A Review on High-Efficiency Transfer of Graphene Films Free from Defects and Contamination

Abstract

Graphene, owing to its exceptional electronic, optical, thermal, and mechanical properties, has emerged as a highly promising material. Currently, the synthesis of large-area graphene films on metal substrates via chemical vapor deposition remains the predominant approach for producing high-quality graphene. To realize the potential applications of graphene, it is essential to transfer graphene films to target substrates in a manner that is non-destructive, clean, and efficient, as this significantly affects the performance of graphene devices. This review examines the current methods for graphene transfer from three perspectives: non-destructive transfer, clean transfer, and high-efficiency transfer. It analyzes and compares the advancements and limitations of various transfer techniques. Finally, the review identifies the key challenges faced by current graphene transfer methods and anticipates future developmental prospects.

Keywords

clean transfer / defect-free transfer / high-efficiency / transfer of graphene

References

[1] A. G. Olabi, M. A. Abdelkareem, T. Wilberforce, E. T. Sayed, Renew. Sust. Energ. Rev. 2021, 135, 110026.

[2] K. S. Novoselov, V. I. Fal'ko, L. Colombo, P. R. Gellert, M. G. Schwab, K. Kim, Nature 2012, 490, 192.

[3] Y. Song, W. Zou, Q. Lu, L. Lin, Z. Liu, Small 2021, 17, 2007600.

[4] A. Velasco, Y. K. Ryu, A. Bosca, A. Ladron-de-Guevara, E. Hunt, J. Zuo, J. Pedros, F. Calle, J. Martinez, Sustain. Energy Fuels 2021, 5, 1235.

[5] K. P. Loh, S. W. Tong, J. Wu, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 1095.

[6] C. I. L. Justino, A. R. Comes, A. C. Freitas, A. C. Duarte, T. A. P. Rocha-Santos, Trends Anal. Chem. 2017, 91, 53.

[7] M. Cheng, L. Huang, Y. Wang, J. Tang, Y. Wang, Y. Zhao, G. Liu, Y. Zhang, M. J. Kipper, L. A. Belfiore, W. S. Ranil, RSC Adv. 2017, 7, 47886.

[8] Y. S. Woo, Micromachines (Basel) 2018, 10, 13.

[9] K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, Science 2004, 306, 666.

[10] F. Qing, X. Guo, Y. Hou, C. Ning, Q. Wang, X. Li, Small 2024, 2310678.

[11] V. Ryzhii, T. Otsuji, M. Shur, Appl. Phys. Lett. 2020, 116, 140501.

[12] G. Eda, G. Fanchini, M. Chhowalla, Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 270.

[13] S. Stankovich, D. A. Dikin, R. D. Piner, K. A. Kohlhaas, A. Kleinhammes, Y. Jia, Y. Wu, S. T. Nguyen, R. S. Ruoff, Carbon 2007, 45, 1558.

[14] K. S. Kim, Y. Zhao, H. Jang, S. Y. Lee, J. M. Kim, K. S. Kim, J. Ahn, P. Kim, J. Choi, B. H. Hong, Nature 2009, 457, 706.

[15] X. Li, W. Cai, J. An, S. Kim, J. Nah, D. Yang, R. Piner, A. Velamakanni, I. Jung, E. Tutuc, S. K. Banerjee, L. Colombo, R. S. Ruoff, Science 2009, 324, 1312.

[16] C. Virojanadara, M. Syvaejarvi, R. Yakimova, L. I. Johansson, A. A. Zakharov, T. Balasubramanian, Phys. Rev. B 2008, 78, 245403.

[17] K. V. Emtsev, A. Bostwick, K. Horn, J. Jobst, G. L. Kellogg, L. Ley, J. L. McChesney, T. Ohta, S. A. Reshanov, J. Roehrl, E. Rotenberg, A. K. Schmid, D. Waldmann, H. B. Weber, T. Seyller, Nat. Mater. 2009, 8, 203.

[18] L. Lin, B. Deng, J. Sun, H. Peng, Z. Liu, Chem. Rev. 2018, 118, 9281.

[19] X. Chen, Z. Liu, C. Zheng, F. Xing, X. Yan, Y. Chen, J. Tian, Carbon 2013, 56, 271.

[20] S. Bae, H. Kim, Y. Lee, X. Xu, J. Park, Y. Zheng, J. Balakrishnan, T. Lei, H. R. Kim, Y. I. Song, Y. Kim, K. S. Kim, B. Ozyilmaz, J. Ahn, B. H. Hong, S. Iijima, Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 574.

[21] M. Chen, R. C. Haddon, R. Yan, E. Bekyarova, Mater. Horiz. 2017, 4, 1054.

[22] S. Kang, T. Yoon, S. Kim, T. Kim, ACS Appl. Nano Mater. 2019, 2, 1980.

[23] A. Pirkle, J. Chan, A. Venugopal, D. Hinojos, C. W. Magnuson, S. McDonnell, L. Colombo, E. M. Vogel, R. S. Ruoff, R. M. Wallace, Appl. Phys. Lett. 2011, 99, 122108.

[24] W. S. Leong, H. Wang, J. Yeo, F. J. Martin-Martinez, A. Zubair, P. Shen, Y. Mao, T. Palacios, M. J. Buehler, J. Hong, J. Kong, Nat. Commun. 2019, 10, 867.

[25] F. Banhart, J. Kotakoski, A. V. Krasheninnikov, ACS Nano 2011, 5, 26.

[26] F. Qing, Y. Zhang, Y. Niu, R. Stehle, Y. Chen, X. Li, Nanoscale 2020, 12, 10890.

[27] Y. Chen, X. Gong, J. Gai, Adv. Sci. 2016, 3, 1500343.

[28] Y. Zhu, Z. Shi, Y. Zhao, S. Bu, Z. Hu, J. Liao, Q. Lu, C. Zhou, B. Guo, M. Shang, F. Li, Z. Xu, J. Zhang, Q. Xie, C. Li, P. Sun, B. Mao, X. Zhang, Z. Liu, L. Lin, Nanoscale 2024, 16, 7862.

[29] M. Jindra, M. Velicky, M. Bousa, G. Abbas, M. Kalbac, O. Frank, J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 642.

[30] W. Zhu, T. Low, V. Perebeinos, A. A. Bol, Y. Zhu, H. Yan, J. Tersoff, P. Avouris, Nano Lett. 2012, 12, 3431.

[31] G. Yang, L. Li, W. B. Lee, M. C. Ng, Sci. Technol. Adv. Mat. 2018, 19, 613.

[32] M. D. Bhatt, H. Kim, G. Kim, RSC Adv. 2022, 12, 21520.

[33] A. T. N'Diaye, R. van Gastel, A. J. Martinez-Galera, J. Coraux, H. Hattab, D. Wall, F. M. Z. Heringdorf, M. H. Hoegen, J. M. Gomez-Rodriguez, B. Poelsema, C. Busse, T. Michely, New J. Phys. 2009, 11, 113056.

[34] Z. Pan, N. Liu, L. Fu, Z. Liu, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 17578.

[35] J. Hong, Y. C. Shin, A. Zubair, Y. Mao, T. Palacios, M. S. Dresselhaus, S. H. Kim, J. Kong, Adv. Mater. 2016, 28, 2382.

[36] J. Kang, D. Shin, S. Bae, B. H. Hong, Nanoscale 2012, 4, 5527.

[37] S. J. Kim, T. Choi, B. Lee, S. Lee, K. Choi, J. B. Park, J. M. Yoo, Y. S. Choi, J. Ryu, P. Kim, J. Hone, B. H. Hong, Nano Lett. 2015, 15, 3236.

[38] Y. Seo, W. Jang, T. Gu, H. Seok, S. Han, B. L. Choi, H. Kim, H. Chae, J. Kang, D. Whang, ACS Nano 2021, 15, 11276.

[39] Y. Zhao, Y. Song, Z. Hu, W. Wang, Z. Chang, Y. Zhang, Q. Lu, H. Wu, J. Liao, W. Zou, X. Gao, K. Jia, L. Zhuo, J. Hu, Q. Xie, R. Zhang, X. Wang, L. Sun, F. Li, L. Zheng, M. Wang, J. Yang, B. Mao, T. Fang, F. Wang, H. Zhong, W. Liu, R. Yan, J. Yin, Y. Zhang, Y. Wei, H. Peng, L. Lin, Z. Liu, Nat. Commun. 2022, 13, 4409.

[40] D. Luo, X. You, B. Li, X. Chen, H. J. Park, M. Jung, T. Y. Ko, K. Wong, M. Yousaf, X. Chen, M. Huang, S. H. Lee, Z. Lee, H. Shin, S. Ryu, S. K. Kwak, N. Park, R. R. Bacsa, W. Bacsa, R. S. Ruoff, Chem. Mater. 2017, 29, 4546.

[41] R. Wu, L. Gan, X. Ou, Q. Zhang, Z. Luo, Carbon 2016, 98, 138.

[42] J. Kim, J. Y. Woo, S. Jo, J. H. Oh, W. Hong, B. C. Lee, H. Jung, J. Kim, S. Roh, C. Han, Appl. Surf. Sci. 2020, 508, 145057.

[43] Z. Hu, F. Li, H. Wu, J. Liao, Q. Wang, G. Chen, Z. Shi, Y. Zhu, S. Bu, Y. Zhao, M. Shang, Q. Lu, K. Jia, Q. Xie, G. Wang, X. Zhang, Y. Zhu, H. Wu, H. Peng, L. Lin, Z. Liu, Adv. Mater. 2023, 35, 2300621.

[44] L. Lin, J. Zhang, H. Su, J. Li, L. Sun, Z. Wang, F. Xu, C. Liu, S. Lopatin, Y. Zhu, K. Jia, S. Chen, D. Rui, J. Sun, R. Xue, P. Gao, N. Kang, Y. Han, H. Q. Xu, Y. Cao, K. S. Novoselov, Z. Tian, B. Ren, H. Peng, Z. Liu, Nat. Commun. 2019, 10, 1912.

[45] H. Liu, J. Zhao, T. H. Ly, ACS Nano 2024, 18, 11573.

[46] H. Yun, S. Lee, D. Jung, G. Lee, J. Park, O. J. Kwon, D. J. Lee, C. Park, Appl. Surf. Sci. 2019, 463, 802.

[47] K. S. Kim, H. Hong, H. Jung, I. Oh, Z. Lee, H. Kim, G. Y. Yeom, K. N. Kim, Carbon 2016, 104, 119.

[48] W. Dong, Z. Dai, L. Liu, Z. Zhang, Adv. Mater. 2024, 36, 2303014.

[49] J. W. Suk, W. H. Lee, J. Lee, H. Chou, R. D. Piner, Y. Hao, D. Akinwande, R. S. Ruoff, Nano Lett. 2013, 13, 1462.

[50] J. Qu, B. Li, Y. Shen, S. Huo, Y. Xu, S. Liu, B. Song, H. Wang, C. Hu, W. Feng, ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 16272.

[51] B. Zhuang, S. Li, S. Li, J. Yin, Carbon 2021, 173, 609.

[52] Y. Gao, J. Chen, G. Chen, C. Fan, X. Liu, Small Methods 2021, 5, 2100771.

[53] D. Wang, I. Huang, P. Ho, S. Li, Y. Yeh, D. Wang, W. Chen, Y. Lee, Y. Chang, C. Chen, C. Liang, C. Chen, Adv. Mater. 2013, 25, 4521.

[54] W. Fang, A. L. Hsu, Y. Song, A. G. Birdwell, M. Amani, M. Dubey, M. S. Dresselhaus, T. Palacios, J. Kong, ACS Nano 2014, 8, 6491.

[55] X. Li, Y. Zhu, W. Cai, M. Borysiak, B. Han, D. Chen, R. D. Piner, L. Colombo, R. S. Ruoff, Nano Lett. 2009, 9, 4359.

[56] X. Shen, D. Wang, J. Ning, B. Wang, H. Guo, C. Zhang, Y. Jia, J. Dong, X. Feng, X. Wang, J. Zhang, Y. Hao, Carbon 2020, 169, 92.

[57] S. Kim, S. Shin, T. Kim, H. Du, M. Song, C. Lee, K. Kim, S. Cho, D. H. Seo, S. Seo, Carbon 2016, 98, 352.

[58] J. D. Wood, G. P. Doidge, E. A. Carrion, J. C. Koepke, J. A. Kaitz, I. Datye, A. Behnam, J. Hewaparakrama, B. Aruin, Y. Chen, H. Dong, R. T. Haasch, J. W. Lyding, E. Pop, Nanotechnology 2015, 26, 055302.

[59] M. Chen, G. Li, W. Li, D. Stekovic, B. Arkook, M. E. Itkis, A. Pekker, E. Bekyarova, R. C. Haddon, Carbon 2016, 110, 286.

[60] Q. Su, X. Zhen, J. T. Nelson, R. Li, P. Buhlmann, G. Sherwood, S. J. Koester, ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3, 11998.

[61] Y. Zhang, Q. Ren, X. Zhang, Z. Chen, H. Zheng, J. Liu, Y. Jin, C. Lin, Y. Zhao, P. Zhao, ACS Appl. Nano Mater. 2021, 4, 7272.

[62] Z. Zhang, J. Du, D. Zhang, H. Sun, L. Yin, L. Ma, J. Chen, D. Ma, H. Cheng, W. Ren, Nat. Commun. 2017, 8, 14560.

[63] H. H. Kim, B. Kang, J. W. Suk, N. Li, K. S. Kim, R. S. Ruoff, W. H. Lee, K. Cho, ACS Nano 2015, 9, 4726.

[64] B. N. Chandrashekar, N. Cai, L. W. Liu, A. S. Smitha, Z. Wu, P. Chen, R. Shi, W. Wang, J. Wang, C. Tang, C. Cheng, J. Colloid Interface Sci. 2019, 546, 11.

[65] A. Capasso, M. De Francesco, E. Leoni, T. Dikonimos, F. Buonocore, L. Lancellotti, E. Bobeico, M. S. Sarto, A. Tamburrano, G. De Bellis, N. Lisi, Appl. Phys. Lett. 2014, 105, 113101.

[66] M. J. Kim, G. Moreira, N. Lisi, N. Kim, W. Shim, G. Lee, A. Capasso, Appl. Phys. Lett. 2023, 123, 211602.

[67] M. Chen, D. Stekovic, W. Li, B. Arkook, R. C. Haddon, E. Bekyarova, Nanotechnology 2017, 28, 255701.

[68] G. Zhang, A. G. Gueell, P. M. Kirkman, R. A. Lazenby, T. S. Miller, P. R. Unwin, ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 8008.

[69] L. A. Belyaeva, W. Fu, H. Arjmandi-Tash, G. F. Schneider, ACS Cent. Sci. 2016, 2, 904.

[70] M. Jang, T. Q. Trung, J. H. Jung, B. Y. Kim, N. E. Lee, Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 4098.

[71] H. Liu, Q. H. Thi, P. Man, X. Chen, T. Chen, L. W. Wong, S. Jiang, L. Huang, T. Yang, K. H. Leung, T. T. Leung, S. Gao, H. Chen, C. Lee, M. Kan, J. Zhao, Q. Deng, T. H. Ly, Adv. Mater. 2023, 35, 35.

[72] H. Ma, X. Chen, Y. Han, J. Zhang, K. Wen, S. Cheng, Q. Zhao, Y. Wang, J. Wu, J. Shao, Adv. Sci. 2024, 11, 2402319.

[73] L. Gao, G. Ni, Y. Liu, B. Liu, A. H. C. Neto, K. P. Loh, Nature 2014, 505, 190.

[74] M. Praeger, S. Papazoglou, A. Pesquera, A. Zurutuza, A. Levi, D. Naveh, I. Zergioti, R. W. Eason, B. Mills, Appl. Surf. Sci. 2020, 533, 147488.

[75] B. Wang, M. Huang, L. Tao, S. H. Lee, A. Jang, B. Li, H. S. Shin, D. Akinwande, R. S. Ruoff, ACS Nano 2016, 10, 1404.

[76] W. Lin, T. Chen, J. Chang, J. Taur, Y. Lo, W. Lee, C. Chang, W. Su, C. Wu, ACS Nano 2014, 8, 1784.

[77] J. Zhang, L. Lin, L. Sun, Y. Huang, A. L. Koh, W. Dang, J. Yin, M. Wang, C. Tan, T. Li, Z. Tan, Z. Liu, H. Peng, Adv. Mater. 2017, 29, 1700639.

[78] G. Deokar, J. Avila, I. Razado-Colambo, J. L. Codron, C. Boyaval, E. Galopin, M. C. Asensio, D. Vignaud, Carbon 2015, 89, 82.

[79] I. Vlassiouk, P. Fulvio, H. Meyer, N. Lavrik, S. Dai, P. Datskos, S. Smirnov, Carbon 2013, 54, 58.

[80] T. Hesjedal, Appl. Phys. Lett. 2011, 98, 259901.

[81] A. Shivayogimath, P. R. Whelan, D. M. A. Mackenzie, B. Luo, D. Huang, D. Luo, M. Wang, L. Gammelgaard, H. Shi, R. S. Ruoff, P. Boggild, T. J. Booth, Chem. Mater. 2019, 31, 2328.

[82] H. Zhang, H. Shen, Z. Wang, J. Yue, R. Li, F. Qing, X. Li, Polymer 2023, 285, 126327.

[83] M. Shang, S. Bu, Z. Hu, Y. Zhao, J. Liao, C. Zheng, W. Liu, Q. Lu, F. Li, H. Wu, Z. Shi, Y. Zhu, Z. Xu, B. Guo, B. Yu, C. Li, X. Zhang, Q. Xie, J. Yin, K. Jia, H. Peng, L. Lin, Z. Liu, Adv. Mater. 2024, 36, 2402000.

[84] S. Chen, G. Chen, Y. Zhao, S. Bu, Z. Hu, B. Mao, H. Wu, J. Liao, F. Li, C. Zhou, B. Guo, W. Liu, Y. Zhu, Q. Lu, J. Hu, M. Shang, Z. Shi, B. Yu, X. Zhang, Z. Zhao, K. Jia, Y. Zhang, P. Sun, Z. Liu, L. Lin, X. Wang, Adv. Mater. 2024, 36, 2308950.

[85] H. Xin, W. Li, Appl. Phys. Rev. 2018, 5, 031105.

[86] M. Liang, L. Qian, Y. Hou, J. Li, C. Shen, F. Qing, X. Li, Sci. China Mater. 2022, 65, 1042.

[87] L. Ma, W. Ren, H. Cheng, Small Methods 2019, 3, 1900049.

[88] M. Nakatani, S. Fukamachi, P. Solis-Fernandez, S. Honda, K. Kawahara, Y. Tsuji, Y. Sumiya, M. Kuroki, K. Li, Q. Liu, Y. Lin, A. Uchida, S. Oyama, H. G. Ji, K. Okada, K. Suenaga, Y. Kawano, K. Yoshizawa, A. Yasui, H. Ago, Nat. Electron. 2024, 7, 119.

[89] X. Gao, L. Zheng, F. Luo, J. Qian, J. Wang, M. Yan, W. Wang, Q. Wu, J. Tang, Y. Cao, C. Tan, J. Tang, M. Zhu, Y. Wang, Y. Li, L. Sun, G. Gao, J. Yin, L. Lin, Z. Liu, S. Qin, H. Peng, Nat. Commun. 2022, 13, 5410.

[90] D. Zhang, J. Du, Y. Hong, W. Zhang, X. Wang, H. Jin, P. L. Burn, J. Yu, M. Chen, D. Sun, M. Li, L. Liu, L. Ma, H. Cheng, W. Ren, ACS Nano 2019, 13, 5513.

[91] A. Khan, S. M. Islam, S. Ahmed, R. R. Kumar, M. R. Habib, K. Huang, M. Hu, X. Yu, D. Yang, Adv. Sci. 2018, 5, 1800050.

[92] W. Li, F. Liang, X. Sun, K. Zheng, R. Liu, H. Yuan, S. Cheng, J. Wang, Y. Cheng, K. Huang, K. Wang, Y. Yang, F. Yang, C. Tu, X. Mao, W. Yin, A. Cai, X. Wang, Y. Qi, Z. Liu, Nat. Commun. 2024, 15, 6825.

[93] Z. Chen, Y. Qi, X. Chen, Y. Zhang, Z. Liu, Adv. Mater. 2019, 31, 1803639.

RIGHTS & PERMISSIONS

2025 The Author(s). Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.