[發(fā)明專利]一種管式CVD爐用接頭、二維材料及其生長裝置和方法

有效

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• 申請日: 2018-05-30
• 公開（公告）號: CN108707875B
• 公開（公告）日: 2019-09-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳雅蘋;何欽明;吳志明;張純淼;陳嘉俊;康俊勇
• 申請（專利權(quán)）人: 廈門大學
• 主分類號: C23C16/30
• 分類號: C23C16/30;C23C16/448;C23C16/455;C30B25/14;C30B25/18;C30B29/46
• 代理公司: 廈門市首創(chuàng)君合專利事務所有限公司 35204
• 代理人: 張松亭;陳丹艷

本發(fā)明公開了一種二維材料生長裝置及其接頭，以及運用裝置的生長方法和制備的組分可調(diào)二維材料，包括層狀二維材料及其異質(zhì)結(jié)和非層狀二維薄膜材料，進一步包括多元二維材料、組分可調(diào)的二維混晶材料和二維異質(zhì)結(jié)材料，所述異質(zhì)結(jié)包括單層或多層的垂直異質(zhì)結(jié)和側(cè)向異質(zhì)結(jié)。本發(fā)明裝置和方法創(chuàng)造性地在CVD生長設(shè)備上設(shè)計多個可觀察的、可獨立控制加熱溫度和時間、可準確控制蒸發(fā)源材料通斷的蒸發(fā)源加熱腔，從而提高了二維材料組分和異質(zhì)結(jié)界面的可控性，很好地改善了管式CVD爐多溫區(qū)蒸發(fā)源之間溫度的互相影響，解決了二維材料生長過程中元素組分不易調(diào)控和異質(zhì)結(jié)界面互擴散的問題，提高二維材料及其異質(zhì)結(jié)的生長效率和晶體質(zhì)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種管式CVD爐用接頭、二維材料及其生長裝置和方法。

背景技術(shù)

自從2004年Geim團隊首次采用機械剝離法剝離出單層石墨烯以來，石墨烯就引起全球科學家的廣泛研究，石墨烯因其優(yōu)異的電子運輸、導電性能，使得它在光電、能源等諸多領(lǐng)域具有廣泛的運用前景。然而單純的石墨烯缺乏帶隙，呈現(xiàn)金屬、半金屬性，即使通過外加電場、摻雜等方式也僅能打開微小的禁帶，在光電子學方面的應用并無優(yōu)勢。因此，探尋其他新型二維類石墨烯材料一直是二維材料研究領(lǐng)域的一個熱門及前沿的課題。過渡金屬硫族化合物、六方氮化硼、黑磷等一系列同樣具有二維結(jié)構(gòu)的材料開始逐漸進入了人們的視野。這些材料在結(jié)構(gòu)上保持了二維狀態(tài)，具有很好的結(jié)晶性，同時表現(xiàn)出優(yōu)越的電學、光學、磁學等性能，贏得越來越多科研工作者的青睞。

除了二維材料自身的優(yōu)異性能以外，將具有不同性質(zhì)的材料以特定順序人為結(jié)合在一起構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，可實現(xiàn)對新材料性質(zhì)的人工調(diào)控，達成更為復雜的器件功能，諸如場效應晶體管，光電探測器等。由于通常二維材料間的范德瓦斯作用力較弱，相鄰層間不再受晶格匹配限制，且沒有成分過渡，所形成的異質(zhì)結(jié)容易具有原子級陡峭的勢場梯度；此外，超薄厚度及特殊的二維結(jié)構(gòu)使其具有極強的柵極響應能力，以及與傳統(tǒng)微電子加工工藝和柔性基底兼容的特性。目前，人們已成功預測并制備出多種二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并在一定程度上實現(xiàn)對其豐富物理特性的探測和調(diào)控。

雖然二維材料異質(zhì)結(jié)在制備高性能器件等方面有著廣泛的運用前景，但是依然存在一些挑戰(zhàn)。最初二維材料異質(zhì)結(jié)往往是通過機械剝離方法制備，效率低下、樣品尺度較小、厚度可控性差，且樣品在轉(zhuǎn)移過程中存在界面污染等問題，嚴重限制了其在光電器件方面的運用。最近，隨著技術(shù)的發(fā)展，許多科學家為了解決機械剝離法的弊端，采用CVD來制備二維材料及其異質(zhì)結(jié)。目前，科學家們已經(jīng)使用傳統(tǒng)的多溫區(qū)管式CVD爐在SiO₂/Si、藍寶石、云母、金箔等襯底上制備出二維材料異質(zhì)結(jié)。然而傳統(tǒng)使用的多溫區(qū)管式CVD爐存在控溫不準確，而且不同蒸發(fā)源材料在各個溫區(qū)相互影響，組分難以控制。因此，組分可調(diào)二維材料及其異質(zhì)結(jié)的原位生長，為新型二維材料的制備提供了更多選擇和可能性，將顯著提高材料制備和應用的有效性，也是目前二維材料及其異質(zhì)結(jié)科學研究當中存在的一大難點。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供了一種管式CVD爐用接頭、二維材料及其生長裝置和方法，解決了上述背景技術(shù)中CVD生長二維材料元素組分不易調(diào)控、管式CVD爐多溫區(qū)蒸發(fā)源之間溫度互相影響等問題。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案之一是：提供了一種管式CVD爐用接頭，包括主體，所述主體的一端用于進氣，另一端與管式CVD爐連通；所述主體上設(shè)有若干蒸發(fā)源加熱腔及觀察窗；所述蒸發(fā)源加熱腔的底端封閉，用于裝載不同的蒸發(fā)源材料，另一端與主體連接，連接處設(shè)有擋板；所述蒸發(fā)源加熱腔內(nèi)設(shè)有溫控裝置；所述擋板與溫控裝置與管式CVD爐的控制系統(tǒng)電連接，用于獨立控制進氣、加熱溫度和時間；所述觀察窗數(shù)量與蒸發(fā)源加熱腔相匹配。

在本發(fā)明一較佳實施例中，所述主體包括內(nèi)嵌石英管的不銹鋼管，所述蒸發(fā)源加熱腔沿不銹鋼管管體長度方向間隔設(shè)置，所述觀察窗設(shè)置于主體對側(cè)蒸發(fā)源加熱腔的對應位置。

本發(fā)明還提供了一種二維材料生長裝置，包括依次連接的混合氣箱、上述的管式CVD爐用接頭、管式CVD爐和出氣通道。