[發明專利]一種制備二維納米薄膜的設備

有效

• 申請號: 201210201571.2
• 申請日: 2012-06-18
• 公開（公告）號: CN102732834A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 徐明生;陳紅征;王秋來;黃文符
• 申請（專利權）人: 徐明生;陳紅征;王秋來;黃文符
• 主分類號: C23C14/22
• 分類號: C23C14/22;C23C16/44;C23C14/56;C23C16/54;B82Y40/00
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司 33100
• 代理人: 劉曉春

技術領域

本發明涉及一種制備新材料的裝置，特別是涉及一種連續制備石墨烯、金屬硫族化合物、硅烯、鍺烯、氮化硼等新型二維納米薄膜的裝置。

背景技術

石墨烯具有卓越的二維電學、光學、熱學、力學性能以及化學穩定性,石墨烯在超快光電子器件、潔凈能源、傳感器等方面具有廣泛的應用前景。電子在石墨烯中傳輸速度是硅的150倍，IBM等著名公司已經制備速度可達太赫茲的超快速光電子器件，美國加州大學利用石墨烯研制成光學調制解調器，有望將網速提高1萬倍；全球每年半導體晶硅的需求量在2500噸左右，石墨烯如果替代十分之一的晶硅制成高端集成電路如射頻電路，市場容量至少在5000億元以上。因為石墨烯只有2.3%的光吸收，這使石墨烯可用于制備光電子器件如顯示器件、太陽能電池、觸摸面板等的柔性透明電極，從而取代成本昂貴、資源稀少、不可自由折疊的由銦為主要成分的ITO透明導電膜。據報道，2011年全球ITO透明導電膜的需求量在8500萬-9500萬片，這樣，石墨烯替代ITO透明導電膜的發展空間巨大。由于石墨烯獨特的電子傳輸特性，作為傳感器，它具有單分子的敏感性。經過近幾年的快速發展，石墨烯產品已經出現在觸摸屏應用上。因此，石墨烯良好的商業價值和廣闊的市場已經展現曙光，石墨烯材料的產業化將是對材料、信息、能源工業的一次革命性變革！

除了石墨烯外，類石墨烯的新型二維納米薄膜也具有其獨特的光電子性能，具有廣泛的應用前景。類石墨烯的新型二維納米薄膜包括層狀的金屬硫族化合物(metal?chalcogenides)、氮化硼(boron?nitride)、硅烯(silicene)、鍺烯(germanene)或元素周期表中第四主族的其它元素構成的類石墨烯薄膜等。

化學氣相沉積法(CVD)以及碳偏析(surface?segregation)法是目前大面積制備石墨烯等二維納米薄膜的技術方法，采用這兩種方法制備二維納米薄膜的設備基本上都是石英管式爐[Science?324,1312-1314(2009);Nature?Nanotechnology?5,574(2010);Nano?Lett.11,297-303(2011)]。但是石英管式爐僅具備在已有金屬催化層上合成二維納米薄膜的單一功能，不能實現對襯底材料的表面處理、在襯底上制備合成二維納米所需的催化層、二維納米薄膜合成的準連續過程。并且，采用石英管式爐合成的二維納米薄膜存在結構缺陷，導致電子傳輸性能較差，石英管式爐已經嚴重制約了二維納米薄膜如石墨烯薄膜的應用。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種能夠大面積制備新型二維納米薄膜的設備，該設備具有結構簡單、操作簡單、安全性好等特點；能夠連續地完成制備二維納米薄膜所需的各工藝步驟，包括對合成二維納米薄膜所需的襯底/催化層進行預處理、制備催化層、合成二維納米薄膜等。采用該設備制備二維納米薄膜的工藝簡單、成本較低，制備出的薄膜具有優良的結構和性能。

本發明采用的技術方案如下：

一種制備二維納米薄膜的設備，包括進料腔室，化學氣相沉積腔室，物理氣相沉積腔室和樣品傳遞裝置；

所述物理氣相沉積腔室、進料腔室和化學氣相沉積腔室的排列順序可根據制備工藝的不同進行排列組合，可以是物理氣相沉積腔室、進料腔室和化學氣相沉積腔室依次排列；或者進料腔室、物理氣相沉積腔室和化學氣相沉積腔室依次排列；或者進料腔室、化學氣相沉積腔室和物理氣相沉積腔室依次排列。

所述的進料腔室、化學氣相沉積腔室、物理氣相沉積腔室各腔室之間分別設有閥門，進料腔室設有與大氣相通的閥門。

作為優選，物理氣相沉積腔室設有與大氣相通的閥門，以便在不影響其它腔室的情況下可以開啟而取放樣品。

作為優選，化學氣相沉積腔室設有與大氣相通的閥門，以便在不影響其它腔室的情況下可以開啟而取放樣品。

所述的制備二維納米薄膜的設備設有樣品傳遞裝置，所述的樣品傳遞裝置是通過動力驅動的方式將樣品從一個腔室的樣品架中取下越過閥門傳遞到另一個腔室的樣品架上；作為優選，為了方便樣品的交接或取放，所述的樣品傳遞裝置還可以設有機械手。樣品傳遞的方式主要包括：1）通過磁力將外部動力傳遞到腔室內使之轉化為直線、旋轉等運動方式；2）依靠動密封（主要是O形圈、填料、磁流體等）的形式將動力直接傳遞到腔室內；3）依靠金屬波紋管而采用的機械方式等。

所述的化學氣相沉積腔室設有加熱裝置和一個或二個以上的氣體連接口；加熱裝置具有對樣品進行加熱處理的功能，包括電阻加熱裝置、紅外加熱裝置和激光加熱裝置等，可以使樣品的溫度控制在20~2000°C。