[發明專利]等離子體增強化學氣相沉積制備二維材料的系統及方法

有效

• 申請號: 201711461217.2
• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN108342716B
• 公開（公告）日: 2020-08-18
• 發明（設計）人: 朱宏偉;甄真
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C23C16/513
• 分類號: C23C16/513;C23C16/02;C23C16/26;C23C16/30;C23C16/34;C23C16/44
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

等離子體增強化學氣相沉積制備二維材料的系統及方法，屬于二維材料制備技術領域。所述系統包括真空系統、襯底加熱系統、等離子體增強系統和進氣管路；真空系統含有鍍膜腔室和進樣腔室，在鍍膜腔室和進樣腔室上均分別設有進氣口、出氣口以及多個觀測窗口。本發明旨在利用等離子體輔助促成前驅體反應裂解，并在超高真空下實現對襯底表面和腔體的清潔，在通過特殊設計進氣管路進行前驅體定點供給，從而實現在多種材料表面上制備二維材料。本發明強調環境和表面的超高清潔對于二維材料生長的輔助作用，并以此系統與方法實現二維薄膜材料的生長，取消傳統的轉移過程對材料的破壞以及高溫生長對襯底的局限性。

技術領域

本發明涉及等離子體增強化學氣相沉積制備二維材料的系統及方法，屬于二維材料制備系統及方法領域。

背景技術

隨著2004年英國曼切斯特大學Geim小組成功用機械剝離法分離出單原子層的石墨烯并以此獲得諾貝爾獎以來，二維材料的研究就獲得了廣泛關注。目前二維材料的應用極大地受限于其制備方式，目前所制備的二維材料大多質量低下、產量極低、成本極高且與目前芯片制備技術無法兼容。以石墨烯為例，在當前制備技術條件下，石墨烯質量低下，其電子遷移等特性偏離其本征特性，使得石墨烯無法應用到高性能電子、光電子器件相關的應用中。其最主要原因是目前尚未找到大面積高質量單晶或多晶石墨烯的工業合成方法，使得石墨烯材料一方面性能遠遠不能達到其理論級別，另一方面也無法在成本上占有任何優勢。

在面向著新應用和更低工業化成本的石墨烯制備方式中，在2009年Science上發表的化學氣相沉積法(X.Li,W.Cai,J et al.Science 2009,324,1312)以最高的性價比與穩定性獲得了科研與工業界的肯定，是目前制備大面積高質量石墨烯薄膜最為有效的方法。基于此種方法，很多研究都針對不同的角度進行了方法優化，但都無法從根本上提高石墨烯的質量，解決石墨烯的應用瓶頸。這大都歸因于方法對高溫的需求使得高能耗大大增加了其成本，同時又極大地限制了功能化半導體襯底的使用，因此強制性地引入了刻蝕轉移的工序。過程中石墨烯與襯底較大的膨脹系數差異使得降溫過程中產生缺陷、晶界、褶皺等對石墨烯的劣化，再加上轉移操作過程中所產生的缺陷、破損、褶皺、污染等因素對石墨烯會造成進一步更為嚴重的劣化，最終使得石墨烯性能偏離本征。與此同時，其他二維材料如磷烯、錫烯等單質二維納米晶體以及其他很多二維材料都受制于其制備方式的限制，無法在功能化襯底上直接制備出高質量薄膜材料。

發明內容

基于目前二維材料制備的困難，本發明的目的是提出一種等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)制備二維材料的系統及方法；通過超高真空、等離子體增強以及襯底加熱等方法實現在超高真空下，襯底表面的清潔和前驅體在較低溫度(30℃至600℃)下的分解，最終在多種金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料的表面上生長高質量的單質二維納米晶體、層狀過渡金屬硫屬化合物、層狀金屬鹵化合物、層狀金屬氧化物以及過渡金屬碳/氮化合物。

本發明的技術方案如下：

一種等離子體增強化學氣相沉積制備二維材料的系統，其特征在于：所述系統包括真空系統、襯底加熱系統、等離子體增強系統和進氣管路；所述真空系統包括真空泵、鍍膜腔室和進樣腔室，兩個真空腔室之間通過管路和閥門連接；在鍍膜腔室和進樣腔室上均分別設有進氣口、出氣口以及多個觀測窗口；進樣腔室內部設有襯底推架，襯底推架與磁力傳遞桿連接；在鍍膜腔室內設置襯底加熱系統，襯底加熱系統包括樣品臺，以及分別安裝在樣品臺上方和下方的上加熱器和下加熱器；所述等離子體增強系統含有等離子體發生器；上極板和下極板分別設置在樣品臺的上表面和下表面，并分別通過引線與設置在鍍膜腔室外部的等離子體發生器連接。

上述技術方案中，所述的進氣管路包含前驅體氣體管路、輔助氣體管路、保護氣體管路和混合室；所述的前驅體進氣管路分為兩路，其中一路獨立控制通入真空腔體內部的樣品臺上方，該條氣體管路設有伸縮調節機構；另一路與輔助氣體管路和保護氣體管路經混氣室混合后通入鍍膜腔室。