用于在磁场中制造石墨烯的系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本非临时申请是2014年5月12日提交的非临时申请号14/275，267的部分继续申请，上述申请是2014年5月13日发布的美国专利8，721，843的部分继续申请，美国专利8，721，843权利要求由fullerton等人于2010年10月15日提交的名称为“制造石墨烯的系统和方法”的临时申请号61/455，211的35usc119(e)下的权益。

本非临时申请要求fullerton等人于2014年7月17日提交的名称为“在磁场中制造石墨烯的系统”的临时申请号62/025，691的35usc119(e)下的权益。

这些申请的全部内容在此通过引用并入本文。

发明领域

本发明概括地涉及一种用于生成连续的石墨烯膜的系统。更具体地，本发明涉及使用连续制备网的方法制造石墨烯的系统，由此通过碳原子源的电离作用生成的均匀等离子体分布以所需速率产生碳原子的辉光放电，从而使得悬浮在磁场上方的石墨烯膜连续生长。

发明背景

目前用于制造石墨烯膜的系统和方法，如使用胶带以从石墨中移出石墨烯层，通常是特定的且不可控的。因此，期望有用于商业目的制造足够质量和数量的石墨烯的改进系统和方法。

技术实现要素：

本发明是通过在磁场上方产生石墨烯时悬浮石墨烯来生成石墨烯的改进系统。根据本发明的一个实施方案，用于在磁场中生成石墨烯的系统包括：用于产生多个离子化碳原子的等离子体发生器，所述多个离子化碳原子以碳原子云离开所述等离子体发生器；用于在碳原子云离开所述等离子体发生器时接收所述碳原子云并且用于由多个离子化碳原子生成石墨烯膜的石墨烯生成室，所述石墨烯生成室具有磁性结构，所述磁性结构包括交替极性磁源的二维阵列，所述磁源产生具有足以使所述石墨烯膜悬浮在所述磁性结构上方的磁场梯度，所述磁性结构从生长部分延伸到回收部分；以及石墨烯种子源，用于将石墨烯种子提供到所述石墨烯生成室的生长部分内的磁场上方的初始位置，在所述磁场上方生成所述石墨烯膜，使得由于所述石墨烯膜是抗磁性的，所述石墨烯膜悬浮在所述磁场上方，所述碳原子云使所述悬浮的石墨烯膜从初始位置连续生长，设置所述石墨烯生成室，使得所述悬浮的石墨烯膜移动离开所述初始位置并且通过所述石墨烯生成室，直到其作为回收的石墨烯产物离开所述石墨烯生成室的回收部分。

所述系统可以包括碳原子源，其中所述碳原子源可以包括甲烷、二氧化碳或一氧化碳中的至少一种。所述碳原子源的化学式可以仅具有一个碳原子。

所述系统可以包括惰性气体，其中所述惰性气体可以包括氦气、氩气、氪气、氖气或氙气中的至少一种。

所述系统可以包括电离能源，其中所述电离能源可以包括射频源或高压源之一，其中所述射频源可以是微波信号。

所述系统可以包括至少一个控制系统，用于控制所述碳原子源与所述惰性气体的比例、控制绝对压力，以及控制由所述电离能源产生的等离子体的能量密度，以控制辉光放电和等离子体的分布，所述辉光放电产生多个离子化碳原子。可以控制绝对压力以获得分子碰撞之间的平均自由路径，以产生辉光放电和等离子体的均匀分布。

所述磁性结构可以是永磁材料，其中所述永磁材料可以被磁化，使得所述磁场的磁场强度在所述石墨烯种子的初始位置附近最强，并且所述磁场的磁场强度逐渐变弱，直到它在所述石墨烯生成室的回收部分的端部附近最弱。

所述磁性结构可以包括电磁体或电永磁体之一。

所述系统可以包括用于修整所述石墨烯膜的至少一个激光器。

所述系统可以包括在所述石墨烯上方的第二个磁性结构。

所述系统可以被设置为使得沿着其长度的磁场的外边缘呈现出比磁场的中心部分更强的磁场强度。

所述系统可以包括势垒磁场源。

所述系统可以包括在所述石墨烯生成室的生长部分和回收部分之间的加工部分，用于加工所述石墨烯膜，其中加工可以包括下述中的一种：激光绘制导电迹线、使用立体光刻施加其它原子、活化碳或混合杂质。

附图说明

参照附图描述本发明。在附图中，相同的附图标记表示相同或功能相似的元件。另外，附图标记的最左边的数字标识附图标记首次出现的附图。

图1a描绘了示例性石墨烯制造系统；

图1b描绘了另一个示例性石墨烯制造系统；

图2a描绘了横跨示例性碗形磁性结构的宽度的横截面；

图2b描绘了横跨磁性结构的示例性碗形磁场的宽度的横截面；

图2c描绘了示例性磁性结构的长度的侧视图，所述磁性结构具有随着石墨烯膜移动通过石墨烯生成室而减小的斜度；

图2d和2e描绘了类似于具有示例性势垒磁场的图2c的示例性磁性结构；

图3a描绘了示例性石墨烯种子；

图3b描绘了从引入种子的位置生长石墨烯膜的顶视图，其中所述石墨烯膜移动远离该位置并悬浮在石墨烯生成室的磁性结构的上方；

图4描绘了根据本发明的示例性方法；和

图5描绘了根据本发明的示例性磁性结构。

具体实施方式

现在将参照附图更详细地描述本发明，其中示出了本发明的优选的实施方案。然而，不应将本发明理解为限于本文所阐述的实施方案；而是提供它们，使得本公开内容将是彻底的和完整的，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。

本发明提供了通过从磁性结构上方的离子化碳原子生成石墨烯使得所生成的石墨烯悬浮在所述磁性结构上方而从离子化碳原子源制造石墨烯的改进的系统和方法。

图1a描绘了包括等离子体生成室102和石墨烯生成室104的示例性石墨烯制造系统100。所述等离子体生成室102可以是所谓的热等离子体生成室、所谓的冷等离子体生成室或者在任何所需温度下产生等离子体的等离子体生成室。所述石墨烯生成室104可以具有多个子室，包括生长部分104a、一个或多个可选的加工部分104b和至少一个回收部分104c。将碳原子源106例如甲烷(ch4)、惰性气体107如氦气、氩气、氪气、氖气或氙气和电离能源108例如射频(rf)或高压(hv)源提供给所述等离子体生成室102，由此使用压力控制系统110(例如真空泵)产生以获得分子之间碰撞的平均自由路径所必需的等离子体生成室102内的绝对压力，其足以在等离子体生成室102内产生辉光放电和均匀的等离子体分布。离开所述等离子体生成室102的所得碳原子云114使石墨烯膜116从石墨烯种子118的位置连续生成，所述石墨烯种子118由石墨烯种子源132提供并引入到所述石墨烯生成室104内。连续生长的抗磁性石墨烯膜116悬浮在磁性结构112上方并移动通过石墨烯生成室，直到其作为回收的石墨烯产物例如一卷石墨烯120离开所述石墨烯生成室104。

本领域技术人员将认识到，许多不同类型的碳原子源可以与本发明一起使用，如ch4、co2、co等。在优选的实施方案中，所述碳原子源将仅具有一个碳原子以简化原子的剥离。本领域技术人员还将认识到，可以使用各种电离能源，例如2.4ghz(微波)信号。此外，本领域技术人员认识到，可以使用各种石墨烯种子源，如高度有序的热解石墨(hopg)源，其中可以采用各种类型的自动的、半自动的或手动的方法中的任何一种，以在所述石墨烯生成室104中的所需位置由石墨烯种子源132提供石墨烯种子118。

如图1a所示，由于用来制造石墨烯卷120的滚动方法，所述石墨烯膜116可以被拉下所述石墨烯生成室104，由此控制系统(未示出)控制石墨烯卷120的滚动速率，以对应于所述石墨烯膜116的生长速率。所述控制系统还通过控制碳原子源106与惰性气体107的比例、室102内的绝对压力和由所述电离能源108产生的该室内部的能量密度以及由此在所述等离子体生成室102中的辉光放电和等离子体分布来控制所述石墨烯膜116的生长速率。通常，控制系统可以是涉及传感器等的闭环控制系统，以测量被控制的系统100的参数。

在一个替代布置中，可以以常规方式加速碳原子束，然后使用电和/或磁透镜聚焦。此外，可以将碳原子束通过以与光谱仪相似的方式作用的非均匀磁场，使不同原子能够分离(例如，用于原子物质和同位素纯化目的)，以形成(碳原子的)各向同性纯源束，由此得到特定的石墨烯组合物。

在另一个替代布置中，可以使用原子束在所述石墨烯膜的生长边缘上交错其他类型的原子以制造复合材料，非常像编织毯子一样。类似地，可以采用电视光栅技术。许多这样的类似技术都是可能的，只要在这种复合材料中包括足够的石墨烯，由此材料的石墨烯部分将使其能够悬浮在磁性结构上方，并因此移动通过并离开石墨烯生成室，如同仅石墨烯的膜。

在又一个替代布置中，生成的石墨烯膜仅仅是结合剂，其被包括以使任何其它有意义的材料通过本发明进行加工，使得材料悬浮通过石墨烯生成室。

可以在所述石墨烯生成室104的生长部分104a和回收部分104c之间存在有一个或多个加工部分104b。所述石墨烯膜116的各种类型的加工都是可能的，包括例如激光绘制导电电路板迹线、使用立体光刻施加其他原子来构建纳米结构和纳米机器、活化碳和混合杂质以制造半导体等。

在一种布置下，所述磁性结构112由多个磁化的永磁材料源组成，使得所述磁性结构112的源的磁场强度在所述石墨烯种子118的位置附近最强，并且所述磁性结构112的源的磁强度逐渐变弱，直到在石墨烯生成室104的回收部分104c的端部附近最弱，导致所述石墨烯膜116的向下的斜度，其导致重力使所述石墨烯膜移动通过并离开所述石墨烯生成室104。在另一种布置下，所述磁性结构112包括电磁体或电永磁体，由此改变沿所述磁性结构112的磁场强度，导致重力使所述石墨烯膜116移动通过并离开所述石墨烯生成室104。在又一种布置下，所述控制系统通过控制沿所述磁性结构112的磁场强度来改变石墨烯膜116的斜度，以便控制(即，加速或减慢)所述石墨烯膜116移动通过并离开所述石墨烯生成室104的速率。在又一种布置下，所述磁性结构112的一个或多个部分的一个或多个斜度由所述控制系统机械地控制，以便控制重力作用，从而控制所述石墨烯膜116移动通过并离开所述石墨烯生成室104的速率。

图1b描绘了另一个示例性石墨烯制造系统100，其类似于图1a的石墨烯制造系统，除了石墨烯生成室是倾斜的，使得可以使用重力使石墨烯膜移动通过并离开石墨烯生成室104。该曲率的目的是产生负反馈以防止所述膜向后发展进入电离室。所述系统100的其它变体包括第二个磁性结构122，其可用于控制所述石墨烯膜116的高度，特别是在加工过程中，而且也在室104的其它部分如回收部分104c内的过程中。如图所示，切割机构124将所述石墨烯膜116切割成回收的石墨烯产物，例如一叠石墨烯膜126。

图1b中还示出了可选的屏蔽件128，其用于防止电离能源离开所述等离子体生成室102并进入所述石墨烯生长室104。或者，可以基于波导截止特性选择所述等离子体生成室102和所述石墨烯生长室104之间的开口，以不允许信号。还示出了可选的吸气剂130，其可以用于从所述等离子体生成室102去除原子氢。

本领域技术人员将认识到，可以采用磁化技术产生所述磁性结构112(和可选地第二个磁性结构122)的磁场特征，其有助于控制所述石墨烯膜116的移动以及生长特征。例如，所述磁性结构112沿其长度的外边缘可以呈现出比中心部分更强的场强，使得所述石墨烯膜可以更容易地保持在所述磁性结构112的边界内。图2a描绘了示例性碗形磁性结构112的横截面，其可替代地是如图2b所示的磁性结构112的碗形磁场202。图2c描绘了具有斜度的示例性磁性结构112的长度的侧视图，所述斜度随着所述石墨烯膜116移动通过所述石墨烯生成室104而减小。这种设计旨在支撑由种子118初始产生石墨烯膜116，以防止种子向所述等离子体生成室102生长。图2d和2e描绘了类似于图2c的示例性磁性结构112，其具有由势垒磁场源206产生的势垒磁场204。所述势垒磁场204可以用于防止或限制所述石墨烯膜116向磁性结构112下方移动，如在石墨烯膜生长的初始阶段期间，其中可能期望所述石墨烯种子118是静止的或基本静止。

本领域技术人员将认识到，可以采用具有各种磁场形状的各种类型的势垒磁场204，其可以使用电磁体和/或永磁体产生，其中可以减小或者去除或者不然改变势垒磁场，以控制或防止石墨烯膜116的移动。

图3a描绘了示例性石墨烯种子300。

图3b描绘了从将种子引入到所述石墨烯生成室104中的位置118生长所述石墨烯膜116的顶视图，其中所述石墨烯膜116正在移动离开所述位置118并悬浮在所述石墨烯生成室104的磁性结构112的上方。如图所示，一旦在所述石墨烯生成室104的生长部分104a的外侧，可以使用激光器302修整所述石墨烯膜116，以获得所需形状。最终，生长边缘将接近平坦生长边缘的形状。

本领域技术人员将认识到，石墨烯的各种几何形状都是可能的，如具有不同螺旋(倾斜)角度等的碳纤维纳米管，其中种子沿圆柱体具有所需数量的原子和原子瓦片(tile)。本领域技术人员还将认识到，根据本发明，可以使用不同类型的原子如硼代替碳原子。本领域技术人员将认识到，所述种子可以初始取向以制造其六角形结构以优选的角度生长的膜。

图4描绘了根据本发明的示例性方法400。所述方法400包括五个步骤。第一步402是向室提供碳原子源和惰性气体。第二步404是向所述室提供电离能源。第三步406是控制所述碳原子源与所述惰性气体的比率、所述室内的绝对压力和由所述电离能源产生的室内的能量密度以及由此室内的辉光放电和等离子体分布。第四步408是将通过辉光放电产生的电离的原子碳提供给种子，以制造石墨烯膜，和第五步410是继续向所述石墨烯膜提供由辉光放电产生的原子碳以生长所述膜。

根据本发明的一个方面，将磁场结构构造成产生足以使石墨烯膜悬浮的陡的磁场梯度。在一种布置下，通过使用磁场源的交替极性图案产生陡的磁场梯度。图5描绘了包含交替极性磁源的二维(例如栅格)阵列的示例性磁性结构，其可以是被磁化成可磁化材料的离散磁体或磁源。在一种布置下，每个磁源的尺寸或磁性栅格间距大约是悬浮的石墨烯片的最小尺寸的75％，或者更小。在另一个布置下，用于开始所述方法的石墨烯种子将大约为磁体栅格间距的125％或者更大。可以使用较小的种子，但是必须机械支撑，直到它们边缘生长较大，足以超过所使用的磁体栅格间距。其时，种子将和石墨烯膜断开，并且将完全由磁体网格支撑(即，其将悬浮在栅格上方)。

为了达到支撑种子的目的，可以采用非常小的或细的磁体栅格间距，而其余的栅格具有足以支撑所制造的膜的较粗的栅格。

根据另一方面，构成所述磁性结构的磁场源可以具有除了与所述石墨烯膜相互作用的平坦表面之外的形状。例如，磁体可以是圆形的、圆锥形的或者甚至是尖的部分。

根据本发明的另一个方面，每个磁源将具有与其相关联的极片，该极片可以具有与所述磁源相互作用的平坦部分，其中所述极片的相对端变窄至指向所述石墨烯膜的点。因此，所述石墨烯膜将经历由所述极片集中来自每个磁源表面的场所产生的增强的梯度。

根据本发明的另一个方面，将石墨烯种子或初始石墨烯膜部分放置在与所述磁性结构相关联的基座上，其中所述基座用于支撑所述种子或膜部分，直到足够的生长增加其尺寸，使得得到的石墨烯膜悬浮在所述磁性结构上方。所述基座可以是圆的，例如，形状非常像球，或者可以是一组旨在支撑所述种子/膜的尖头物体。在一种布置下，可以使用多个极片来制造所述基座，所述多个极片将多个磁源产生的磁场聚集到栅格间距小于磁性栅格阵列的在物理意义上更小的阵列上。

虽然已经描述了本发明的特定的实施方案，但是应当理解，本发明不限于此，因为本领域技术人员可以进行改进，特别是根据前述教导。