一種生長(zhǎng)石墨烯薄膜的裝置及其生長(zhǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及沉積爐技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種在柔性金屬襯底上生長(zhǎng)石墨烯薄膜 的裝置及其生長(zhǎng)石墨烯薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 2004年石墨烯（Graphene)材料的出現(xiàn)引起了全世界針對(duì)石墨烯研究與應(yīng)用的熱 潮。石墨烯是一種二維晶體，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平 面薄膜，是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。人們常見的石墨是由一層層以蜂 窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成 薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層二維材料就是 石墨烯。
[0003] 石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收 2. 3 %的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m*K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率*超 過(guò)15000cm²/V?s，又比納米碳管或娃晶體*高，而電阻率只約10-6Q?cm,比銅或銀 更低，為目前世上電阻率最小的材料。因?yàn)樗碾娮杪蕵O低，電子遷移的速度極快，因此被 期待可用來(lái)發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實(shí)質(zhì)上是 一種透明、良好的導(dǎo)體，也適合用來(lái)制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽(yáng)能電池。
[0004] 石墨烯的研究熱潮及廣闊的應(yīng)用前景，也吸引了國(guó)內(nèi)外材料制備研究的興趣，已 知的石墨烯材料的制備方法有：微機(jī)械剝離法、化學(xué)氧化法、溶劑剝離法、溶劑熱法、化學(xué)氣 相沉積法以及有機(jī)合成法和碳納米管剝離法等。
[0005] 微機(jī)械剝離法可以制備出高質(zhì)量石墨烯，但存在產(chǎn)率低和成本高的不足，不滿足 工業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)要求，只能作為實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模制備。化學(xué)氧化法制備成本低廉且容易 實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)是宏量制備容易帶來(lái)廢液污染和制備的石墨烯存在一定的缺陷，使石墨烯的 應(yīng)用受到限制。溶劑剝離法產(chǎn)率很低。溶劑熱法解決了規(guī)?；苽涫┑膯?wèn)題，同時(shí)也 帶來(lái)了電導(dǎo)率很低的負(fù)面影響。
[0006] 化學(xué)氣相沉積法（ChemicalVaporDeposition,CVD)是指反應(yīng)物質(zhì)在氣態(tài)條件下 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進(jìn)而制得固體材料的工藝技術(shù)。
[0007] 麻省理工學(xué)院的Kong等、韓國(guó)成均館大學(xué)的Hong等和普渡大學(xué)的Chen等在利 用CVD法制備石墨烯。他們使用的是一種以鎳為基片的管狀簡(jiǎn)易沉積爐，通入含碳?xì)怏w， 如：碳?xì)浠衔?，它在高溫下分解成碳原子沉積在鎳的表面，形成石墨烯，通過(guò)輕微的化學(xué) 刻蝕，使石墨烯薄膜和鎳片分離得到石墨烯薄膜。這種薄膜在透光率為80%時(shí)電導(dǎo)率即可 達(dá)到I.IX106S/m，成為透明導(dǎo)電薄膜的潛在替代品。用CVD法可以制備出高質(zhì)量大面積的 石墨烯，但是理想的基片材料單晶鎳的價(jià)格太昂貴，這可能是影響石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)的重 要因素。CVD法可以滿足規(guī)模化制備高質(zhì)量石墨烯的要求，但成本較高，工藝復(fù)雜。
[0008] 上述各種方法各有不同層面的缺陷。在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用層面上，需要能夠量產(chǎn)出高品質(zhì)、 大尺寸的石墨烯。高品質(zhì)是指如何在所要求的基板或位置制作出不含雜質(zhì)及缺陷的高品質(zhì) 的熱任意層數(shù)的石墨烯；大面積是指需要開發(fā)出能夠生產(chǎn)要求基地的大尺寸石墨烯的制備 設(shè)備和工藝；量產(chǎn)化是指實(shí)現(xiàn)滿足工業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化的量產(chǎn)。目前產(chǎn)業(yè)上面臨著的迫切問(wèn)題 是如何量產(chǎn)高品質(zhì)、大面積的石墨烯。以達(dá)到產(chǎn)業(yè)上的有效利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 有鑒于此，本發(fā)明提供一種在柔性襯底上生長(zhǎng)石墨烯薄膜的裝置及其石墨烯薄膜 生長(zhǎng)方法。
[0010] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供的在柔性襯底上生長(zhǎng)石墨烯薄膜的裝置，包括：
[0011] 內(nèi)腔，該內(nèi)腔分為預(yù)處理倉(cāng)、上反應(yīng)倉(cāng)和中反應(yīng)倉(cāng)，所述預(yù)處理倉(cāng)、上反應(yīng)倉(cāng)和中 反應(yīng)倉(cāng)分設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口且依次排列；
[0012] 金屬襯底，延伸于內(nèi)腔，金屬襯底兩側(cè)的細(xì)縫連通預(yù)處理倉(cāng)、上反應(yīng)倉(cāng)和中反應(yīng) 倉(cāng)；
[0013] 外腔，所述外腔與所述內(nèi)腔間形成緩沖空間；
[0014] 加熱器，位于所述緩沖空間，用于加熱金屬襯底及氣體環(huán)境；
[0015] 反射板，位于所述加熱器外周側(cè)，用于將熱量向內(nèi)腔方向反射。
[0016] 進(jìn)一步地，所述內(nèi)腔和外腔均為立式結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)腔為透熱材質(zhì)，如石英材質(zhì)，并 且金屬襯底垂直延伸于內(nèi)腔中，并可由預(yù)處理倉(cāng)向上反應(yīng)倉(cāng)、中反應(yīng)倉(cāng)的方向勻速移動(dòng)，設(shè) 置于金屬襯底的兩側(cè)或者設(shè)置于金屬襯底的任意一側(cè)加熱器透過(guò)內(nèi)腔加熱金屬襯底。
[0017] 進(jìn)一步地，所述金屬襯底為銅膜、銅箔、鎳膜、鎳箔、銅鎳合金膜、銅鎳合金箔、鉬膜 或鉬箔中的一種或多種。
[0018] 進(jìn)一步地，所述金屬襯底在滾軸裝置或傳送裝置的帶動(dòng)下移動(dòng)。
[0019] 進(jìn)一步地，所述金屬襯底進(jìn)入內(nèi)腔與離開內(nèi)腔處具有惰性氣體，形成金屬襯底保 護(hù)區(qū)域，氣體保護(hù)區(qū)域?qū)λ鼋饘僖r底進(jìn)行預(yù)熱或冷卻。
[0020] 進(jìn)一步地，所述上反應(yīng)倉(cāng)垂直長(zhǎng)度大于所述中反應(yīng)倉(cāng)垂直長(zhǎng)度。
[0021] 進(jìn)一步地，，所述內(nèi)腔還包括下反應(yīng)倉(cāng)，所述下反應(yīng)倉(cāng)位于所述中反應(yīng)倉(cāng)之后。
[0022] 進(jìn)一步地，所述裝置還包括后處理腔，所述后處理腔置于所述內(nèi)腔之后，用以對(duì)所 述金屬襯底進(jìn)行冷卻。
[0023] 進(jìn)一步地，所述進(jìn)氣口鄰近所述細(xì)縫并延所述金屬襯底移動(dòng)方向進(jìn)行供氣。
[0024] 進(jìn)一步地，還包括置于所述內(nèi)腔外對(duì)所述金屬襯底進(jìn)行標(biāo)記的激光打標(biāo)裝置。
[0025] 一種在柔性金屬襯底上生長(zhǎng)石墨烯薄膜的方法，包括如下步驟：
[0026] 將金屬襯底移動(dòng)到具有預(yù)處理倉(cāng)、上反應(yīng)倉(cāng)和中反應(yīng)倉(cāng)的透熱內(nèi)腔中；
[0027] 將還原氣體供應(yīng)到所述預(yù)處理倉(cāng)中；
[0028] 將包含碳源的氣體供應(yīng)到所述上反應(yīng)倉(cāng)和中反應(yīng)倉(cāng)中；
[0029] 加熱透熱內(nèi)腔，并針對(duì)預(yù)處理倉(cāng)、上反應(yīng)倉(cāng)和中反應(yīng)倉(cāng)分區(qū)控制內(nèi)腔中的溫度和 壓力；
[0030] 移動(dòng)所述金屬襯底,分段地：
[0031] 在所述預(yù)處理倉(cāng)中對(duì)所述金屬襯底在所述還原氣體氛圍下進(jìn)行表面除污、除氧和 退火；
[0032] 在所述上反應(yīng)倉(cāng)內(nèi)在所述金屬襯底表面生成石墨烯晶核；
[0033] 在所述中反應(yīng)倉(cāng)內(nèi)所述石墨烯晶核進(jìn)行二維生長(zhǎng)，形成連續(xù)的二維石墨烯薄膜；
[0034] 載有所述二維石墨烯薄膜的金屬襯底進(jìn)入所述后處理腔冷卻。
[0035] 進(jìn)一步地，所述石墨烯晶核進(jìn)行二維生長(zhǎng)先于所述中反應(yīng)倉(cāng)中進(jìn)行，后再于位于 所述中反應(yīng)倉(cāng)之后下反應(yīng)倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行形成連續(xù)的二維石墨烯薄膜。
[0036] 進(jìn)一步地，所述還原氣體為氫氣或氫氣與惰性氣體的混合物，所述包含碳源的氣 體包括甲烷、乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、丙烷、