制備石墨烯薄膜的化學(xué)氣相沉積設(shè)備及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種薄膜材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種制備石墨稀薄膜的化學(xué)氣 相沉積設(shè)備以及應(yīng)用該設(shè)備制備石墨烯薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨烯是一種二維碳材料，它的晶格是由六個(gè)碳原子圍成的六邊形，厚度為一個(gè) 原子層。碳原子之間由s鍵連接，結(jié)合方式為sp2雜化。石墨烯據(jù)有很好的機(jī)械、光學(xué)、電 學(xué)、熱學(xué)性能及其它特性，具有很廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是21世紀(jì)最神奇的材料，可以廣 泛的應(yīng)用于電子、光電子、能源、生物等各個(gè)領(lǐng)域。
[0003] 石墨烯可以通過多種方法進(jìn)行制備。其中，應(yīng)用最為廣泛、被認(rèn)為最有前景的制備 方法是一項(xiàng)美國(guó)專利US 8, 470, 400 B2中所述的利用化學(xué)氣相沉積法制備。該方法使用銅 箱作為基底，使用甲烷（或其它烴類氣體）作為反應(yīng)氣，使用氫氣作為平衡氣和載氣，使反 應(yīng)氣高溫下在銅箱表面催化裂解沉積生成石墨烯。在這一方法中，烴類氣體和氫氣都屬于 易燃易爆氣體，在這些氣體的使用上，需要進(jìn)行特殊的安全控制，不但增加了設(shè)備成本，還 存在較大的安全隱患。因此，很有必要發(fā)展一種使用更為安全的氣體作為反應(yīng)氣和載氣的 方法制備石墨烯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)上述存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種使用非易燃易爆氣體制備石墨 烯的設(shè)備及應(yīng)用該設(shè)備制備石墨烯的方法。該制備石墨烯薄膜的化學(xué)氣相沉積設(shè)備，包括： 氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室112和用于加熱氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室112的加熱裝置110、石墨烯薄膜生長(zhǎng)反 應(yīng)室122和用于加熱石墨烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室的加熱裝置120、進(jìn)氣管理系統(tǒng)200、真空系統(tǒng) 300和置于氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室112內(nèi)的石墨棒114。
[0005] 所述的氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室112的一端與所述的進(jìn)氣管理系統(tǒng)200通過進(jìn)氣口 116密 封相連，所述的氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室112的另一端與所述的石墨烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室122的一端 密封相連，所述的石墨烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室122的另一端與真空系統(tǒng)300通過出氣接口 126 密封相連，所述的石墨棒114置于氣體轉(zhuǎn)反應(yīng)室112內(nèi)。
[0006] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述的氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室112和石墨烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室122可以 通過使用一根石英管100而直接聯(lián)通。
[0007] 所述的進(jìn)氣管理系統(tǒng)200用于控制進(jìn)入氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室112的反應(yīng)氣202和載氣 212的流量。
[0008] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述的進(jìn)氣管理系統(tǒng)200通過質(zhì)量流量控制器204和閥門206 控制反應(yīng)氣202的流量。
[0009] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述的進(jìn)氣管理系統(tǒng)200通過質(zhì)量流量控制器214和閥門216 控制載氣212的流量。
[0010] 所述的真空系統(tǒng)300通過真空栗304使反應(yīng)室112和122處于低壓狀態(tài)，并將剩 余反應(yīng)氣和廢氣由排氣口 306排出。反應(yīng)室112和122內(nèi)的壓力由真空計(jì)302讀取。
[0011] 所述的進(jìn)入氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室112的反應(yīng)氣202為二氧化碳?xì)?，載氣212為氮?dú)狻?氣或其它惰性氣體的一種。
[0012] 所述的反應(yīng)氣二氧化碳?xì)?02在通過氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室112時(shí)，在高溫下與所述的 石墨棒114根據(jù)化學(xué)方程式（1)發(fā)生還原反應(yīng)，生產(chǎn)一氧化碳?xì)?。一氧化碳?xì)饨?jīng)過石墨烯 薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室122時(shí)，在高溫下在金屬基底124 (如銅箱）表面，根據(jù)化學(xué)方程式（2)發(fā) 生反應(yīng)，在金屬基底124表面沉積生長(zhǎng)石墨烯薄膜。加熱
[0013] 所述的載氣氮?dú)猓ɑ蛘邭鍤?、氦氣或其它惰性氣體）212用于平衡反應(yīng)氣的偏壓， 從而對(duì)石墨烯薄膜的生長(zhǎng)進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)。
[0014] 本發(fā)明的有益效果在于：所使用的反應(yīng)氣二氧化碳?xì)夂洼d氣氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w 的一種，均為非易燃易爆氣體；由于使用的二氧化碳?xì)夂苌?，因此盡管反應(yīng)中間產(chǎn)物一氧化 碳?xì)鉃橐兹家妆卸練怏w，其產(chǎn)量很少，并且在后續(xù)反應(yīng)中會(huì)被消耗掉，而反應(yīng)終產(chǎn)物仍為 二氧化碳?xì)?，因此極大的增加了系統(tǒng)的安全性，節(jié)約了設(shè)備的制備和安全管理成本。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明制備石墨烯薄膜的化學(xué)氣相沉積設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施例。
[0017] 實(shí)施例一
[0018] 參見圖1。該制備石墨烯薄膜的化學(xué)氣相沉積設(shè)備，包括：氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室112和 用于加熱氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室112的加熱裝置110、石墨烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室122和用于加熱石墨 烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室的加熱裝置120、進(jìn)氣管理系統(tǒng)200、真空系統(tǒng)300和置于氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng) 室112內(nèi)的石墨棒114。
[0019] 所述的氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室112的一端與所述的進(jìn)氣管理系統(tǒng)200通過進(jìn)氣口 116密 封相連，所述的石墨烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室122的另一端與真空系統(tǒng)300通過出氣接口 126密 封相連，所述的氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室112和石墨烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室122通過使用一根石英管100 而直接聯(lián)通。所述的石英管100的直徑為5厘米至50厘米。
[0020] 所述的石墨棒114置于氣體轉(zhuǎn)反應(yīng)室112內(nèi)，與反應(yīng)室112內(nèi)壁的間隙為0. 5毫 米至2毫米。
[0021] 所述的加熱裝置110和120為管式電阻爐。
[0022] 使用所述制備石墨烯薄膜的化學(xué)氣相沉積設(shè)備制備石墨烯可以通過如下步驟實(shí) 現(xiàn)：
[0023] 將金屬基底（銅箱，鎳箱等）124置入反應(yīng)室122中。
[0024] 關(guān)閉閥門206和216。
[0025] 通過真空系統(tǒng)300將反應(yīng)室抽成真空。
[0026] 用加熱爐120將金屬基底124加熱至900至1050攝氏度。
[0027] 當(dāng)金屬基底124達(dá)到預(yù)定溫度后，用加熱爐110將石墨棒114加熱至500至800 攝氏度。
[0028] 當(dāng)石墨棒114達(dá)到預(yù)定溫度后，打開閥門206和216。
[0029] 將氬氣212經(jīng)過質(zhì)量流量控制器214以10至lOOOsccm的流速進(jìn)入反應(yīng)室112,將 二氧化碳?xì)?02經(jīng)過質(zhì)量流量控制器204以0. 01至lsccm的流速進(jìn)入反應(yīng)室112
[0030] 當(dāng)二氧化碳?xì)?02流經(jīng)石墨棒114時(shí)，會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：
[0031] 所述的反應(yīng)氣二氧化碳?xì)?02在通過氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室112時(shí)，在高溫下與所述的 石墨棒114根據(jù)化學(xué)方程式（1)發(fā)生還原反應(yīng)，生產(chǎn)一氧化碳?xì)?。一氧化碳?xì)饨?jīng)過石墨烯 薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室122時(shí)，在高溫下在金屬基底124 (如銅箱）表面，根據(jù)化學(xué)方程式（2)發(fā) 生反應(yīng)，在金屬基底124表面沉積生長(zhǎng)石墨烯薄膜。
[0032] 反應(yīng)時(shí)間為10分鐘至200分鐘。
[0033] 反應(yīng)結(jié)束后，停止加熱系統(tǒng)120的加熱，使金屬基底124冷卻至室溫。
[0034] 所述的金屬基底冷卻至室溫后，停止加熱系統(tǒng)110加熱。
[0035] 當(dāng)石墨棒溫度低于50攝氏度后，關(guān)閉閥門206和216,打開石墨烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室 122,取出金屬基底124,完成石墨烯薄膜的制備。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種制備石墨烯薄膜的化學(xué)氣相沉積設(shè)備，包括：氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室和用于加熱氣體 轉(zhuǎn)換反應(yīng)室的加熱裝置、石墨烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室和用于加熱石墨烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室的加熱 裝置、進(jìn)氣管理系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和置于氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室內(nèi)的石墨棒。其特征在于包括所述的 氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室的一端與所述的進(jìn)氣管理系統(tǒng)密封相連，所述的氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室的另一端 與所述的石墨烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室的一端密封相連，所述的石墨烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室的另一端 與真空系統(tǒng)密封相連，所述的石墨棒置于氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室內(nèi)，且與反應(yīng)室內(nèi)壁的間隙為0.5 至2毫米。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備石墨烯薄膜的化學(xué)氣相沉積設(shè)備，其特征在于所述的氣 體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室和石墨烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室可以是一根聯(lián)通的石英管，其直徑為5至50厘米， 長(zhǎng)度為1至5米。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備石墨烯薄膜的化學(xué)氣相沉積設(shè)備，其特征在于所述的兩 個(gè)加熱裝置可以是管式電阻爐。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備石墨烯薄膜的化學(xué)氣相沉積設(shè)備，其特征在于所述的進(jìn) 氣管理系統(tǒng)用于控制進(jìn)入氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室的反應(yīng)氣和載氣。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的進(jìn)入氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室的反應(yīng)氣為二氧化碳?xì)狻⑺魵饣蜓鯕?中的一種，載氣為氮?dú)?、氬氣或其它惰性氣體的一種。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備石墨烯薄膜的化學(xué)氣相沉積設(shè)備，其特征在于所述的真 空系統(tǒng)用于控制所述的氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室和石墨薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室內(nèi)的氣壓。7. -種使用權(quán)利要求1 - 6任一所述的制備石墨烯薄膜的化學(xué)氣相沉積設(shè)備制備石墨 烯薄膜的方法，其特征在于，包括如下步驟： 1) 將金屬基底置入所述的石墨烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室中； 2) 通過所述的真空系統(tǒng)將所述的氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室和石墨烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室抽成真 空； 3) 用所述的加熱爐將所說的金屬基底加熱至900至1050攝氏度； 4) 當(dāng)所述的金屬基底達(dá)到預(yù)定溫度后，用所述的加熱爐將所述的石墨棒加熱至500至 800攝氏度； 5) 當(dāng)所述的石墨棒達(dá)到預(yù)定溫度后，用所述的進(jìn)氣管理系統(tǒng)使載氣以10至lOOOsccm 的流速進(jìn)入所述的氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)室，使反應(yīng)氣以0. 01至lsccm的流速進(jìn)入所述的氣體轉(zhuǎn)換 反應(yīng)室； 6) 所述的反應(yīng)氣經(jīng)過石墨棒還原后，進(jìn)入石墨烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室，在所述的金屬基底 表面沉積生長(zhǎng)石墨烯薄膜； 7) 反應(yīng)結(jié)束后，使金屬基底冷卻至室溫； 8) 所述的金屬基底冷卻至室溫后，使石墨棒冷卻至溫度低于50攝氏度，然后停止反應(yīng) 氣和載氣的供給，打開石墨烯薄膜生長(zhǎng)反應(yīng)室，取出金屬基底，完成石墨烯薄膜的制備。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的金屬基底為銅，鎳，銣，鐵，鋁，鉑，金中的一種或其合金。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的反應(yīng)氣為二氧化碳?xì)?、水蒸氣或氧氣中的一種。10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的載氣為氮?dú)?、氬氣或其它惰性氣體的一種。
【專利摘要】一種制備石墨烯薄膜的化學(xué)氣相沉積設(shè)備，包括：按順序密封串聯(lián)的進(jìn)氣管理系統(tǒng)、氣體轉(zhuǎn)換室、石墨烯薄膜生長(zhǎng)室、真空系統(tǒng)和置于氣體轉(zhuǎn)換室內(nèi)的石墨棒，且石墨棒與氣體轉(zhuǎn)換室的內(nèi)壁的間隙為0.5至2毫米。本發(fā)明通過位于氣體轉(zhuǎn)換室中的石墨棒，在高溫下，先將非易燃易爆氣體如二氧化碳?xì)膺€原成可以生長(zhǎng)石墨烯薄膜的一氧化碳?xì)猓缓笤谑┍∧どL(zhǎng)室在金屬基底上沉積生長(zhǎng)石墨烯薄膜。本發(fā)明使用非易燃易爆氣體作為石墨烯薄膜制備的反應(yīng)氣和載氣，與現(xiàn)有的使用易燃易爆的烴和氫氣作為反應(yīng)氣和載氣制備石墨烯薄膜的方法相比，極大的提高了工藝的安全性，降低了生產(chǎn)成本，并可以規(guī)?；?br>【IPC分類】C01B31/04
【公開號(hào)】CN105399082
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510771488
【發(fā)明人】李雪松
【申請(qǐng)人】李雪松
【公開日】2016年3月16日
【申請(qǐng)日】2015年11月11日