专利名称：一种制备二维纳米薄膜的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制备新材料的装置，特别是涉及一种连续制备石墨烯、金属硫族化合物、硅烯、锗烯、氮化硼等新型二维纳米薄膜的装置。
背景技术：
石墨烯具有卓越的二维电学、光学、热学、力学性能以及化学稳定性，石墨烯在超快光电子器件、洁净能源、传感器等方面具有广泛的应用前景。电子在石墨烯中传输速度是硅的150倍，IBM等著名公司已经制备速度可达太赫兹的超快速光电子器件，美国加州大学利用石墨烯研制成光学调制解调器，有望将网速提高I万倍；全球每年半导体晶硅的需求量在2500吨左右，石墨烯如果替代十分之一的晶硅制成高端集成电路如射频电路，市场容量至少在5000亿元以上。因为石墨烯只有2. 3%的光吸收，这使石墨烯可用于制备光电子器 件如显示器件、太阳能电池、触摸面板等的柔性透明电极，从而取代成本昂贵、资源稀少、不可自由折叠的由铟为主要成分的ITO透明导电膜。据报道，2011年全球ITO透明导电膜的需求量在8500万-9500万片，这样，石墨烯替代ITO透明导电膜的发展空间巨大。由于石墨烯独特的电子传输特性，作为传感器，它具有单分子的敏感性。经过近几年的快速发展，石墨烯产品已经出现在触摸屏应用上。因此，石墨烯良好的商业价值和广阔的市场已经展现曙光，石墨烯材料的产业化将是对材料、信息、能源工业的一次革命性变革！除了石墨烯外，类石墨烯的新型二维纳米薄膜也具有其独特的光电子性能，具有广泛的应用前景。类石墨烯的新型二维纳米薄膜包括层状的金属硫族化合物(metalchalcogenides)、氮化硼(boron nitride)、娃烯(silicene)、锗烯(germanene)或元素周期表中第四主族的其它元素构成的类石墨烯薄膜等。化学气相沉积法(CVD)以及碳偏析(surface segregation)法是目前大面积制备石墨烯等二维纳米薄膜的技术方法，采用这两种方法制备二维纳米薄膜的设备基本上都是石英管式炉[Science 324，1312-1314 (2009) ; Nature Nanotechnology 5, 574 (2010) ; NanoLett. 11，297-303(2011)]。但是石英管式炉仅具备在已有金属催化层上合成二维纳米薄膜的单一功能，不能实现对衬底材料的表面处理、在衬底上制备合成二维纳米所需的催化层、二维纳米薄膜合成的准连续过程。并且，采用石英管式炉合成的二维纳米薄膜存在结构缺陷，导致电子传输性能较差，石英管式炉已经严重制约了二维纳米薄膜如石墨烯薄膜的应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种能够大面积制备新型二维纳米薄膜的设备，该设备具有结构简单、操作简单、安全性好等特点；能够连续地完成制备二维纳米薄膜所需的各工艺步骤，包括对合成二维纳米薄膜所需的衬底/催化层进行预处理、制备催化层、合成二维纳米薄膜等。采用该设备制备二维纳米薄膜的工艺简单、成本较低，制备出的薄膜具有优良的结构和性能。
本发明采用的技术方案如下一种制备二维纳米薄膜的设备，包括进料腔室，化学气相沉积腔室，物理气相沉积腔室和样品传递装置；所述物理气相沉积腔室、进料腔室和化学气相沉积腔室的排列顺序可根据制备工艺的不同进行排列组合，可以是物理气相沉积腔室、进料腔室和化学气相沉积腔室依次排列；或者进料腔室、物理气相沉积腔室和化学气相沉积腔室依次排列；或者进料腔室、化学气相沉积腔室和物理气相沉积腔室依次排列。所述的进料腔室、化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室各腔室之间分别设有阀门，进料腔室设有与大气相通的阀门。作为优选，物理气相沉积腔室设有与大气相通的阀门，以便在不影响其它腔室的情况下可以开启而取放样品。
作为优选，化学气相沉积腔室设有与大气相通的阀门，以便在不影响其它腔室的情况下可以开启而取放样品。所述的制备二维纳米薄膜的设备设有样品传递装置，所述的样品传递装置是通过动力驱动的方式将样品从一个腔室的样品架中取下越过阀门传递到另一个腔室的样品架上；作为优选，为了方便样品的交接或取放，所述的样品传递装置还可以设有机械手。样品传递的方式主要包括1)通过磁力将外部动力传递到腔室内使之转化为直线、旋转等运动方式；2)依靠动密封(主要是O形圈、填料、磁流体等)的形式将动力直接传递到腔室内；3)依靠金属波纹管而采用的机械方式等。所述的化学气相沉积腔室设有加热装置和一个或二个以上的气体连接口 ；加热装置具有对样品进行加热处理的功能，包括电阻加热装置、红外加热装置和激光加热装置等，可以使样品的温度控制在2(Γ2000° C。所述的化学气相沉积腔室、加热装置和气体连接口可以构成一个热化学气相沉积系统。作为优选，所述的化学气相沉积腔室设有化学气相沉积系统，所述的化学气相沉积系统包括等离子体增强化学气相沉积系统、微波等离子体化学气相沉积系统、气溶胶辅助化学气相沉积系统、电感耦合等离子体化学气相沉积系统中的任意一种或二种以上的组
口 ο所述的物理气相沉积腔室设有一个或二个以上的气体连接口。所述的物理气相沉积腔室设有物理气相沉积系统，所述的物理气相沉积系统包括离子束沉积系统、溅射沉积系统、电子束沉积系统、热蒸镀沉积系统、激光沉积系统、离子注入系统中的任意一种或二种以上的组合。作为优选，物理气相沉积腔室设有加热装置，加热装置具有对样品进行加热处理的功能，包括电阻加热装置、红外加热装置和激光加热装置等，可以使样品的温度控制在
20 2000。 Co作为优选，为了将热量集中在样品处，并减少向不需要热的地方传递，所述的化学气相沉积腔室和/或物理气相沉积腔室的腔室内设有隔热屏蔽系统；尤其是当腔室的温度高于150° C以上时，作为优选，腔室内设有隔热屏蔽系统。为了使设备安全稳定运转，所述的化学气相沉积腔室和/或物理气相沉积腔室的腔壁设有冷却系统，冷却系统可以是双层水冷系统；尤其是当腔室的温度高于150° C以上时，作为优选，腔室的腔壁设有冷却系统。物理气相沉积腔室、加热装置与气体连接口可以构成一个热化学气相沉积系统。所述的进料腔室、物理气相沉积腔室和化学气相沉积腔室均设有样品升降装置；通过样品升降装置可以调节样品在垂直方向的位置，使样品方便地交接到样品传递装置上。作为优选，所述的进料腔室设有样品处理装置，样品处理装置包括等离子样品处理装置、对气体离子化的线圈或加热装置等能够实现对样品进行改性的装置，所述的对气体离子化的线圈可在真空高频条件下实现气体的离子化；加热装置具有对样品进行加热处理的功能，包括电阻加热装置、红外加热装置和激光加热装置等，可以使样品的温度控制在
20 2000。 Co作为优选，所述的进料腔室设有气体连接口。本发明所述的气体连接口可以是一种气体的连接口，气体连接口也可以与混气盒连接；混气盒的入口至少并联有两个或两个以上的气路，可使两种或两种以上的气体同时进入混气盒；作为优选，每一个气路独立连接有质量流量计、电磁截止阀等计量和流量调节装置，以便独立精确控制每一种气体的流量。通入的气体可以选自惰性气体如Ar和N2,还原性气体如H2,氧化性气体如02，合成二维纳米薄膜所需的前驱体气体如CH4, C2H4, C2H2, NH3, B3N3H6或乙醇的蒸汽等，依据所合成的二维薄膜的不同，可以适当选择不同的气体或者气体混合物。所述的进料腔室、物理气相沉积腔室和化学气相沉积腔室中的至少一个腔室设有抽真空装置；作为优选，进料腔室，化学气相沉积腔室和物理气相沉积腔室分别设有独立的抽真空装置，每一抽真空装置包括各种真空泵、真空管道、真空阀门、真空计等，通过抽真空装置可以使各腔室的真空度保持在常压至I. OX IO-uiPa之间。作为优选，所述的物理气相沉积腔室和/或化学气相沉积腔室设有样品旋转装置，所述的样品旋转装置是依靠磁力、动密封、波纹管等方式将外部动力传递到腔室内并转化为旋转运动的装置，通过样品旋转装置驱动样品架旋转使样品相应地旋转，实现样品在腔室中的精确定位，其作用是1)在进行沉积薄膜时通过旋转运动使薄膜在衬底和/或催化层上的沉积更均匀；2)由于实现了样品在腔室中的精确定位，可以在衬底和/或催化层的不同区域生长不同种类二维纳米薄膜，并且方便了样品在样品架上的取放。作为优选，物理气相沉积腔室、进料腔室和化学气相沉积腔室均设有样品旋转装置。作为优选，所述的进料腔室，化学气相沉积腔室和物理气相沉积腔室均设有观察窗，通过观察窗可观察到衬底/催化层的预处理、催化层的制备、二维纳米薄膜的合成等生产情况，及时了解生产状态。所述的二维纳米薄膜包括石墨烯、金属硫族化合物、氮化硼、硅烯、锗烯或元素周期表中第四主族的其它元素的类石墨烯薄膜等而组成的薄膜。制备二维纳米薄膜的基本过程包括将合成二维纳米薄膜所需的衬底和/或催化层放入进料腔室，在一定的气氛环境下，衬底和/或催化层在进料腔室进行预处理，然后样品被传递到化学气相沉积腔室并利用化学气相沉积方法制备二维纳米薄膜。制备二维纳米薄膜的基本过程也包括将合成二维纳米薄膜所需的衬底和/或催、化层放入进料腔室，在一定的气氛环境下，衬底和/或催化层在进料腔室进行预处理，然后样品被传递到物理气相沉积腔室并利用物理气相沉积方法制备二维纳米薄膜。制备二维纳米薄膜的基本过程也包括将合成二维纳米薄膜所需的衬底和/或催化层放入进料腔室，在一定的气氛环境下，衬底和/或催化层在进料腔室进行预处理，然后由样品传递装置将衬底和/或催化层传递到物理气相沉积腔室；在物理气相沉积腔室里利用物理气相沉积技术制备催化层；催化层制备后，样品被传递到化学气相沉积腔室并利用化学气相沉积方法制备二维纳米薄膜。制备二维纳米薄膜的基本过程还包括将合成二维纳米薄膜所需的衬底和/或催化层放入进料腔室，在一定的气氛环境下，衬底和/或催化层在进料腔室进行预处理，然后由样品传递装置将衬底和/或催化层传递到物理气相沉积腔室；在物理气相沉积腔室里利用物理气相沉积方法制备催化层；催化层制备后，在物理气相沉积腔室利用物理气相沉积 方法在催化层上制备二维纳米材料的前驱体；然后在物理气相沉积腔室将二维纳米材料的前驱体经过处理而形成二维纳米薄膜；或者，在制备二维纳米材料的前驱体后，传递到化学气相沉积腔室，在化学气相沉积腔室将二维纳米材料的前驱体转化为二维纳米薄膜。二维纳米材料的前驱体为含有组成二维纳米材料的元素的化合物，以合成石墨烯为例，前驱体包括无定型碳、非晶碳膜、含碳元素的有机物或聚合物等；以合成MoS2为例，前驱体包括MoS2、硫粉、MoO3粉末、(NH4) 2MoS4等；以硅烯为例，前驱体为硅片等；以氮化硼为例，前驱体可以是B3N3H6, NH3-BH3,癸硼烧/氨(decaborane/ammonia)等；以SnS为例，前驱体可以为Sn粉和FeS2粉等。本发明的设备是制备二维纳米薄膜的一体化、多功能的设备，可以实现从衬底和/或催化层的预处理、催化层的制备到二维纳米薄膜合成的连续制备过程，从而制备出高性能的二维纳米薄膜；采用本发明的设备，不仅可以利用化学气相沉积方法制备二维纳米薄膜，也可以利用溅射、热蒸镀、离子注入、等离子、激光等技术方法制备二维纳米薄膜，这样有助于建立制备二维纳米薄膜的最佳技术路线，有助于探索二维纳米薄膜的物理、化学、光电子等性能；利用本发明的设备可以制备如石墨烯、金属硫族化合物、氮化硼、硅烯、锗烯或元素周期表中第四主族的其它元素的类石墨烯薄膜而组成的二维纳米薄膜，有助于实现二维纳米薄膜的规模化生产，促进二维纳米薄膜的应用。
图I是本发明的制备二维纳米薄膜设备的整体结构示意图，物理气相沉积腔室、进料腔室和化学气相沉积腔室依次排列，其中，物理气相沉积腔室设有样品升降装置、抽真空装置、加热装置、样品旋转装置和物理气相沉积系统，化学气相沉积腔室设有抽真空装置、样品升降装置、加热装置和样品旋转装置，进料腔室设有抽真空装置、样品升降装置和样品处理装置。图2是本发明的制备二维纳米薄膜设备的整体结构示意图，物理气相沉积腔室、进料腔室和化学气相沉积腔室依次排列，其中，进料腔室设有样品处理装置、样品旋转装置、加热装置、抽真空装置和样品升降装置，物理气相沉积腔室设有加热装置、抽真空装置、样品旋转装置、物理气相沉积系统和样品升降装置，化学气相沉积腔室设有加热装置、样品旋转装置、隔热屏蔽系统、冷却系统、抽真空装置、样品升降装置和化学气相沉积系统。
图3是本发明的制备二维纳米薄膜设备的整体结构示意图，进料腔室、物理气相沉积腔室和化学气相沉积腔室依次排列，其中，物理气相沉积腔室设有物理气相沉积系统、样品旋转装置、加热装置、冷却系统、抽真空装置和样品升降装置，化学气相沉积腔室设有化学气相沉积系统、隔热屏蔽系统、加热装置和样品升降装置，进料腔室设有样品处理装置、抽真空装置和样品升降装置。图4是本发明的制备二维纳米薄膜设备的整体结构示意图，进料腔室、化学气相沉积腔室和物理气相沉积腔室依次排列，其中，进料腔室设有样品处理装置、样品旋转装置、加热装置、抽真空装置和样品升降装置 ，物理气相沉积腔室设有加热装置、样品旋转装置、物理气相沉积系统、冷却系统和样品升降装置，化学气相沉积腔室设有加热装置、样品旋转装置、隔热屏蔽系统、冷却系统、化学气相沉积系统、抽真空装置和样品升降装置。图中所示样品传递装置1、8，化学气相沉积腔室2，样品升降装置3、5、7，进料腔室4，物理气相沉积腔室6，阀门9、10，加热装置11、12、13，冷却系统14、16，隔热屏蔽系统15，化学气相沉积系统17、18，物理气相沉积系统19、20，样品处理装置21，抽真空装置25、26、27，气体连接口 30、31、32、33、34、35、36、37、38、39，混气盒 40、41，样品旋转装置 50、51、52，阀门 60、61、62。
具体实施例方式为了更清楚地理解本发明和本发明所产生的技术效果，下面结合附图对本发明作进一步详细说明。实施例I :参见图1，本发明的制备二维纳米薄膜的设备包括进料腔室4、化学气相沉积腔室2、物理气相沉积腔室6、样品传递装置I和8。进料腔室4与化学气相沉积腔室2之间设有阀门9，通过样品传递装置I如磁性传递杆，样品可以在进料腔室4与化学气相沉积腔室2之间来回传递。进料腔室4与物理气相沉积腔室6之间设有阀门10，通过样品传递装置8，样品可以在进料腔室4与物理气相沉积腔室6之间来回传递。作为优选，物理气相沉积腔室6设有与大气相通的阀门61，以便可以直接从物理气相沉积腔室取放样品。化学气相沉积腔室2设有抽真空装置25、样品升降装置3、加热装置11、样品旋转装置50。进料腔室4设有与大气相通的阀门60，还设有抽真空装置26、样品升降装置5和样品处理装置21。样品处理装置可以为等离子样品处理装置、对气体离子化的线圈或加热装置等能够实现对样品进行改性的装置，所述的对气体离子化的线圈可在真空高频条件下实现气体的离子化；所述的加热装置包括电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等能够对样品进行加热处理的装置，使样品的温度可以控制在2(Γ2000° C。物理气相沉积腔室6设有样品升降装置7、抽真空装置27、加热装置13、样品旋转装置51和物理气相沉积系统19，所述的物理气相沉积系统包括离子束沉积系统、溅射沉积系统、电子束沉积系统、热蒸镀沉积系统、激光沉积系统、离子注入系统中的任意一种或二种以上的组合。加热装置可以是电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等能够对样品进行加热处理的装置，使样品的温度可以控制在2(Γ2000° C。所述的每一抽真空装置包括各种真空泵、真空管道、真空阀门、真空计等，通过抽真空装置可以使各腔室的真空度在常压至I. OX IO-wPa之间。化学气相沉积腔室2设有气体连接口 30，进料腔室4设有气体连接口 31，物理气相沉积腔室设有气体连接口 34 ;作为优选，为了精确控制气体的流量，每个气体连接口可以连有质量流量计而控制各气体的流量，每个质量流量计的两端各设有一个电磁截止阀，电磁截止阀和质量流量计通过管路与气体连接口相连接。化学气相沉积腔室2、加热装置11与气体连接口 30构成一个热化学气相沉积系 统。化学气相沉积腔室还可以设有化学气相沉积系统，所述的化学气相沉积系统包括等离子体增强化学气相沉积系统、微波等离子体化学气相沉积系统、气溶胶辅助化学气相沉积系统、电感耦合等离子体化学气相沉积系统中的任意一种或二种以上的组合。物理气相沉积腔室6、加热装置13与气体连接口 34也可以构成一个热化学气相沉积系统。作为优选，进料腔室4、化学气相沉积腔室2、物理气相沉积腔室6的腔壁均设有观察窗。制备二维纳米薄膜的基本过程包括将合成二维纳米薄膜所需的衬底和/或催化层放置到进料腔室4，在进料腔室4对衬底和/或催化层进行预处理，然后传递到物理气相沉积腔室6 ;在物理气相沉积腔室6，采用物理气相沉积系统19如热蒸镀沉积系统在衬底和/或催化层上制备催化层，然后将样品从物理气相沉积腔室6传递到进料腔室4，再从进料腔室4传递到化学气相沉积腔室2 ;在化学气相沉积腔室2，采用化学气相沉积方法在衬底和/或催化层上制备二维纳米薄膜；将制得的二维纳米薄膜传递到进料腔室4，然后从进料腔室4取出。实施例2 参见图2，本发明的制备二维纳米薄膜的设备包括进料腔室4、化学气相沉积腔室2、物理气相沉积腔室6、样品传递装置I和8。进料腔室4与化学气相沉积腔室2之间设有阀门9，通过样品传递装置1，样品可以在进料腔室4与化学气相沉积腔室2之间来回传递。作为优选，化学气相沉积腔室2设有与大气相通的阀门62，以便可以直接从化学气相沉积腔室取放样品。作为优选，物理气相沉积腔室6设有与大气相通的阀门61，以便可以直接从物理气相沉积腔室取放样品。进料腔室4与物理气相沉积腔室6之间设有阀门10，通过样品传递装置8，样品可以在进料腔室4与物理气相沉积腔室6之间来回传递。化学气相沉积腔室2设有抽真空装置25、样品升降装置3、加热装置11、冷却系统14、隔热屏蔽系统15、化学气相沉积系统17和样品旋转装置50。所述的化学气相沉积系统17包括等离子体增强化学气相沉积系统、微波等离子体化学气相沉积系统、气溶胶辅助化学气相沉积系统、电感耦合等离子体化学气相沉积系统中的任意一种或二种以上的组合。进料腔室4设有与大气相通的阀门60，还设有抽真空装置26、样品升降装置5、加热装置12、样品处理装置21和样品旋转装置52。样品处理装置可以为等离子样品处理装置、对气体离子化的线圈或加热装置等能够实现对样品进行改性的装置，所述的对气体离子化的线圈可在真空高频条件下实现气体的离子化；加热装置可以是电阻加热装置、红 外加热装置、激光加热装置等能够对样品进行加热处理的装置，使样品的温度可以控制在2(Γ2000° C。物理气相沉积腔室6设有样品升降装置7、加热装置13、冷却系统16、样品旋转装置51、抽真空装置27和物理气相沉积系统19和20，所述的物理气相沉积系统包括离子束沉积系统、溅射沉积系统、电子束沉积系统、热蒸镀沉积系统、激光沉积系统、离子注入系统中的任意一种或二种以上的组合。加热装置包括电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等能够对样品进行加热处理的装置，使样品的温度可以控制在2(Γ2000° C。化学气相沉积腔室2设有气体连接口 30和38、气体连接口 38与混气盒40连接、混气盒40的入口并联三个气体连接口 32、33和37，进料腔室4设有气体连接口 31，物理气相沉积腔室设有气体连接口 34和39、气体连接口 39与混气盒41连接、混气盒41的入口并联两个气体连接口 35和36 ;作为优选，为了精确控制气体的流量，每个气体连接口可以连有质量流量计而控制各气体的流量，每个质量流量计的两端各设有一个电磁截止阀，电磁截止阀和质量流量计通过管路与气体连接口相连接。化学气相沉积腔室2、加热装置11与气体连接口 30和/或38构成一个热化学气相沉积系统。物理气相沉积腔室6、加热装置13与气体连接口 34和/或39也可以构成一个热化学气相沉积系统。所述的每一抽真空装置包括各种真空泵、真空管道、真空阀门、真空计等，通过抽真空装置可以使各腔室的真空度在常压至I. OX KTwPa之间。作为优选，进料腔室4、化学气相沉积腔室2、物理气相沉积腔室6的腔壁均设有观察窗。制备二维纳米薄膜的基本过程包括将合成二维纳米薄膜所需的衬底和/或催化层放置到进料腔室4，在进料腔室4对衬底和/或催化层进行热处理，然后传递到物理气相沉积腔室6 ;在物理气相沉积腔室6，采用物理气相沉积系统19如热蒸镀沉积系统在衬底和/或催化层上制备催化层，然后采用物理气相沉积系统20如溅射沉积系统将二维纳米材料的前驱体沉积在催化层上；之后，在一定的气氛下，在物理气相沉积腔室6对二维纳米材料的前驱体进行处理而形成二维纳米薄膜；将制得的二维纳米薄膜从物理气相沉积腔室6传递到进料腔室4，然后从进料腔室4取出。制备二维纳米薄膜的基本过程还包括将合成二维纳米薄膜所需的衬底放置到进料腔室4，在进料腔室4对衬底进行热处理，然后传递到物理气相沉积腔室6 ;在物理气相沉积腔室6，采用物理气相沉积系统19如电子束沉积系统在衬底上制备催化层，然后采用物理气相沉积系统20如离子注入系统将二维纳米材料的前驱体注入到催化层中；之后，从物理气相沉积腔室6将注入有二维纳米材料的前驱体的样品传递到化学气相沉积腔室2 ;在化学气相沉积腔室2对二维纳米材料的前驱体进行处理而形成二维纳米薄膜；将制得的二维纳米薄膜从化学气相沉积腔室2传递到进料腔室4，然后从进料腔室4取出。制备二维纳米薄膜的基本过程还可以是将合成二维纳米薄膜所需的衬底放置到进料腔室4，在进料腔室4对衬底进行热处理，然后传递到物理气相沉积腔室6 ;在物理气相沉积腔室6，采用物理气相沉积系统19如等离子体沉积系统在衬底上制备第一种催化层，然后采用物理气相沉积系统20如溅射沉积系统在第一种催化层上制备第二种催化层中；之后，从物理气相沉积腔室6将制备有催化层的样品传递到化学气相沉积腔室2 ;在化学气相沉积腔室2采用化学气相沉积系统17如微波等离子化学气相沉积系统制备二维纳米薄膜；将制得的二维纳米薄膜从化学气相沉积腔室2传递到进料腔室4，然后从进料腔室4取出。制备二维纳米薄膜的基本过程还可以为将合成二维纳米薄膜所需的衬底和/或催化层放置到进料腔室4，在进料腔室4对衬底和/或催化层进行热处理，然后传递到物理气相沉积腔室6 ;在物理气相沉积腔室6，采用物理气相沉积系统19如离子枪沉积系统将二 维纳米材料的前驱体离化沉积在催化层上；之后，在一定的气氛下，在物理气相沉积腔室6对二维纳米材料的前驱体进行处理而形成二维纳米薄膜；将制得的二维纳米薄膜从物理气相沉积腔室6传递到进料腔室4，然后从进料腔室4取出。所述的二维纳米材料的前驱体为含有组成二维纳米材料的元素的化合物，以合成石墨烯为例，前驱体包括无定型碳、非晶碳膜、含碳元素的有机物或聚合物等；以合成MoS2为例，如驱体包括MoS2、硫粉、MoO3粉末、(NH4)2MoS4等；以娃稀为例，如驱体为娃片等；以氣化硼为例，前驱体可以是B3N3H6, NH3-BH3,癸硼烧/氨(decaborane/ammonia)等；以SnS为例，前驱体可以为Sn粉和FeS2粉等。实施例3 参见图3，本发明的制备二维纳米薄膜的设备包括进料腔室4、化学气相沉积腔室2、物理气相沉积腔室6、样品传递装置I和8。进料腔室4与物理气相沉积腔室6之间设有阀门10，通过样品传递装置8，样品可以在进料腔室4与物理气相沉积腔室6之间来回传递。化学气相沉积腔室2与物理气相沉积腔室6之间设有阀门9，通过样品传递装置1，样品可以在化学气相沉积腔室2与物理气相沉积腔室6之间来回传递。作为优选，化学气相沉积腔室2设有与大气相通的阀门62，以便可以直接从化学气相沉积腔室取放样品。化学气相沉积腔室2设有样品升降装置3、加热装置11、隔热屏蔽系统15和化学气相沉积系统17。进料腔室4设有与大气相通的阀门60，还设有抽真空装置26、样品升降装置5和样品处理装置21。样品处理装置可以为等离子样品处理装置、对气体离子化的线圈或加热装置等能够实现对样品进行改性的装置，所述的对气体离子化的线圈可在真空高频条件下实现气体的离子化；加热装置包括电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等能够对样品进行加热处理的装置，使样品的温度可以控制在2(Γ2000° C。物理气相沉积腔室6设有样品升降装置7、抽真空装置27、加热装置13、样品旋转装置51、冷却系统16和物理气相沉积系统19和20，所述的物理气相沉积系统包括离子束沉积系统、溅射沉积系统、电子束沉积系统、热蒸镀沉积系统、激光沉积系统、离子注入系统中的任意一种或二种以上的组合。加热装置包括电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等能够对样品进行加热处理的装置，使样品的温度可以控制在2(Γ2000° C。所述的每一抽真空装置包括各种真空泵、真空管道、真空阀门、真空计等，通过抽真空装置可以使各腔室的真空度在常压至I. OX IO-wPa之间。化学气相沉积腔室2设有气体连接口 30，进料腔室4设有气体连接口 31，物理气相沉积腔室设有气体连接口 34 ;作为优选，为了精确控制气体的流量，每个气体连接口可以连有质量流量计而控制各气体的流量，每个质量流量计的两端各设有一个电磁截止阀，电磁截止阀和质量流量计通过管路与气体连接口相连接等。化学气相沉积腔室2、加热装置11与气体连接口 30构成一个热化学气相沉积系
统。 化学气相沉积腔室还可以设有的化学气相沉积系统包括等离子体增强化学气相沉积系统、微波等离子体化学气相沉积系统、气溶胶辅助化学气相沉积系统、电感耦合等离子体化学气相沉积系统中的任意一种或二种以上的组合。物理气相沉积腔室6、加热装置13与气体连接口 34也可以构成一个热化学气相沉积系统。作为优选，进料腔室4、化学气相沉积腔室2、物理气相沉积腔室6的腔壁均设有观察窗。制备二维纳米薄膜的基本过程包括将合成二维纳米薄膜所需的衬底和/或催化层放置到进料腔室4，在进料腔室4对衬底和/或催化层进行预处理，然后传递到物理气相沉积腔室6 ;在物理气相沉积腔室6，采用物理气相沉积系统19如热蒸镀沉积系统在衬底和/或催化层上制备催化层，然后将样品从物理气相沉积腔室6传递到化学气相沉积腔室2 ；在化学气相沉积腔室2，采用化学气相沉积系统17如电感耦合等离子体化学气相沉积系统在衬底和/或催化层上制备二维纳米薄膜；二维纳米薄膜制备后，将制备的样品取出。制备二维纳米薄膜的基本过程还包括将合成二维纳米薄膜所需的衬底和/或催化层放置到进料腔室4，在进料腔室4对衬底和/或催化层进行预处理，然后传递到物理气相沉积腔室6 ;在物理气相沉积腔室6，采用物理气相沉积系统19和20如热蒸镀沉积系统将二维纳米材料的前驱体离化沉积在催化层上；之后，在一定的气氛下，在物理气相沉积腔室6对二维纳米材料的前驱体进行处理而形成二维纳米薄膜；二维纳米薄膜制备后，将制备的样品从物理气相沉积腔室6传递到进料腔室4，然后从进料腔室4取出。二维纳米材料的前驱体为含有组成二维纳米材料的元素的化合物，以合成石墨烯为例，前驱体包括无定型碳、非晶碳膜、含碳元素的有机物或聚合物等；以合成MoS2为例，前驱体包括MoS2、硫粉、MoO3粉末、(NH4) 2MoS4等；以硅烯为例，前驱体为硅片等；以氮化硼为例，前驱体可以是B3N3H6, NH3-BH3,癸硼烧/氨(decaborane/ammonia)等；以SnS为例，前驱体可以为Sn粉和FeS2粉等。实施例4 参见图4，本发明的制备二维纳米薄膜的设备包括进料腔室4、化学气相沉积腔室2、物理气相沉积腔室6、样品传递装置I和8。
进料腔室4与化学气相沉积腔室2之间设有阀门9，通过样品传递装置8，样品可以在进料腔室4与化学气相沉积腔室2之间来回传递。作为优选，化学气相沉积腔室2设有与大气相通的阀门62，以便可以直接从化学气相沉积腔室取放样品。作为优选，物理气相沉积腔室6设有与大气相通的阀门61，以便可以直接从物理气相沉积腔室取放样品。化学气相沉积腔室2与物理气相沉积腔室6之间设有阀门10，通过样品传递装置1，样品可以在化学气相沉积腔室2与物理气相沉积腔室6之间来回传递。化学气相沉积腔室2设有抽真空装置25、样品升降装置3、加热装置11、冷却系统14、隔热屏蔽系统15、化学气相沉积系统17和样品旋转装置50。 进料腔室4设有与大气相通的阀门60，还设有抽真空装置26、样品升降装置5、加热装置12、样品处理装置21和样品旋转装置52。样品处理装置可以为等离子样品处理装置、对气体离子化的线圈或加热装置等能够实现对样品进行改性的装置，所述的对气体离子化的线圈可在真空高频条件下实现气体的离子化；加热装置包括电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等能够对样品进行加热处理的装置，使样品的温度可以控制在2(Γ2000° C。物理气相沉积腔室6设有样品升降装置7、加热装置13、冷却系统16、样品旋转装置51和物理气相沉积系统19和20，所述的物理气相沉积系统包括离子束沉积系统、溅射沉积系统、电子束沉积系统、热蒸镀沉积系统、激光沉积系统、离子注入系统中的任意一种或二种以上的组合。加热装置可以对样品进行加热处理。化学气相沉积腔室2设有气体连接口 30和38、气体连接口 38与混气盒40连接、混气盒40的入口并联三个气体连接口 32、33和37，进料腔室4设有气体连接口 31，物理气相沉积腔室设有气体连接口 34和39、气体连接口 39与混气盒41连接、混气盒41的入口并联两个气体连接口 35和36 ;作为优选，为了精确控制气体的流量，每个气体连接口可以连有质量流量计而控制各气体的流量，每个质量流量计的两端各设有一个电磁截止阀，电磁截止阀和质量流量计通过管路与气体连接口相连接。化学气相沉积腔室2、加热装置11与气体连接口 30和/或38构成一个化学气相沉积系统。化学气相沉积腔室2还可以设有化学气相沉积系统，所述的化学气相沉积系统包括等离子体增强化学气相沉积系统、微波等离子体化学气相沉积系统、气溶胶辅助化学气相沉积系统、电感耦合等离子体化学气相沉积系统中的任意一种或二种以上的组合。物理气相沉积腔室6、加热装置13与气体连接口 34和/或39也可以构成一个热化学气相沉积系统。所述的每一抽真空装置包括各种真空泵、真空管道、真空阀门、真空计等，通过抽真空装置可以使各腔室的真空度在常压至I. OX KTwPa之间。作为优选，进料腔室4、化学气相沉积腔室2、物理气相沉积腔室6的腔壁均设有观察窗。制备二维纳米薄膜的基本过程包括将合成二维纳米薄膜所需的衬底和/或催化层放置到进料腔室4，在进料腔室4对衬底和/或催化层进行热处理，然后传递到化学气相沉积腔室2，再从化学气相沉积腔室2传递到物理气相沉积腔室6 ;在物理气相沉积腔室6，采用物理气相沉积系统19如热蒸镀沉积系统在衬底和/或催化层上制备催化层，然后采用物理气相沉积系统20如溅射沉积系统将二维纳米材料的前驱体沉积在催化层上；之后，在一定的气氛下，在物理气相沉积腔室6对二维纳米材料的前驱体进行处理而形成二维纳米薄膜；二维纳米薄膜制备后，将制备的样品取出。二维纳米材料的前驱体为含有组成二维纳米材料的元素的化合物，以合成石墨烯为例，前驱体包括无定型碳、非晶碳膜、含碳元素的有机物或聚合物等；以合成MoS2为例，前驱体包括MoS2、硫粉、MoO3粉末、(NH4) 2MoS4等；以硅烯为例，前驱体为硅片等；以氮化硼为例，前驱体可以是B3N3H6, NH3-BH3,癸硼烧/氨(decaborane/ammonia)等；以SnS为例，前驱体可以为Sn粉和FeS2粉等。制备二维纳米薄膜的基本过程还包括将合成二维纳米薄膜所需的衬底放置到进料腔室4，在进料腔室4对衬底进行热处理，然后传递化学气相沉积腔室2 ;在化学气相沉积腔室2采用化学气相沉积系统17如等离子体增强化学气相沉积系统制备二维纳米薄膜；二维纳米薄膜制备后，将制得的二维纳米薄膜样品从化学气相沉积腔室2传递到进料腔室4， 然后从进料腔室4取出。制备二维纳米薄膜的基本过程还可以是将合成二维纳米薄膜所需的衬底放置到进料腔室4，在进料腔室4对衬底进行热处理，然后经化学气相沉积腔室2传递到物理气相沉积腔室6 ;在物理气相沉积腔室6，采用物理气相沉积系统19如等离子体沉积系统在衬底上制备第一种催化层，然后采用物理气相沉积系统20如溅射沉积系统将在第一种催化层上制备第二种催化层中；之后，从物理气相沉积腔室6将制备有催化层的样品传递到化学气相沉积腔室2 ;在化学气相沉积腔室2采用化学气相沉积系统17如微波等离子化学气相沉积系统制备二维纳米薄膜；二维纳米薄膜制备后，将制得的二维纳米薄膜样品从化学气相沉积腔室2传递到进料腔室4，然后从进料腔室4取出。制备二维纳米薄膜的基本过程还可以为将合成二维纳米薄膜所需的衬底和/或催化层放置到进料腔室4，在进料腔室4对衬底和/或催化层进行热处理，然后传递到物理气相沉积腔室6 ;在物理气相沉积腔室6，采用物理气相沉积系统19如激光沉积系统将二维纳米材料的前驱体离化沉积在催化层上；之后，在一定的气氛下，在物理气相沉积腔室6对二维纳米材料的前驱体进行处理而形成二维纳米薄膜；二维纳米薄膜制备后，将制备的样品取出。二维纳米材料的前驱体为含有组成二维纳米材料的元素的化合物，以合成石墨烯为例，前驱体包括无定型碳、非晶碳膜、含碳元素的有机物或聚合物等；以合成MoS2为例，前驱体包括MoS2、硫粉、MoO3粉末、(NH4) 2MoS4等；以硅烯为例，前驱体为硅片等；以氮化硼为例，前驱体可以是B3N3H6, NH3-BH3,癸硼烧/氨(decaborane/ammonia)等；以SnS为例，前驱体可以为Sn粉和FeS2粉等。虽然已经明确展示且参考本发明的示范性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将了解，可在不脱离有所附权利要求书界定的本发明的精神和范围的情况下，对本文作各种形式上和细节上的改变。
权利要求
1.一种制备二维纳米薄膜的设备，包括化学气相沉积腔室(2)，进料腔室(4)，物理气相沉积腔室(6)和样品传递装置(I)和(8)，其特征在于 所述的进料腔室、化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室各腔室之间分别设有阀门，进料腔室设有与大气相通的阀门； 所述的物理气相沉积腔室(6)设有一个或二个以上的气体连接口 ； 所述的物理气相沉积腔室(6)设有物理气相沉积系统； 所述的化学气相沉积腔室(2)设有加热装置(11)； 所述的化学气相沉积腔室(2)设有一个或二个以上的气体连接口 ； 所述的进料腔室(4)、物理气相沉积腔室(6)和化学气相沉积腔室(2)均设有样品升降装置； 所述的进料腔室(4)、物理气相沉积腔室(6)和化学气相沉积腔室(2)中的至少一个腔室设有抽真空装置。
2.根据权利要求I所述的制备二维纳米薄膜的设备，其特征在于所述的化学气相沉积腔室(2)设有等离子体增强化学气相沉积系统、微波等离子体化学气相沉积系统、气溶胶辅助化学气相沉积系统、电感耦合等离子体化学气相沉积系统中的任意一种或二种以上的组合。
3.根据权利要求I所述的制备二维纳米薄膜的设备，其特征在于所述的物理气相沉积腔室(6)中设有离子束沉积系统、溅射沉积系统、电子束沉积系统、热蒸镀沉积系统、激光沉积系统、离子注入系统中的任意一种或二种以上的组合。
4.根据权利要求I所述的制备二维纳米薄膜的设备，其特征在于所述的物理气相沉积腔室(6)设有加热装置(13)。
5.根据权利要求I所述的制备二维纳米薄膜的设备，其特征在于所述的化学气相沉积腔室(2)和/或物理气相沉积腔室￠)的腔壁设有冷却系统。
6.根据权利要求I所述的制备二维纳米薄膜的设备，其特征在于所述的化学气相沉积腔室(2)和/或物理气相沉积腔室(6)的腔室内设有隔热屏蔽系统。
7.根据权利要求I所述的制备二维纳米薄膜的设备，其特征在于所述的进料腔室(4)设有样品处理装置(21)。
8.根据权利要求I所述的制备二维纳米薄膜的设备，其特征在于所述的进料腔室(4)设有气体连接口。
9.根据权利要求I所述的制备二维纳米薄膜的设备，其特征在于所述的物理气相沉积腔室(6)和/或化学气相沉积腔室(4)设有样品旋转装置。
10.根据权利要求I至9任一项所述的制备二维纳米薄膜的设备，其特征在于所述的二维纳米薄膜包括石墨烯薄膜、金属硫族化合物薄膜、氮化硼薄膜、硅烯薄膜、锗烯薄膜或元素周期表中第四主族的其它元素构成的类石墨烯薄膜。
全文摘要
本发明公开了一种制备二维纳米薄膜的设备，包括物理气相沉积腔室、进料腔室、化学气相沉积腔室和样品传递装置。腔室之间设有阀门，样品通过样品传递装置可以在各腔室之间传递；化学气相沉积腔室设有加热装置、气体连接口以及样品升降装置；物理气相沉积腔室设有物理气相沉积系统、样品升降装置、气体连接口；进料腔室设有样品处理装置；腔室还设有抽真空装置以及样品旋转装置。本设备结构简单、工作可靠，利用本设备，可以采用不同的技术方法可大面积地制备均匀、高性能的石墨烯、金属硫族化合物、硅烯、锗烯或氮化硼等二维纳米薄膜。
文档编号C23C16/44GK102732834SQ20121020157
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者徐明生, 王秋来, 陈红征, 黄文符 申请人:徐明生, 王秋来, 陈红征, 黄文符