[發明專利]石墨烯復合金屬箔及其雙面生長方法和裝置

有效

• 申請號: 201911035935.2
• 申請日: 2019-10-29
• 公開（公告）號: CN112746262B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 彭海琳;曹風;楊皓;王可心;王雄彪;劉忠范
• 申請（專利權）人: 北京石墨烯研究院;北京大學
• 主分類號: C23C16/26
• 分類號: C23C16/26;C23C16/505;C23C16/54;C01B32/186
• 代理公司: 北京律智知識產權代理有限公司 11438
• 代理人: 司麗琦;于寶慶

本公開提供一種石墨烯復合金屬箔及其雙面生長方法和裝置，該裝置包括化學氣相沉積爐、放卷軸和收卷軸，其中化學氣相沉積爐包括依次連接的等離子體輝光區和加熱生長區；放卷軸和收卷軸分別位于化學氣相沉積爐的兩側，通過放卷軸和收卷軸的轉動，以帶動金屬箔進出化學氣相沉積爐并在其上沉積生長石墨烯；其中等離子體輝光區內設有包括平板的支架，平板的上下區域均包括中空區域，金屬箔平直通過平板表面并懸空于加熱生長區，使金屬箔雙面生長石墨烯。該裝置通過特殊的支架設計，可以在金屬箔材基底上一次制備得到雙面生長的垂直結構石墨烯，生長溫度低，垂直結構石墨烯結構和總厚度可控性高，金屬種類和材質適應性廣，適用于工業化大規模生產。

技術領域

本公開涉及復合材料技術領域，具體涉及一種石墨烯復合金屬箔及其雙面生長方法和裝置。

背景技術

石墨烯被認為是21世紀的明星材料，具有獨特的蜂窩狀結構的二維原子晶體，表現出優異的力學、熱學、光學、電學等性能，同時具有常溫下超高的電子遷移率、最低的電阻率，是目前世界上電阻率最低的材料，在材料、能源等諸多領域具有重要的應用前景。

等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)制備方法是采用射頻等離子體體輔助進行化學氣相沉積反應制備垂直結構石墨烯的方法，結合卷對卷技術可以實現原材料的長時間連續生長。該方法利用等離子體對前驅體分子進行有效裂解，降低了化學反應勢壘，使整個反應體系在較低溫度下實現成膜反應。然而，目前的垂直結構石墨烯復合金屬箔生長仍局限于單面生長法，無法實現高效連續的雙面生長，限制了材料的應用范圍。

需注意的是，前述背景技術部分公開的信息僅用于加強對本公開的背景理解，因此它可以包括不構成對本領域普通技術人員已知的現有技術的信息。

發明內容

本公開的一個主要目的在于克服上述現有技術的至少一種缺陷，提供一種石墨烯復合金屬箔雙面生長的裝置及采用該裝置進行石墨烯復合金屬箔雙面生長的方法，通過特殊的支架設計并結合卷對卷系統，可以一次連續制備任意長度的雙面生長垂直結構石墨烯，方法簡單、成本低，便于推廣至大規模生產。

為了實現上述目的，本公開采用如下技術方案：

本公開提供一種石墨烯復合金屬箔雙面生長的裝置，包括化學氣相沉積爐、放卷軸和收卷軸，其中化學氣相沉積爐包括依次連接的等離子體輝光區和加熱生長區；放卷軸和收卷軸分別位于化學氣相沉積爐的兩側，放卷軸位于等離子體輝光區一側，收卷軸位于加熱生長區一側，通過放卷軸和收卷軸的轉動，以帶動金屬箔進出化學氣相沉積爐并在其上沉積生長石墨烯；其中，等離子體輝光區內設有包括平板的支架，平板的上下區域均包括中空區域，金屬箔平直通過平板表面并懸空于加熱生長區，使金屬箔雙面生長石墨烯。

根據本公開的一個實施方式，支架還包括弧形底座，平板的兩側邊連接于弧形底座并圍出中空部。

根據本公開的一個實施方式，平板固定于化學氣相沉積爐的側壁。

根據本公開的一個實施方式，支架的材料選自石英、石墨和聚四氟乙烯中的一種或多種。

本公開還提供一種石墨烯復合金屬箔的雙面生長方法，采用上述裝置，包括步驟如下：提供一金屬箔；金屬箔通過放卷軸和收卷軸的轉動進入等離子體輝光區并平行通過支架表面進入加熱生長區；及通入碳源氣體并升溫，金屬箔在加熱生長區進行等離子體化學氣相沉積，得到石墨烯復合金屬箔，石墨烯復合金屬箔的上下表面均生長有石墨烯。

根據本公開的一個實施方式，碳源氣體選自甲烷、乙烷和乙炔中的一種或多種，碳源氣體的流量為0.05sccm～100sccm。

根據本公開的一個實施方式，還包括在通入所述碳源氣體的同時，通入惰性氣體于所述化學氣相沉積爐，所述惰性氣體選自氦氣、氬氣、氮氣和氫氣中的一種或多種，所述惰性氣體與所述碳源氣體的流量比為10：1～1：1。