基于PECVD的增强型石墨烯薄膜镀膜设备及方法与流程

文档序号:11193400
基于PECVD的增强型石墨烯薄膜镀膜设备及方法与流程

本发明涉及柔性基材镀膜技术领域,特别涉及一种基于PECVD的增强型石墨烯薄膜镀膜设备及方法。



背景技术:

石墨烯是由单层碳原子构成的平面六角形蜂窝状二维晶体,是构成其它碳材料的基本单元。特殊的二维结构使石墨烯具备优良的机械强度,硬度和抗拉强度极高;并且具有很高的迁移率,理论上可达到200000cm2V-1s-1;也具有良好的导电性、导热性和高透光性。以上石墨烯的优良性能使其在微电子器件、“绿色”储能器件、航空器件等领域有广泛的应用前景。

但经研究发现,二维结构的石墨烯容易发生团聚,降低了其比表面积,因此限制了其实际应用。为此,中国科学院化学研究所的刘云圻等人提出利用化学气相沉积的方法在金属泡沫衬底上实现石墨烯的三维结构,将金属泡沫衬底刻蚀后得到的石墨烯泡沫具有优秀的导电能力和巨大的比表面积。

目前,化学气相沉积法制备石墨烯薄膜的技术已经比较成熟,可实现低成本、大面积的生产。然而,在实际生产过程中,当进行大面积镀膜时,其镀膜均匀性仍是较为突出的问题,同时,等离子体的密度远远不够,而镀膜均匀性和等离子体的密度直接影响着产品质量,因此解决该问题具有重大的意义。另外,当在泡沫镍基材上应用该方法进行镀制石墨烯时,由于泡沫镍基材表面较为光滑,在生产线上传送时容易产生偏离或移位,不利于镀膜工艺的正常进行。



技术实现要素:

本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于PECVD(等离子增强化学气相沉积法)的增强型石墨烯镀膜设备,该设备可有效提高等离子体密度、泡沫镍基材表面的镀膜均匀性和膜层纯度,从而提高产品质量。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述设备实现的基于PECVD的增强型石墨烯镀膜方法。

本发明的技术方案为:一种基于PECVD的增强型石墨烯薄膜镀膜设备,包括多个真空室和基材输送机构,基材输送机构贯穿于多个真空室中;沿泡沫镍基材的输送方向,多个真空室包括依次连接的放卷室、多个镀膜室和收卷室;

每个镀膜室中,泡沫镍基材的上下两侧分别设有射频放电板和等离子体磁控增强装置;

等离子体磁控增强装置包括磁座体、磁场本体、石墨板块、外圈磁体和中间磁体,磁座体为顶部开口的箱体状结构,磁场本体设于磁座体顶部并覆盖于磁座体的顶部开口处,磁场本体顶面覆盖石墨板块,磁座体内靠近磁座体四周侧壁处设有外圈磁体,磁座体内中部设有中间磁体,外圈磁体的磁场方向与中间磁体的磁场方向相反。

射频放电板进行放电时,等离子体磁控增强装置可在射频放电板下方形成闭环回路磁场,电子在闭环磁场的作用下,在磁场范围内做高速的螺旋旋转运动,电子与粒子碰撞的机会增加,气体分子电离成离子的机会也增加,从而增大等离子体密度,使等离子气体的化学反应速度增大,沉积的膜层厚度也大大增加,可达到传统镀膜设备所制得膜厚的4~8倍。同时,泡沫镍基材在经过等离子体磁控增强装置时,电子、离子集体在磁场范围内,高密度的等离子体轰击泡沫镍基材,使泡沫镍基材表面温度快速上升,可使泡沫镍基材表面温度上升至600℃以上,增强了石墨烯成膜条件,提高了石墨烯成膜的速度。

其中,磁场本体表面覆盖石墨材料组成的石墨板块,离子体在放电过程中在板上溅射出来的还是石墨纳米材料,不影响石墨烯膜层的生成纯度;泡沫镍基材表面温度的快速上升可减小泡沫镍基材的加热功率,对石墨烯的成膜更加有利。

所述外圈磁体靠近磁场本体的一端为S极,中间磁体靠近磁场本体的一端为N极。

所述磁座体上设有冷却流道,磁座体底部设有进水接头和出水接头,进水接头和出水接头分别与冷却流道连接。由于磁座体在工作过程中温升较高,所以通过设置冷却流道,可对磁座体进行实时冷却,保证设备的正常运行。

所述射频放电板包括放电板、放电板座和放电板气室,放电板设于放电板座底部,放电板底座朝向放电板的一面带有凹槽,凹槽处形成放电板气室,放电板气室上设有工作气体接头;放电板上均匀分布有若干扩张孔,各扩张孔与放电板气室连通;各扩张孔呈放射状结构,扩张孔与放电板气室连接端的直径小于扩张孔朝向泡沫镍基材一端的直径。

射频放电板接通射频电源后,产生等离子体辉光放电,这时工作气体从工作气体接头进入放电板气室,使放电板气室内的气体产生一定的压力,然后从各扩张孔喷出,并且以一定的扩散角度向外扩散,喷出的气体通过射频电源电离并进行镀膜,扩散孔的均匀设计可使镀膜面形成较均匀的膜层。

所述放电板与放电板座的接触面上设有冷却水套,冷水水套的进口端和出口端分别设有冷却水接咀。由于放电板工作过程中温升较高,所以通过设置冷却水套,可对放电板进行实时冷却,保证设备的正常运行。

所述放电板座的顶部与镀膜室的内壁相接,且放电板座与镀膜室的相接处设有放电板绝缘板;放电板座的四周外侧设有侧护板,且放电板座与侧护板的相接处设有侧绝缘板。

所述基材输送机构包括放卷辊、多个导辊和收卷辊,放卷辊设于放卷室内,收卷辊设于收卷室内,放卷辊和收卷辊之间设置多个导辊;多个导辊中,位于镀膜室中等离子体磁控增强装置上方的导辊为陶瓷托辊。

所述基材输送机构上还设有纠偏装置,沿泡沫镍基材的输送方向,纠偏装置设收卷辊的入口端。根据镀膜工艺的实际需要,也可在放卷辊的输出端也设置纠偏装置;由于泡沫镍基材是孔洞状或网格状的卷材,收卷或放卷过程中不能强力拉伸,否则容易产生变形,因此尤其是在收卷过程中,其张力是很小的,这样在传送过程中泡沫镍基材就容易左右摆动而产生偏移,致使收卷不整齐。

纠偏装置包括压紧辊、传动辊、压紧辊升降机构和传动辊驱动机构和辊组移动机构;压紧辊和传动辊分别设于泡沫镍基材的上下两侧,压紧辊的一侧设有压紧辊升降机构,压紧辊和传动辊位于同一端的端部设有辊组移动机构,传动辊的另一端设有传动辊驱动机构。

所述压紧辊升降机构包括气缸、气缸压紧臂、压紧密封座、压紧辊驱动轴和压紧辊连接臂,气缸的输出端设置气缸压紧臂,气缸压紧臂的末端通过压紧密封座与压紧辊驱动轴的一端连接,压紧辊驱动轴的两端分别设置压紧辊连接臂,每个压紧辊连接臂各与压紧辊的一端连接;

传动辊驱动机构包括传动驱动电机、传动减速器、传动密封座和传动连接套,传动驱动电机的输出端与减速器连接,减速器的输出端设置传动密封座,传动密封座通过传动连接套与传动辊连接;

辊组移动机构包括平移轴驱动电机、平移减速器、平移密封座、平移轴、平移螺母和连接支架,压紧辊和传动辊位于同一端的端部分别与连接支架连接,连接支架一侧设置平移螺母,平移螺母与平移轴的一端螺纹连接,平移轴的另一端通过平移密封座与平移减速器连接,平移减速器设于平移轴驱动电机的输出端。

需要纠偏时,压紧辊升降机构中,气缸通过气缸压紧臂下压压紧辊驱动轴,使其沿压紧辊的外周方向产生转动,压紧辊驱动轴带动其两端的压紧辊连接臂产生摆动,压紧辊连接臂带动压紧辊上升,从而放松对泡沫镍基材的压紧;然后在辊组移动机构中,平移轴驱动电机驱动平移轴旋转,通过螺纹连接带动平移螺母产生平移,平移螺母通过连接支架带动压紧辊和传动辊产生平移;最后各机构复位,从而实现纠偏动作。该过程中,传动辊驱动机构中的传动辊驱动电机带动传动辊持续对泡沫镍基材进行输送。

本发明通过上述设备可实现一种基于PECVD的增强型石墨烯薄膜镀膜方法,包括以下步骤:

(1)放卷室中放出泡沫镍基材,由基材输送机构依次送入各个镀膜室中;

(2)在各镀膜室中,开启射频放电板进行放电,产生等离子体,等离子体磁控增强装置在射频放电板下方形成一个闭环回路磁场,等离子体在磁场作用下进行螺旋旋转运动,从而增大等离子体密度,在泡沫镍基材表面沉积膜层;

(3)由多个镀膜室依次完成镀膜后,泡沫镍基材送入收卷室中进行收卷。

本发明相对于现有技术,具有以下有益效果:

本基于PECVD的增强型石墨烯薄膜镀膜设备中,各镀膜室内通过在泡沫镍基材的上下两侧设置射频放电板和等离子体磁控增强装置,利用等离子体磁控增强装置在射频放电板下方形成闭环回路磁场,电子在闭环磁场的作用下,在磁场范围内做高速的螺旋旋转运动,电子与粒子碰撞的机会增加,气体分子电离成离子的机会也增加,从而增大等离子体密度,使等离子气体的化学反应速度增大,沉积的膜层厚度也大大增加,可达到传统镀膜设备所制得膜厚的4~8倍。同时,泡沫镍基材在经过等离子体磁控增强装置时,电子、离子集体在磁场范围内,高密度的等离子体轰击泡沫镍基材,使泡沫镍基材表面温度快速上升,可使泡沫镍基材表面温度上升至600℃以上,增强了石墨烯成膜条件,提高了石墨烯成膜的速度。

本基于PECVD的增强型石墨烯薄膜镀膜设备中,通过在射频放电板上设置放电板气室和呈放射状的扩张孔,使射频放电板接通射频电源后,产生等离子体辉光放电,这时工作气体从工作气体接头进入放电板气室,使放电板气室内的气体产生一定的压力,然后从各扩张孔喷出,并且以一定的扩散角度向外扩散,喷出的气体通过射频电源电离并进行镀膜,扩散孔的均匀设计可使镀膜面形成较均匀的膜层,从而提高膜层的均匀性。

本基于PECVD的增强型石墨烯薄膜镀膜设备中,在基材输送机构中增设纠偏装置,且纠偏机构的安装位置及安装数量可根据工艺需要灵活安装,可实时控制泡沫镍基材的传送方向,防止跑偏现象,保证柔性基材的平稳传送;也有效防止泡沫镍基材在输送过程中被拉伸变形,降低损坏几率。

本基于PECVD的增强型石墨烯薄膜镀膜设备中,真空室包含有多个镀膜室,可根据镀膜工艺的需求任意控制膜层厚度,使用灵活而方便,生产效率较高。

附图说明

图1为本增强型石墨烯薄膜镀膜设备的整体结构示意图。

图2为单个镀膜室中等离子体磁控增强装置的结构示意图。

图3为图2中A方向上外圈磁体和中间磁体的分布图。

图4为单个镀膜室中射频放电板的结构示意图。

图5为图4中B方向上放电板的结构示意图。

图6为纠偏装置的结构示意图。

图7为图6中C方向上气缸下压使压紧辊驱动轴转动至与压紧辊相平后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例,对本发明作进一步的详细说明,但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例一种基于PECVD的增强型石墨烯薄膜镀膜设备,如图1所示,包括多个真空室和基材输送机构,基材输送机构贯穿于多个真空室中;沿泡沫镍基材的输送方向,多个真空室包括依次连接的放卷室1、多个镀膜室2(本实施例中为五个)和收卷室3;每个镀膜室中,泡沫镍基材6的上下两侧分别设有射频放电板4和等离子体磁控增强装置5。

如图2或图3所示,等离子体磁控增强装置包括磁座体7、磁场本体8、石墨板块9、外圈磁体10和中间磁体11,磁座体为顶部开口的箱体状结构,磁场本体设于磁座体顶部并覆盖于磁座体的顶部开口处,磁场本体顶面覆盖石墨板块,磁座体内靠近磁座体四周侧壁处设有外圈磁体,磁座体内中部设有中间磁体,外圈磁体的磁场方向与中间磁体的磁场方向相反。外圈磁体靠近磁场本体的一端为S极,中间磁体靠近磁场本体的一端为N极。磁座体上设有冷却流道(图中未示出),磁座体底部设有进水接头12和出水接头13,进水接头和出水接头分别与冷却流道连接。磁座体底部与镀膜室的内壁相连接,且连接处设有第一密封圈14,磁场本体与磁座体的连接处也设有第一密封圈14。

射频放电板进行放电时,等离子体磁控增强装置可在射频放电板下方形成闭环回路磁场,电子在闭环磁场的作用下,在磁场范围内做高速的螺旋旋转运动,电子与粒子碰撞的机会增加,气体分子电离成离子的机会也增加,从而增大等离子体密度,使等离子气体的化学反应速度增大,沉积的膜层厚度也大大增加,可达到传统镀膜设备所制得膜厚的4~8倍。同时,泡沫镍基材在经过等离子体磁控增强装置时,电子、离子集体在磁场范围内,高密度的等离子体轰击泡沫镍基材,使泡沫镍基材表面温度快速上升,可使泡沫镍基材表面温度上升至600℃以上,增强了石墨烯成膜条件,提高了石墨烯成膜的速度。其中,磁场本体表面覆盖石墨材料组成的石墨板块,离子体在放电过程中在板上溅射出来的还是石墨纳米材料,不影响石墨烯膜层的生成纯度;泡沫镍基材表面温度的快速上升可减小泡沫镍基材的加热功率,对石墨烯的成膜更加有利。另外,由于磁座体在工作过程中温升较高,所以通过设置冷却流道,可对磁座体进行实时冷却,保证设备的正常运行。

如图4或图5所示,射频放电板包括放电板15、放电板座16和放电板气室17,放电板设于放电板座底部,放电板底座朝向放电板的一面带有凹槽,凹槽处形成放电板气室,放电板气室上设有工作气体接头18;放电板上均匀分布有若干扩张孔19,各扩张孔与放电板气室连通;各扩张孔呈放射状结构,扩张孔与放电板气室连接端的直径小于扩张孔朝向泡沫镍基材一端的直径。放电板与放电板座的接触面上设有冷却水套20,冷水水套的进口端和出口端分别设有冷却水接咀21。放电板座的顶部与镀膜室的内壁相接,且相接处设有第二密封圈22,另外,放电板座与镀膜室的相接处设有放电板绝缘板23;放电板座的四周外侧设有侧护板24,且放电板座与侧护板的相接处设有侧绝缘板25。

射频放电板接通射频电源后,产生等离子体辉光放电,这时工作气体从工作气体接头进入放电板气室,使放电板气室内的气体产生一定的压力,然后从各扩张孔喷出,并且以一定的扩散角度向外扩散,喷出的气体通过射频电源电离并进行镀膜,扩散孔的均匀设计可使镀膜面形成较均匀的膜层。另外,由于放电板工作过程中温升较高,所以通过设置冷却水套,可对放电板进行实时冷却,保证设备的正常运行。

如图1所示,基材输送机构包括放卷辊26、多个导辊27和收卷辊28,放卷辊设于放卷室内,收卷辊设于收卷室内,放卷辊和收卷辊之间设置多个导辊;如图2所示,多个导辊中,位于镀膜室中等离子体磁控增强装置上方的导辊为陶瓷托辊29。

基材输送机构上还设有纠偏装置,沿泡沫镍基材的输送方向,纠偏装置设收卷辊的入口端。根据镀膜工艺的实际需要,也可在放卷辊的输出端也设置纠偏装置;由于泡沫镍基材是孔洞状或网格状的卷材,收卷或放卷过程中不能强力拉伸,否则容易产生变形,因此尤其是在收卷过程中,其张力是很小的,这样在传送过程中泡沫镍基材就容易左右摆动而产生偏移,致使收卷不整齐。

如图6或图7所示,纠偏装置包括压紧辊30、传动辊31、压紧辊升降机构和传动辊驱动机构和辊组移动机构;压紧辊和传动辊分别设于泡沫镍基材的上下两侧,压紧辊的一侧设有压紧辊升降机构,压紧辊和传动辊位于同一端的端部设有辊组移动机构,传动辊的另一端设有传动辊驱动机构。

压紧辊升降机构包括气缸32、气缸压紧臂33、压紧密封座34、压紧辊驱动轴35和压紧辊连接臂36,气缸的输出端设置气缸压紧臂,气缸压紧臂的末端通过压紧密封座与压紧辊驱动轴的一端连接,压紧辊驱动轴的两端分别设置压紧辊连接臂,每个压紧辊连接臂各与压紧辊的一端连接;

传动辊驱动机构包括传动驱动电机37、传动减速器38、传动密封座39和传动连接套40,传动驱动电机的输出端与减速器连接,减速器的输出端设置传动密封座,传动密封座通过传动连接套与传动辊连接;

辊组移动机构包括平移轴驱动电机41、平移减速器42、平移密封座43、平移轴44、平移螺母45和连接支架46,压紧辊和传动辊位于同一端的端部分别与连接支架连接,连接支架一侧设置平移螺母,平移螺母与平移轴的一端螺纹连接,平移轴的另一端通过平移密封座与平移减速器连接,平移减速器设于平移轴驱动电机的输出端。

需要纠偏时,压紧辊升降机构中,气缸通过气缸压紧臂下压压紧辊驱动轴,使其沿压紧辊的外周方向产生转动,压紧辊驱动轴带动其两端的压紧辊连接臂产生摆动,压紧辊连接臂带动压紧辊上升,从而放松对泡沫镍基材的压紧;然后在辊组移动机构中,平移轴驱动电机驱动平移轴旋转,通过螺纹连接带动平移螺母产生平移,平移螺母通过连接支架带动压紧辊和传动辊产生平移;最后各机构复位,从而实现纠偏动作。该过程中,传动辊驱动机构中的传动辊驱动电机带动传动辊持续对泡沫镍基材进行输送。

本实施例通过上述设备可实现一种基于PECVD的增强型石墨烯薄膜镀膜方法,包括以下步骤:

(1)放卷室中放出泡沫镍基材,由基材输送机构依次送入各个镀膜室中;

(2)在各镀膜室中,开启射频放电板进行放电,产生等离子体,等离子体磁控增强装置在射频放电板下方形成一个闭环回路磁场,等离子体在磁场作用下进行螺旋旋转运动,从而增大等离子体密度,在泡沫镍基材表面沉积膜层;

(3)由多个镀膜室依次完成镀膜后,泡沫镍基材送入收卷室中进行收卷。

如上所述,便可较好地实现本发明,上述实施例仅为本发明的较佳实施例,并非用来限定本发明的实施范围;即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰,都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

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