一種通過控制成核制備大面積石墨烯單晶的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于薄膜的大面積單晶的合成，具體為一種通過控制成核制備大面積石墨烯單晶的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)層狀材料只有一個或幾個原子厚時，它們被劃分成二維材料，與塊狀材料相比會有很多獨特性能，并有許多有前景的應(yīng)用。一個典型的二維材料是石墨烯，它是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角形呈蜂巢的平面薄膜，只有一個碳原子厚度。
[0003]石墨烯可通過多種方法在基板表面上形成，最常見方法為化學(xué)氣相沉積(CVD)法，CVD法是將薄膜層沉積到襯底；襯底被支撐在真空沉積腔室，被加熱到高溫(通常為幾百攝氏度)，然后注入沉積氣體于腔室中，通過化學(xué)反應(yīng)在襯底上沉積薄膜，反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫。所獲得的石墨烯薄膜可以直接在基板上用于后續(xù)應(yīng)用，也可以將其轉(zhuǎn)移到其他基板上進(jìn)行應(yīng)用。
[0004]在專利號為US 8470400 B2的美國專利中公開了通過化學(xué)氣相沉積甲烷在金屬(如銅箔)基體上制備石墨烯薄膜，金屬襯底裝入管式爐的反應(yīng)室，在反應(yīng)過程中，烴類氣體(如甲烷)分解并沉積于金屬基底表面，形成很多石墨烯的晶核；隨著反應(yīng)過程中晶核上不斷添加碳原子而逐漸長大，最終彼此相連形成一個連續(xù)的石墨烯薄膜而完全涂覆所述基板的表面上，并生長終止。在上述制備過程中，成核點的位置是不可控的，每個晶粒的取向也不可控的；導(dǎo)致晶粒之間會形成晶粒邊界，而合成的石墨烯膜是多晶的。晶界的存在會大大降低石墨烯膜的品質(zhì)，例如削弱其機械強度和降低其電和熱的傳導(dǎo)率；在生產(chǎn)制備石墨烯薄膜過程中，希望石墨烯薄膜具有大晶粒尺寸從而較少的晶界，或者為大面積的單晶；因此，本發(fā)明提供一種通過控制成核制備大面積石墨烯單晶的裝置及方法，通過控制石墨烯的成核位置及數(shù)量，從而制備大面積的石墨烯單晶。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種通過控制成核制備大面積石墨烯單晶的裝置及方法，采用成核控制器控制石墨烯的成核位置及數(shù)量，從而制備大面積的石墨烯單晶。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種通過控制成核制備大面積石墨烯單晶的裝置，包括CVD反應(yīng)室、反應(yīng)氣體管理系統(tǒng)、排氣管理系統(tǒng)及熱源；所述CVD反應(yīng)室頂部設(shè)置有反應(yīng)氣體入口管、底部設(shè)置有排氣管，反應(yīng)氣體管理系統(tǒng)連接反應(yīng)氣體入口管、排氣管理系統(tǒng)連接排氣管，所述熱源圍繞CVD反應(yīng)室設(shè)置，用于CVD反應(yīng)室加熱，其特征在于，所述CVD反應(yīng)室底部還設(shè)有基板支撐、頂部還設(shè)有成核控制器，所述成核控制器連接入口管、懸掛于基板支撐上方，成核控制器由一石英管與一石英盤連接構(gòu)成，所述石英管連接反應(yīng)氣體入口管，所述石英盤中心處開設(shè)有成核孔。
[0008]進(jìn)一步的，所述成核孔為一個圓孔或呈矩陣排列的若干個圓孔。所述成核孔的直徑為0.0001?1毫米。
[0009]所述CVD反應(yīng)室頂部與反應(yīng)氣體入口管之間還設(shè)置有頂端適配器，所述CVD反應(yīng)室底部與排氣管之間還設(shè)置有底端適配器。
[0010]所述反應(yīng)物氣體管理系統(tǒng)由兩個氣體源構(gòu)成，每個氣體源均設(shè)有氣體質(zhì)量流量控制器。
[0011]所述排氣管理系統(tǒng)由依次設(shè)置的壓力傳感器、節(jié)流閥和真空栗構(gòu)成。
[0012]所述基板支撐由三個石英棒與一石英盤焊接構(gòu)成。
[0013]需要說明的是，在石墨烯單晶制備過程中，CVD反應(yīng)室限定反應(yīng)空間，反應(yīng)氣體通過反應(yīng)氣體管理系統(tǒng)經(jīng)過反應(yīng)氣體入口管進(jìn)入成核控制器，通過成核孔導(dǎo)入CVD反應(yīng)室；基底支撐在反應(yīng)室內(nèi)以支撐襯底用于石墨烯沉積；通過成核控制器中成核孔的設(shè)置，在CVD反應(yīng)室中引導(dǎo)反應(yīng)氣體到指定的位置進(jìn)行石墨烯的成核和生長。
[0014]更進(jìn)一步的，利用上述轉(zhuǎn)置的一種通過控制成核制備大面積石墨烯單晶的方法，包括以下步驟:
[0015]步驟1、將襯底置于CVD反應(yīng)室基底支撐上，并將CVD反應(yīng)室抽真空；
[0016]步驟2、將氫氣以10?lOOsc cm的流量通入CVD反應(yīng)室中；
[0017]步驟3、將金屬襯底加熱至400°C?1050°C，保溫1?60分鐘，期間保持氫氣流量；
[0018]步驟4、將氫氣的流量減少至小于lOsccm，并將甲燒氣體以0.1?lsccm的流量通入CVD反應(yīng)室中，保持壓力為1?10毫托，保持1?120秒；
[0019]步驟5、將甲烷氣體的流量每分鐘增加0.1?lsccm，其壓力為1毫托?1托，保持1分鐘?20小時至石墨稀單晶完全覆蓋襯底表面；
[0020]步驟6、將甲烷氣體流量減少至小于lOsccm，待CVD反應(yīng)室冷卻至室溫，將襯底取出。
[0021]本發(fā)明采用特有的成核控制器的設(shè)計，能夠準(zhǔn)確的控制石墨烯的成核位置及數(shù)量，從而制備大面積的石墨稀單晶。
【附圖說明】
[0022]圖1為實施例1石墨烯單晶制備裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2為實施例1石墨烯單晶制備裝置中成核控制器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)為切面圖，(b)為仰視圖。
[0024]圖3為實施例1石墨烯單晶制備裝置中基底支架結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)為俯視圖，(b)為側(cè)視圖。
[0025]圖4為實施例1石墨烯單晶制備裝置中反應(yīng)氣體管理系統(tǒng)與排氣管理系統(tǒng)示意圖，其中，(a)為反應(yīng)氣體管理系統(tǒng)，(b)為排氣管理系統(tǒng)。
[0026]圖5為實施例1石墨烯單晶制備方法工藝流程圖。
[0027]圖6為實施例1石墨烯單晶制備裝置中反應(yīng)基底上表面甲烷濃度分布示意圖。
[0028]圖7為實施例2石墨烯單晶制備裝置中成核控制器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)為切面圖，(b)為仰視圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0030]實施例1
[0031]在本實施例中，大面積石墨烯單晶制備裝置如圖1所示，該裝置100包括CVD反應(yīng)室112、反應(yīng)氣體管理系統(tǒng)128、反應(yīng)氣體入口管136、頂端適配器124、底端適配器126、排氣管140、排氣管理系統(tǒng)130、熱源102及加熱元件104。其中，熱源102與加熱元件104，其限定中空的圓柱形加熱空間106，該加熱空間106圍繞CVD反應(yīng)室112 ;本實施例中，采用一圓筒狀處理管108，處理管108由石英制成具有的外徑100個毫米，96毫米的內(nèi)徑，以及1000毫米的長度；頂端適配器124連接反應(yīng)氣體入口管136和處理管108，底端適配器126連接排氣管140和處理管108，兩個適配器124、126和處理管108共同構(gòu)成CVD反應(yīng)室112，使其周圍氣氛隔開。
[0032]在CVD反應(yīng)室112內(nèi)，成核控制器150通過適配器138連接到入口管136，并掛在基板支撐160上方，在兩者之間存在間隙132 ;基板支撐160在底端適配器126上。其中，成核控制器150的結(jié)構(gòu)如圖2所示，在本實施例中，成核控制器150通過焊接一石英管152在石英盤154上構(gòu)成，石英管152連接頂端適配器，石英盤154在中心處開設(shè)有一個成核孔153 ;在本實施例中，石英管152具有6毫米的外徑和2mm的內(nèi)徑，石英盤154的直徑為90毫米，厚度為2毫米，成核孔153的直徑為0.0001?1毫米；所述基板支撐160結(jié)構(gòu)如圖3所示，本實施例中，基底支撐160由三個石英棒164和石英圓盤162焊接構(gòu)成，石英圓盤162的直徑為90毫米、厚度為2毫米，石英棒164的直徑為4?10毫米、長度為500毫米；本實施中，間隙132是0.1?4毫米。
[0033]本實施例中，反應(yīng)氣體通過反應(yīng)氣體管理系統(tǒng)128經(jīng)過反應(yīng)氣體入口管136導(dǎo)入CVD反應(yīng)室112中，所述反應(yīng)氣體管理系統(tǒng)128如圖4(a)所示，反應(yīng)氣體管理系統(tǒng)128包括兩個氣體源，分別為氫氣401和甲燒402，氫氣401的流量由一個氫質(zhì)量流量控制器403控制，甲烷402的流量由一個甲烷質(zhì)量流量控制器404控制，氣體通過反應(yīng)氣體入口管136、適配器138、并進(jìn)入成核控制器150，通過石英管152從成核孔153作用于金屬基底131上；反應(yīng)氣體然后在間隙132從中心沿半徑方向向邊緣擴散，并在金屬基底131上反應(yīng)沉積石墨烯薄膜；反應(yīng)副產(chǎn)物和未反應(yīng)掉的氣體從間隙邊緣出來，通過排氣管140進(jìn)入排氣管理系統(tǒng)130 ;