[發明專利]CVD生長多層異質結的方法和裝置

有效

• 申請號: 201710440556.6
• 申請日: 2017-06-12
• 公開（公告）號: CN107164739B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發明（設計）人: 郭國平;楊暉;李海歐;曹剛;肖明;郭光燦
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: C23C16/26
• 分類號: C23C16/26;C23C16/34;C23C16/44
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 李博

本發明提供了一種CVD生長多層異質結的方法和裝置。本發明首先利用CVD裝置在銅箔上生長出六方氮化硼薄膜，然后通過CVD裝置內的傳動裝置，將新銅箔移動到高溫生長區催化碳源生長石墨烯薄膜。重復以上過程，得到任意多層氮化硼/石墨烯的異質結。

技術領域

本發明涉及納米材料制備與化學設備技術領域，尤其涉及一種多層二維材料異質結的制備方法及裝置。

背景技術

石墨烯作為近年來最火的二維材料，對于它的研究從它被成功剝離出來已經持續了十余年。石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，它具有很多優良的特性，比如超高的電子遷移率，超高的抗拉強度和彈性模量，超高的電熱性能，以及近似透明。但是近年來的研究發現，對于單一的石墨烯材料，其應用范圍太窄，如果能將其與別的材料復合，將會出現很多新奇的現象。

六方氮化硼作為“白石墨烯”，近年來受到了很多研究小組的關注。它具有類似石墨烯的層狀結構，但是是一種絕緣材料，其能帶寬度達到5.9eV。由于其沒有懸掛鍵且二維層狀材料具有原子尺度平滑的特性，使得它成為了石墨烯器件非常理想的襯底。

將石墨烯與六方氮化硼生長在一起成為異質結，目前還有許多困難，制備方法目前還是CVD(化學氣相沉積)為主。但是由于生長這兩種二維材料都需要合適的催化劑(銅，鎳等金屬)作為生長基底來降低生長溫度，所以催化劑對于生長至關重要。但是在生長完第一層材料之后，基底就被材料覆蓋，從而失去了催化作用，這使得生長第二層異質結材料時非常困難。

發明內容

有鑒于此，本發明第一方面提供一種用于制備多層二維材料異質結的裝置，所述裝置包括：

1)CVD生長腔室，所述腔室底部載有基底銅箔，基底銅箔上方設有加熱裝置，從而在基底銅箔和加熱裝置之間形成高溫生長區；

2)傳動裝置，所述傳動裝置設置在所述CVD生長腔室內，所述傳動裝置包括步進電機和傳送帶，所述傳送帶表面包裹有銅箔；

其中，所述傳送帶與所述步進電機通過連接機構連接，包裹有銅箔的傳送帶穿過所述高溫生長區。

在優選的實施方案中，所述傳送帶在步進電機的控制下旋轉，且旋轉速度可控。

在優選的實施方案中，所述銅箔厚度均為15-40μm，優選25μm。

在優選的實施方案中，在所述高溫生長區中，所述傳送帶與所述基底銅箔垂直距離為2-10mm，優選5mm。

在優選的實施方案中，所述傳送帶為圓環狀。

本發明的裝置還包括用于通入生長六方氮化硼所需的前驅體和生長石墨烯所需的碳源的入口。

本發明的第二個方面提供一種多層二維材料異質結的制備方法，主要包括以下步驟：

1)將基底銅箔載入到CVD生長腔室，升溫到生長溫度；

2)向CVD生長腔室通入生長六方氮化硼所需的前驅體，沉積到整個銅箔表面生長六方氮化硼薄膜；

3)停止向CVD生長腔室通入生長六方氮化硼所需的前驅體，利用傳動裝置將新銅箔緩慢移入到高溫生長區，使其正對步驟2)生長的六方氮化硼薄膜；

4)向CVD生長腔室通入生長石墨烯所需的碳源，沉積到石墨烯覆蓋整個六方氮化硼薄膜表面；

5)停止向CVD生長腔室供應生長石墨烯所需的碳源，同時供應生長六方氮化硼所需的前驅體，通過傳動裝置將新銅箔引入到高溫生長區域，在石墨烯表面形成六方氮化硼薄膜；

6)重復步驟2)至步驟5)，得到多層六方氮化硼/石墨烯/六方氮化硼異質結。

在優選的實施方案中，所述CVD生長腔室為真空，優選為高真空。