一种通过控制成核制备大面积石墨烯单晶的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于薄膜的大面积单晶的合成，具体为一种通过控制成核制备大面积石墨烯单晶的装置及方法。
【背景技术】
[0002]当层状材料只有一个或几个原子厚时，它们被划分成二维材料，与块状材料相比会有很多独特性能，并有许多有前景的应用。一个典型的二维材料是石墨烯，它是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角形呈蜂巢的平面薄膜，只有一个碳原子厚度。
[0003]石墨烯可通过多种方法在基板表面上形成，最常见方法为化学气相沉积(CVD)法，CVD法是将薄膜层沉积到衬底；衬底被支撑在真空沉积腔室，被加热到高温(通常为几百摄氏度)，然后注入沉积气体于腔室中，通过化学反应在衬底上沉积薄膜，反应结束后冷却至室温。所获得的石墨烯薄膜可以直接在基板上用于后续应用，也可以将其转移到其他基板上进行应用。
[0004]在专利号为US 8470400 B2的美国专利中公开了通过化学气相沉积甲烷在金属(如铜箔)基体上制备石墨烯薄膜，金属衬底装入管式炉的反应室，在反应过程中，烃类气体(如甲烷)分解并沉积于金属基底表面，形成很多石墨烯的晶核；随着反应过程中晶核上不断添加碳原子而逐渐长大，最终彼此相连形成一个连续的石墨烯薄膜而完全涂覆所述基板的表面上，并生长终止。在上述制备过程中，成核点的位置是不可控的，每个晶粒的取向也不可控的；导致晶粒之间会形成晶粒边界，而合成的石墨烯膜是多晶的。晶界的存在会大大降低石墨烯膜的品质，例如削弱其机械强度和降低其电和热的传导率；在生产制备石墨烯薄膜过程中，希望石墨烯薄膜具有大晶粒尺寸从而较少的晶界，或者为大面积的单晶；因此，本发明提供一种通过控制成核制备大面积石墨烯单晶的装置及方法，通过控制石墨烯的成核位置及数量，从而制备大面积的石墨烯单晶。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种通过控制成核制备大面积石墨烯单晶的装置及方法，采用成核控制器控制石墨烯的成核位置及数量，从而制备大面积的石墨烯单晶。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0007]—种通过控制成核制备大面积石墨烯单晶的装置，包括CVD反应室、反应气体管理系统、排气管理系统及热源；所述CVD反应室顶部设置有反应气体入口管、底部设置有排气管，反应气体管理系统连接反应气体入口管、排气管理系统连接排气管，所述热源围绕CVD反应室设置，用于CVD反应室加热，其特征在于，所述CVD反应室底部还设有基板支撑、顶部还设有成核控制器，所述成核控制器连接入口管、悬挂于基板支撑上方，成核控制器由一石英管与一石英盘连接构成，所述石英管连接反应气体入口管，所述石英盘中心处开设有成核孔。
[0008]进一步的，所述成核孔为一个圆孔或呈矩阵排列的若干个圆孔。所述成核孔的直径为0.0001?1毫米。
[0009]所述CVD反应室顶部与反应气体入口管之间还设置有顶端适配器，所述CVD反应室底部与排气管之间还设置有底端适配器。
[0010]所述反应物气体管理系统由两个气体源构成，每个气体源均设有气体质量流量控制器。
[0011]所述排气管理系统由依次设置的压力传感器、节流阀和真空栗构成。
[0012]所述基板支撑由三个石英棒与一石英盘焊接构成。
[0013]需要说明的是，在石墨烯单晶制备过程中，CVD反应室限定反应空间，反应气体通过反应气体管理系统经过反应气体入口管进入成核控制器，通过成核孔导入CVD反应室；基底支撑在反应室内以支撑衬底用于石墨烯沉积；通过成核控制器中成核孔的设置，在CVD反应室中引导反应气体到指定的位置进行石墨烯的成核和生长。
[0014]更进一步的，利用上述转置的一种通过控制成核制备大面积石墨烯单晶的方法，包括以下步骤:
[0015]步骤1、将衬底置于CVD反应室基底支撑上，并将CVD反应室抽真空；
[0016]步骤2、将氢气以10?lOOsc cm的流量通入CVD反应室中；
[0017]步骤3、将金属衬底加热至400°C?1050°C，保温1?60分钟，期间保持氢气流量；
[0018]步骤4、将氢气的流量减少至小于lOsccm，并将甲烧气体以0.1?lsccm的流量通入CVD反应室中，保持压力为1?10毫托，保持1?120秒；
[0019]步骤5、将甲烷气体的流量每分钟增加0.1?lsccm，其压力为1毫托?1托，保持1分钟?20小时至石墨稀单晶完全覆盖衬底表面；
[0020]步骤6、将甲烷气体流量减少至小于lOsccm，待CVD反应室冷却至室温，将衬底取出。
[0021]本发明采用特有的成核控制器的设计，能够准确的控制石墨烯的成核位置及数量，从而制备大面积的石墨稀单晶。
【附图说明】
[0022]图1为实施例1石墨烯单晶制备装置结构示意图。
[0023]图2为实施例1石墨烯单晶制备装置中成核控制器结构示意图，其中，(a)为切面图，(b)为仰视图。
[0024]图3为实施例1石墨烯单晶制备装置中基底支架结构示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为侧视图。
[0025]图4为实施例1石墨烯单晶制备装置中反应气体管理系统与排气管理系统示意图，其中，(a)为反应气体管理系统，(b)为排气管理系统。
[0026]图5为实施例1石墨烯单晶制备方法工艺流程图。
[0027]图6为实施例1石墨烯单晶制备装置中反应基底上表面甲烷浓度分布示意图。
[0028]图7为实施例2石墨烯单晶制备装置中成核控制器结构示意图，其中，(a)为切面图，(b)为仰视图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0030]实施例1
[0031]在本实施例中，大面积石墨烯单晶制备装置如图1所示，该装置100包括CVD反应室112、反应气体管理系统128、反应气体入口管136、顶端适配器124、底端适配器126、排气管140、排气管理系统130、热源102及加热元件104。其中，热源102与加热元件104，其限定中空的圆柱形加热空间106，该加热空间106围绕CVD反应室112 ;本实施例中，采用一圆筒状处理管108，处理管108由石英制成具有的外径100个毫米，96毫米的内径，以及1000毫米的长度；顶端适配器124连接反应气体入口管136和处理管108，底端适配器126连接排气管140和处理管108，两个适配器124、126和处理管108共同构成CVD反应室112，使其周围气氛隔开。
[0032]在CVD反应室112内，成核控制器150通过适配器138连接到入口管136，并挂在基板支撑160上方，在两者之间存在间隙132 ;基板支撑160在底端适配器126上。其中，成核控制器150的结构如图2所示，在本实施例中，成核控制器150通过焊接一石英管152在石英盘154上构成，石英管152连接顶端适配器，石英盘154在中心处开设有一个成核孔153 ;在本实施例中，石英管152具有6毫米的外径和2mm的内径，石英盘154的直径为90毫米，厚度为2毫米，成核孔153的直径为0.0001?1毫米；所述基板支撑160结构如图3所示，本实施例中，基底支撑160由三个石英棒164和石英圆盘162焊接构成，石英圆盘162的直径为90毫米、厚度为2毫米，石英棒164的直径为4?10毫米、长度为500毫米；本实施中，间隙132是0.1?4毫米。
[0033]本实施例中，反应气体通过反应气体管理系统128经过反应气体入口管136导入CVD反应室112中，所述反应气体管理系统128如图4(a)所示，反应气体管理系统128包括两个气体源，分别为氢气401和甲烧402，氢气401的流量由一个氢质量流量控制器403控制，甲烷402的流量由一个甲烷质量流量控制器404控制，气体通过反应气体入口管136、适配器138、并进入成核控制器150，通过石英管152从成核孔153作用于金属基底131上；反应气体然后在间隙132从中心沿半径方向向边缘扩散，并在金属基底131上反应沉积石墨烯薄膜；反应副产物和未反应掉的气体从间隙边缘出来，通过排气管140进入排气管理系统130 ;