷移動を可能にする。溶液の伝導率を増大させる多くの電解質添加剤がある。したがって、溶液の添加剤は、目的のドーピング密度や効果的なグラフェン―金属の分離を達成するために、選択および混合させてもよい。プロセスは、電解質の組成(makeup)や分離浴のジオメトリ(geometry)を通過する暴露時間の制御によって、コントロールおよび改善することができる。
【００２８】
電解セル中の１つの電極の一部であるグラフェン上の電気的バイアスは、ドーパントが結合(bond)または吸着しているグラフェンの表面にドーパントを引き出すことで使用することができる。
【００２９】
プロセスは、２つ以上の電解質を用いてもよい。多数の電解質は、分離プロセスにおいて溶液の伝導性を維持すると同時にドーピングを制御するために使用することができる。
【００３０】
セルは、複合材料にカソード３４を形成し、および、カソードからある距離にアノード３６を形成し、または、カソードに対して「遠くに(remotely)」することによって完成する。剥離のプロセスの精度や効率を最適化するために、アノードは分離点１６の近傍または傍に位置することができる。アノードの配置によって、水素の気泡の形成を、分離の界面１６に向かって集中させることができる。加えて、第一の基板１０上の任意のコーティング１１の存在は、コーティングまたは層１１によって覆われている第一の基板１０のそれらの表面での電解反応を防ぐのに役立つことができ、これによって、剥離または分離の手順の間、界面１６でその反応に効率的に集中することができる。カソードは負にバイアスされ、アノードは正にバイアスされ、そして両者とも、溶液３２を通して電流フローを供給する電源３に接続される。任意の適切な電源は、使用することができ、任意の適切な電位および電流条件は適用することができる。例えば、電源は、０．５Ａ／ｃｍ２の電流密度と１０Ｖの電位を有する電流を生成するように構成および配置され得る。電位は、電極の位置に大きく依存する。ガス形成を生じさせる不可欠な位置は、分離点１６である。ガス気泡は、溶液に浸漬した複合材料のカソードの全ての暴露した伝導性の表面で生じる。電源の構造は、分離点および他の場所での全ての電流フローの主要因である。結果として、水素は、（複合材料２８である）カソード３４でガス形成され、特に気泡２２は、第一の基板１０と少なくとも１つの材料層１２との間の少なくとも界面１６で形成される。
【００３１】
あるいは、分離を補助するガスの形成は、アノードとカソードの異なる化学的性質や配置の使用によって異なる構成とすることができる。電気分解または他の電気化学反応によって用いられ得る他のガスの気泡としては、例えば、酸素、窒素または塩素が挙げられる。
【００３２】
図３にさらに例示するように、アレンジメントは、第一のピックアップロール４０をさらに含んでいてもよく、第一のピックアップロールは、第二の基板１８やその表面に処理した少なくとも１つの材料層１２に付着している。これらの材料とピックアップロール４０の接続は、図４に例示するように、リーダー(leader)フィルム５０の使用によって促進(facilitate)することができる。リーダーフィルム５０は、任意の適切な材料、例えばポリマーから形成することができる。適切なポリマーとしては、ＰＥＴ、ＰＭＭＡ、ポリアミド、ＰＴＦＥおよびポリエチレンが挙げられる。第一のピックアップロール４０の位置によって、第二の基板１８と材料１２は、第一の方向へ機械的に引っ張られる。第一の基板１０および任意の付加的な層またはコーティング１１は、第二のピックアップロール４２に接続することができる。図３に例示するように、任意のガイドロール４８は、第一の基板１０および任意の付加的な層またはコーティング１１がピックアップロール４２によって引っ張られる方向に作用するように使用することができる。このようにして、図３に明確に例示するように、少なくとも１つの材料層１２と第二の基板１８は、異なる方向で分離ローラー４６から離れる。さらに具体的に言うと、図３に例示した形態によれば、第一の基板１０と任意のコーティング１１が、分離ローラー４６表面の曲線軌道(curved path)から離れる一方、少なくとも１つの材料層１２と第二の基板１８は、分離ローラー４６から離れる前の付加的な距離にわたり分離ローラー４６のカーブした表面に追従する(continue to follow)。もちろん、このアレンジメントは代替の形態によって変更することができる。例えば、複合のローラーおよび／または層の相対位置は、変更することができ、少なくとも１つの材料層１２と第二の基板１８が、分離ローラー４６表面の曲線軌道から離れる一方、第一の基板１０と任意のコーティング１１は、分離ローラー４６から離れる前の付加的な距離にわたり分離ローラー４６のカーブした表面に追従することができる。
【００３３】
さらに、第一の基板１０と任意の付加的な層またはコーティング１１は、図４に例示するように、リーダーフィルム５２を用いた接続によって、ピックアップロール４２に付着することができる。リーダーフィルム５２は、任意の適切な材料から形成することができる。ポリマーのような材料、例えば、リーダーフィルム５０の記載に関連した上記のいくつかの材料でも十分である。前述の本明細書で説明したように、第二の基板１８と少なくとも１つの材料層１２が引っ張られる方向は、第一の基板１０および任意の付加的な層またはコーティング１１が引っ張られる方向から分岐する。この分岐は、分離角度αを決める。分離角度は、剥離の手順の種類、水素ガスまたは界面に創作された気泡の量、および、多くの異なる要素に依存して、任意の適切な値を有することができる。いくつかの例示的な形態によれば、適切な分離角度αは約５度〜約６０度である。このように、分離の界面１６で分岐させる機械的な力と気泡２２の創作の組み合わせは、複合材料２８から層の分離を可能にする。例示的な限定されない形態によれば、この技術は、第二の基板１８と少なくとも１つの材料層１２を、第一の基板１０と任意のコーティングまたは付加的な層１１から分離することに用いられる。
【００３４】
本発明の付加的な代替の態様によれば、インラインプロセスを構成する方法およびアレンジメントを提供する。そのような方法およびアレンジメントの限定されない例の１つを、図５に図示的に示す。前述の方法およびアレンジメントに関連した上記の本明細書で説明したこれらの特徴は、図１〜４で示したのと同じ関連の数表示を用いて識別される。図５で識別した様々な材料および構成は、いくつかの前述した特徴の構成(composition)や配置(configuration)を有している。図５に例示するように、例えば、その方法およびアレンジメントは、第一の基板１０から始めることができる。この第一の基板１０は、任意に、供給ロール８の形態で提供することができる。少なくとも１つの材料層１２は、第一の基板１０の表面の少なくとも一部に形成される。少なくとも１つの材料層１２は、本明細書で前述したように、任意の適切な技術によって形成することができる。１つの任意の形態によれば、少なくとも１つの材料層１２は、グラフェンを含むことができ、グラフェンは化学蒸着技術によって堆積することができる。この技術の詳細は、他の形態に関連して前述されており、参照によって本明細書の一部とみなす。グラフェンの化学蒸着を実行するために、化学蒸着装置５４を提供する。第一の基板１０は、連続的にその表面上に少なくとも１つの材料層１２を堆積するために、化学蒸着チャンバー５４を通じて継続的に供給することができる。
【００３５】
第一の基板１０および少なくとも１つの材料層１２を化学蒸着チャンバー５４から抜き出し、さらに、第一の基板に、第一の基板１０の他の表面上に付加的な層またはコーティング１１を任意に提供する。この付加的な層またはコーティング１１は、本明細書で前述されるように、任意の適切な技術によって適用することができる。付加的な層またはコーティング１１を適用するための適切な装置は、図５の要素５６で図示的に示す。
【００３６】
少なくとも１つの材料層１２を付随している(along with)第一の基板１０、および任意の付加的な層またはコーティング１１は、その後、第二の基板１８と組み合わせ(combine)られる。第二の基板１８は、任意の適切な技術を用いて、少なくとも１つの材料層の第二の表面に連続的に適用することができる。第二の基板の適用のための典型的な技術は、前述しており、参照によって本明細書の一部とみなす。前述の適切な技術によれば、第二の基板１８の適用に適切な装置を、図５の要素５８で図式的に示す。
【００３７】
第二の基板１８の適用の後、得られた複合材料２８は、第一の基板１０、少なくとも１つの材料層１２、第二の基板１８、および任意で、付加的な層またはコーティング１１を含む。この複合材料２８は、その後、剥離または分離の手順を施される。例示的な形態によれば、第一の基板１０、および任意の付加的な層またはコーティング１１は、少なくとも１つの材料層１２および第二の基板１８と分離する。任意の適切な技術は、この剥離または分離を用いることができる一方、本明細書に記載する本発明の方法およびアレンジメントは、この点で特に効果的である。このように、例えば、図３のアレンジメント、および本明細書で前述したその関連の方法は、上記した連続の剥離または分離を提供するために使用することができる。このアレンジメントは、図５の要素６０で、図示的に示す。これらの剥離または分離の部分は、本明細書で前述したように、ピックアップロールで連続的に巻き取る(taken up)ことができる。
【００３８】
他の形態によれば、上記の形態のように、そのプロセスは第一の基板１０を用いて施してもよく、上記の形態では第一の基板１０が固い場合は除かれていた。この他の形態では、固い第一の基板１０は、前述したように、その表面に少なくとも１つの材料層１２を堆積するために、化学蒸着チャンバー５４を通して供給することができる（例えば図１Ａ、図５）。少なくとも１つの材料層１２と共に固い第一の基板１０、および任意の付加的な層またはコーティング１１は、その後、第二の基板１８と組み合わせられる（例えば図１Ｂ）。第二の基板１８は、可撓性の材料から構成され、任意の適切な技術を用いて、少なくとも１つの材料層の第二の表面に連続的に適用することができる。この複合材料２８は、その後、図１Ｃ’に例示するような剥離または分離の手順を施される。例示的な形態によれば、固い第一の基板１０、および任意の付加的な層またはコーティング１１は、少なくとも１つの材料層１２および第二の基板１８と分離する。さらなる任意の形態によれば、そのプロセスは、少なくとも１つの材料層１２を第三の基板２４に転写するように継続してもよい。この代替の形態において、第二の基板１８は転写フィルム１８’として役割を果たす。この付加的な任意の手順およびアレンジメントのその関連した構成は、図５の破線によって線引きされた領域を含んでいる。さらに本明細書で説明したように、第三の基板２４は、少なくとも１つの材料層１２の表面に適用される（例えば図２参照）。第三の基板２４は、本明細書で前述したように、任意の適切な技術によって適用することができる。第三の基板２４の適用に関連する装置を、図５の要素６２で図式的に示す。次に、転写フィルム１８’は、任意の適切な技術によって少なくとも１つの材料層から除去される。これらの技術として、図３で例示する１つの形態の、本明細書で前述した本発明の剥離手順が挙げられる。前述した付加的な除去技術を用いてもよいし、参照によって本明細書の一部とみなす。転写フィルム１８’の除去に関連する装置を、図５の要素６４で図式的に示す。得られた構造は、第三の基板２４およびその表面に配置された少なくとも１つの材料層１２を構成する。この代替の形態は、少なくとも１つの材料層１２が適用される最終用途の基板が比較的固く自然物(nature)である場合には、有益であり得る。このように、第三の基板２４は、図２の記載に関連した前述のように、任意の適切な基板から形成した比較的固い材料とすることができる。
【００３９】
本明細書の特許請求の範囲内における他の形態は、本明細書に記載した本発明の仕様または実施を考慮することで当業者において明らかである。その仕様は例示しただけであり、本発明の範囲や精神は特許請求の範囲で示す。
【００４０】
上記を考慮して、本発明のいくつかの利益は達成され、その他の利益も得ることができる。
【００４１】
様々な変更は、本発明の範囲から逸脱することなく上記の方法および構成においてすることができ、前述に含まれる全ての事項は、例示的であり、限定する意味ではないことと解釈されるだろう。
【００４２】
この明細書に記載された全ての文献は、ここに引用することで本明細書の一部とみなす。ここでの文献の議論は、筆者らによる主張をただ単に要約することを意図したものであり、任意の文献が先行技術を構成することを承認するものではない。本発明者らは、引用した文献の的確さや適切性に挑戦する権利を有している。
【００４３】
本明細書に使用される原料、構成要素、反応条件などのいくつかの特定の量は、用語「約(about)」によって全ての例で改善するように理解すべきである。本明細書に存在する数値の範囲やパラメータ設定、主題の広い範囲、数値の設定は可能な限り正確に示す。しかしながら、いくつかの数値は、それぞれの測定法での標準偏差から明らかなように、ある種の誤差または不正確さを本質的に含んでいてもよい。本明細書に記載される特徴は、用語「手段(means)」が明確に用いられている場合に限り、米国特許法第１１２条第６項を行使するように解釈すべきである。
【図１】
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【図１（２）】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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