技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及薄膜生長(zhǎng)或薄膜制備領(lǐng)域，更確切地說(shuō)涉及制備石墨烯、六角氮化硼等薄膜材料的化學(xué)氣相沉積裝置。

背景技術(shù)：
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現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)需要使用大量功能各異的無(wú)機(jī)新材料或薄膜材料，如石墨烯、六角氮化硼等，一般來(lái)講，為了達(dá)到所需的性能，這些功能材料必須是高純的，而為了得到高純度的產(chǎn)品，科學(xué)界、工藝界也發(fā)明了很多制備方法，其中，化學(xué)氣相淀積法（cvd）、分子束外延生長(zhǎng)法（mbe）等都是近幾十年發(fā)展起來(lái)的制備高純度材料的新技術(shù)。

cvd法是一種基于化學(xué)反應(yīng)的薄膜淀積方法，以氣體形式提供的反應(yīng)物質(zhì)，如制備石墨烯一般使用的甲烷、乙炔等，制備氮化硼一般使用環(huán)硼氮烷、氨硼烷等；襯底置于反應(yīng)室中，在熱能、等離子體或者紫外光等的作用下，氣體反應(yīng)物在襯底表面經(jīng)化學(xué)反應(yīng)（分解或合成）形成固體物質(zhì)的淀積，即得到薄膜材料。

目前所使用的六角氮化硼或石墨烯的制備裝置多為石英管式爐，對(duì)生長(zhǎng)過(guò)程的控制存在以下問(wèn)題：1）氣壓的控制性。石英管式爐的氣壓測(cè)量和控制一般是通過(guò)流量計(jì)和在關(guān)口的氣壓計(jì)完成；石墨烯的生長(zhǎng)機(jī)理與氣體的流量沒(méi)有直接關(guān)系，而是同金屬表面的氣壓有關(guān)。而該裝置氣路狹窄，通過(guò)流量計(jì)與管口所測(cè)量的數(shù)據(jù)不能直接表達(dá)金屬表面的氣壓，而是具有很大的差異和延遲；2）溫度的控制性。對(duì)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程有影響的為金屬薄膜表面的溫度，而實(shí)際上在石英管式爐中往往測(cè)量的是管壁外的溫度，存在較大差異與延遲；3）本底雜質(zhì)的控制性。石英管內(nèi)雜質(zhì)氣體的本底真空相對(duì)比較高，一般在10^-4mbar以上，這就意味著金屬表面每個(gè)原子每秒鐘平均約有100次來(lái)自雜質(zhì)氣體的碰撞，這些雜質(zhì)氣體所帶來(lái)的影響是復(fù)雜的不容易預(yù)知的，通常來(lái)講會(huì)造成兩個(gè)問(wèn)題：一是制備方法的轉(zhuǎn)移性不好，在一個(gè)系統(tǒng)上優(yōu)化的制備方法在轉(zhuǎn)移到不同生產(chǎn)設(shè)備的時(shí)候，由于不同系統(tǒng)所存在差異，相同的制備參數(shù)所給出的金屬表面的氣壓與溫度可能相差很多；二是對(duì)薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理理解欠佳，由于測(cè)量過(guò)程中參數(shù)的延遲與差異以及雜質(zhì)氣體的影響，很難通過(guò)最基本的表面科學(xué)知識(shí)解釋所得到的結(jié)果。4）降溫速度慢，造成高溫時(shí)溶解在金屬基底中的碳原子在降溫過(guò)程中的大量析出，從而形成多層石墨烯甚至無(wú)定型碳。目前，石英管式爐解決降溫速度慢的問(wèn)題一般是采用滑軌的方式，但該方法容易造成兩個(gè)問(wèn)題，一是裝置占地面積大，往往需要占用2倍及以上的場(chǎng)地；二是1000℃的石英管突然接觸到室溫的大氣，容易造成石英管破裂等問(wèn)題，影響石英管使用壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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針對(duì)以上提到的問(wèn)題，提出本發(fā)明。

采用不銹鋼壁的冷壁cvd裝置，使用分子泵+機(jī)械泵的抽氣裝置，本底真空可達(dá)到10^-7甚至10^-8mbar，充分減少雜質(zhì)氣體分子對(duì)生長(zhǎng)過(guò)程造成的影響。在設(shè)計(jì)裝置的氣路時(shí)，充分考慮氣體擴(kuò)散的基本原理。采用內(nèi)加熱方式，不僅能降低能耗，而且能形成溫度更均勻的恒溫區(qū)，而溫度測(cè)量采用直接測(cè)量樣品或者充分靠近樣品，從而得到更準(zhǔn)確的溫度參數(shù)。設(shè)計(jì)內(nèi)加熱裝置的移動(dòng)降溫功能，實(shí)現(xiàn)快速降溫，有效減少降溫過(guò)程中碳原子的析出。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種用于制備石墨烯、六角氮化硼等薄膜材料的化學(xué)氣相沉積裝置，其特征在于，所述裝置包括兩個(gè)獨(dú)立的真空腔體——主腔體（1）和副腔體（2）、加熱裝置（3）、測(cè)溫裝置、供氣裝置、抽氣裝置、冷凝裝置、傳動(dòng)裝置（4）、插板閥（5）及硼氮蒸發(fā)源（6）。其中主腔體（1）用于薄膜材料的制備，副腔體（2）用于硼氮源的洗氣。

按上述方案，所述的真空腔體a帶有冷凝水層，可通過(guò)循環(huán)冷凝水的方式降低腔壁溫度。

按上述方案，所述真空腔體b與硼氮蒸發(fā)源直接相連接，用于硼氮源的洗氣，防止硼氮源經(jīng)過(guò)真空腔體a造成對(duì)主腔體的污染。

按上述方案，所述的加熱裝置置于真空腔體a中，采用電阻加熱的方式，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱功率，可在10分鐘之內(nèi)快速加熱至1300℃。

按上述方案，所述的測(cè)溫裝置由萬(wàn)用表（7）和k型熱電偶（8）組成，其中熱電偶直接置于樣品（9）表面，可得到薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中的實(shí)際溫度。

按上述方案，所述的供氣裝置包括減壓閥（10）、微漏閥（11）、真空計(jì)（12）、氣源（13），其中氣源可供氮?dú)?、氫氣、氬氣、甲烷和乙烯等氣體。減壓閥連接導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管連接微漏閥，通過(guò)微漏閥的精確調(diào)節(jié)，氣體進(jìn)入主腔體a。

按上述方案，所述的抽氣裝置包括機(jī)械泵（14）、分子泵（15），分子泵通過(guò)cf接口與副腔體b連接，另一端使用kf接口通過(guò)波紋管與機(jī)械泵連接。

按上述方案，所述的冷凝裝置由循環(huán)水機(jī)（16）、過(guò)濾裝置（17）組成，主要為主腔體a及分子泵降溫。

按上述方案，所述的插板閥可以為手動(dòng)、氣動(dòng)、或電動(dòng)插板閥，兩面分別通過(guò)cf接口與主腔體a和副腔體b相連，實(shí)現(xiàn)隔絕與串通兩個(gè)腔體的功能。

按上述方案，所述的硼氮蒸發(fā)源為帕爾貼制冷器，通過(guò)帕爾貼原理實(shí)現(xiàn)硼氮源的低溫存儲(chǔ)和使用，可在數(shù)分鐘之內(nèi)快速降溫至-10℃。適用于常溫下為液體的蒸發(fā)溫度較低的硼氮源，如環(huán)硼氮烷等。硼氮蒸發(fā)源通過(guò)三通接口可分別通入主腔體a和副腔體b中，流量通過(guò)微漏閥調(diào)節(jié)。

附圖說(shuō)明：

圖1.本發(fā)明的實(shí)施例裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2.本發(fā)明的實(shí)施例裝置的模型圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

作為一個(gè)具體的實(shí)施例，如圖1所示，本發(fā)明的一種用于制備石墨烯、六角氮化硼等薄膜材料的化學(xué)氣相沉積裝置，包括兩個(gè)獨(dú)立的真空腔體a和b、加熱裝置、測(cè)溫裝置、供氣裝置、抽氣裝置、冷凝裝置、插板閥及硼氮蒸發(fā)源。其中真空腔體a為主腔體，用于六角氮化硼/石墨烯復(fù)合薄膜的制備，真空腔體b為副腔體，用于硼氮源的洗氣。

下面利用本實(shí)施例的裝置實(shí)現(xiàn)六角氮化硼、石墨烯及六角氮化硼/石墨烯復(fù)合薄膜的制備。

一、制備六角氮化硼薄膜

1.首先制作襯底，取尺寸合適的厚度為25μm的銅箔，用酒精、丙酮等有機(jī)溶劑清洗表面污染物和氧化層；

2.將處理好的襯底置于樣品臺(tái)上并擺放好k型熱電偶的位置，使熱電偶和樣品表面良好接觸，然后通過(guò)傳動(dòng)裝置將樣品臺(tái)移動(dòng)至加熱區(qū)；

3、依次打開插板閥和機(jī)械泵，待真空度降至5×10^-2mbar后打開分子泵，將主腔體a的氣壓抽至極限真空狀態(tài)，形成1～3×10^-6mbar的真空腔；

4、將樣品加熱至950℃，然后通入氫氣至2×10^-3mbar，在高溫條件下處理銅箔30分鐘；

5、關(guān)閉氫氣，打開微漏閥通入環(huán)硼氮烷至2×10^-5mbar，生長(zhǎng)時(shí)間為10分鐘；

6、關(guān)閉加熱，關(guān)閉環(huán)硼氮烷，將樣品臺(tái)通過(guò)傳動(dòng)裝置移出加熱區(qū)實(shí)現(xiàn)快速降溫。

二、制備石墨烯薄膜

1.首先制作襯底，取尺寸合適的厚度為25μm的銅箔，用酒精、丙酮等有機(jī)溶劑清洗表面污染物和氧化層；

2.將處理好的襯底置于樣品臺(tái)上并擺放好k型熱電偶的位置，使熱電偶和樣品表面良好接觸，然后通過(guò)傳動(dòng)裝置將樣品臺(tái)移動(dòng)至加熱區(qū)；

3、依次打開插板閥和機(jī)械泵，待真空度降至5×10^-2mbar后打開分子泵，將主腔體a的氣壓抽至極限真空狀態(tài)，形成1～3×10^-6mbar的真空腔；

4、將樣品加熱至10000℃，然后通入氫氣至2×10^-3mbar，在高溫條件下處理銅箔30分鐘；

5、關(guān)閉氫氣，打開微漏閥通入乙烯至2×10^-3mbar，生長(zhǎng)時(shí)間為20分鐘；

6、關(guān)閉加熱，關(guān)閉乙烯，將樣品臺(tái)通過(guò)傳動(dòng)裝置移出加熱區(qū)實(shí)現(xiàn)快速降溫。

三、制備六角氮化硼/石墨烯復(fù)合薄膜

1、取尺寸合適的厚度為25μm的銅箔，用酒精、丙酮等有機(jī)溶劑清洗表面污染物和氧化層。然后通過(guò)磁控濺射在銅箔表面鍍上一層厚度約為1μm的鎳；

2、將處理好的襯底置于樣品臺(tái)上并擺放好k型熱電偶的位置，使熱電偶和樣品表面良好接觸，然后通過(guò)傳動(dòng)裝置將樣品臺(tái)移動(dòng)至加熱區(qū)；

3、依次打開插板閥和機(jī)械泵，待真空度降至5×10^-2mbar后打開分子泵，將主腔體a的氣壓抽至極限真空狀態(tài)，形成1～3×10^-6mbar的真空腔；

4、將樣品加熱至950℃，然后通入氫氣至2×10^-3mbar，在高溫條件下處理金屬襯底30分鐘，是銅和鎳形成均勻合金；

5、關(guān)閉氫氣，打開微漏閥通入環(huán)硼氮烷至2×10^-5mbar，生長(zhǎng)時(shí)間為10分鐘；

6、關(guān)閉環(huán)硼氮烷，關(guān)閉加熱，樣品自然降溫至室溫，使預(yù)先吸附在銅鎳合金中的碳原子析出，在六角氮化硼和金屬襯底之間形成一層石墨烯，得到六角氮化硼/石墨烯復(fù)合薄膜。