一种制备石墨烯、六角氮化硼等薄膜材料的化学气相沉积装置的制作方法

技术领域：

本发明涉及薄膜生长或薄膜制备领域，更确切地说涉及制备石墨烯、六角氮化硼等薄膜材料的化学气相沉积装置。

背景技术：
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现代科学和技术需要使用大量功能各异的无机新材料或薄膜材料，如石墨烯、六角氮化硼等，一般来讲，为了达到所需的性能，这些功能材料必须是高纯的，而为了得到高纯度的产品，科学界、工艺界也发明了很多制备方法，其中，化学气相淀积法（cvd）、分子束外延生长法（mbe）等都是近几十年发展起来的制备高纯度材料的新技术。

cvd法是一种基于化学反应的薄膜淀积方法，以气体形式提供的反应物质，如制备石墨烯一般使用的甲烷、乙炔等，制备氮化硼一般使用环硼氮烷、氨硼烷等；衬底置于反应室中，在热能、等离子体或者紫外光等的作用下，气体反应物在衬底表面经化学反应（分解或合成）形成固体物质的淀积，即得到薄膜材料。

目前所使用的六角氮化硼或石墨烯的制备装置多为石英管式炉，对生长过程的控制存在以下问题：1）气压的控制性。石英管式炉的气压测量和控制一般是通过流量计和在关口的气压计完成；石墨烯的生长机理与气体的流量没有直接关系，而是同金属表面的气压有关。而该装置气路狭窄，通过流量计与管口所测量的数据不能直接表达金属表面的气压，而是具有很大的差异和延迟；2）温度的控制性。对薄膜生长过程有影响的为金属薄膜表面的温度，而实际上在石英管式炉中往往测量的是管壁外的温度，存在较大差异与延迟；3）本底杂质的控制性。石英管内杂质气体的本底真空相对比较高，一般在10^-4mbar以上，这就意味着金属表面每个原子每秒钟平均约有100次来自杂质气体的碰撞，这些杂质气体所带来的影响是复杂的不容易预知的，通常来讲会造成两个问题：一是制备方法的转移性不好，在一个系统上优化的制备方法在转移到不同生产设备的时候，由于不同系统所存在差异，相同的制备参数所给出的金属表面的气压与温度可能相差很多；二是对薄膜的生长机理理解欠佳，由于测量过程中参数的延迟与差异以及杂质气体的影响，很难通过最基本的表面科学知识解释所得到的结果。4）降温速度慢，造成高温时溶解在金属基底中的碳原子在降温过程中的大量析出，从而形成多层石墨烯甚至无定型碳。目前，石英管式炉解决降温速度慢的问题一般是采用滑轨的方式，但该方法容易造成两个问题，一是装置占地面积大，往往需要占用2倍及以上的场地；二是1000℃的石英管突然接触到室温的大气，容易造成石英管破裂等问题，影响石英管使用寿命。

技术实现要素：
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针对以上提到的问题，提出本发明。

采用不锈钢壁的冷壁cvd装置，使用分子泵+机械泵的抽气装置，本底真空可达到10^-7甚至10^-8mbar，充分减少杂质气体分子对生长过程造成的影响。在设计装置的气路时，充分考虑气体扩散的基本原理。采用内加热方式，不仅能降低能耗，而且能形成温度更均匀的恒温区，而温度测量采用直接测量样品或者充分靠近样品，从而得到更准确的温度参数。设计内加热装置的移动降温功能，实现快速降温，有效减少降温过程中碳原子的析出。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种用于制备石墨烯、六角氮化硼等薄膜材料的化学气相沉积装置，其特征在于，所述装置包括两个独立的真空腔体——主腔体（1）和副腔体（2）、加热装置（3）、测温装置、供气装置、抽气装置、冷凝装置、传动装置（4）、插板阀（5）及硼氮蒸发源（6）。其中主腔体（1）用于薄膜材料的制备，副腔体（2）用于硼氮源的洗气。

按上述方案，所述的真空腔体a带有冷凝水层，可通过循环冷凝水的方式降低腔壁温度。

按上述方案，所述真空腔体b与硼氮蒸发源直接相连接，用于硼氮源的洗气，防止硼氮源经过真空腔体a造成对主腔体的污染。

按上述方案，所述的加热装置置于真空腔体a中，采用电阻加热的方式，通过调节加热功率，可在10分钟之内快速加热至1300℃。

按上述方案，所述的测温装置由万用表（7）和k型热电偶（8）组成，其中热电偶直接置于样品（9）表面，可得到薄膜生长过程中的实际温度。

按上述方案，所述的供气装置包括减压阀（10）、微漏阀（11）、真空计（12）、气源（13），其中气源可供氮气、氢气、氩气、甲烷和乙烯等气体。减压阀连接导气管，导气管连接微漏阀，通过微漏阀的精确调节，气体进入主腔体a。

按上述方案，所述的抽气装置包括机械泵（14）、分子泵（15），分子泵通过cf接口与副腔体b连接，另一端使用kf接口通过波纹管与机械泵连接。

按上述方案，所述的冷凝装置由循环水机（16）、过滤装置（17）组成，主要为主腔体a及分子泵降温。

按上述方案，所述的插板阀可以为手动、气动、或电动插板阀，两面分别通过cf接口与主腔体a和副腔体b相连，实现隔绝与串通两个腔体的功能。

按上述方案，所述的硼氮蒸发源为帕尔贴制冷器，通过帕尔贴原理实现硼氮源的低温存储和使用，可在数分钟之内快速降温至-10℃。适用于常温下为液体的蒸发温度较低的硼氮源，如环硼氮烷等。硼氮蒸发源通过三通接口可分别通入主腔体a和副腔体b中，流量通过微漏阀调节。

附图说明：

图1.本发明的实施例装置的结构示意图；

图2.本发明的实施例装置的模型图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

作为一个具体的实施例，如图1所示，本发明的一种用于制备石墨烯、六角氮化硼等薄膜材料的化学气相沉积装置，包括两个独立的真空腔体a和b、加热装置、测温装置、供气装置、抽气装置、冷凝装置、插板阀及硼氮蒸发源。其中真空腔体a为主腔体，用于六角氮化硼/石墨烯复合薄膜的制备，真空腔体b为副腔体，用于硼氮源的洗气。

下面利用本实施例的装置实现六角氮化硼、石墨烯及六角氮化硼/石墨烯复合薄膜的制备。

一、制备六角氮化硼薄膜

1.首先制作衬底，取尺寸合适的厚度为25μm的铜箔，用酒精、丙酮等有机溶剂清洗表面污染物和氧化层；

2.将处理好的衬底置于样品台上并摆放好k型热电偶的位置，使热电偶和样品表面良好接触，然后通过传动装置将样品台移动至加热区；

3、依次打开插板阀和机械泵，待真空度降至5×10^-2mbar后打开分子泵，将主腔体a的气压抽至极限真空状态，形成1～3×10^-6mbar的真空腔；

4、将样品加热至950℃，然后通入氢气至2×10^-3mbar，在高温条件下处理铜箔30分钟；

5、关闭氢气，打开微漏阀通入环硼氮烷至2×10^-5mbar，生长时间为10分钟；

6、关闭加热，关闭环硼氮烷，将样品台通过传动装置移出加热区实现快速降温。

二、制备石墨烯薄膜

1.首先制作衬底，取尺寸合适的厚度为25μm的铜箔，用酒精、丙酮等有机溶剂清洗表面污染物和氧化层；

2.将处理好的衬底置于样品台上并摆放好k型热电偶的位置，使热电偶和样品表面良好接触，然后通过传动装置将样品台移动至加热区；

3、依次打开插板阀和机械泵，待真空度降至5×10^-2mbar后打开分子泵，将主腔体a的气压抽至极限真空状态，形成1～3×10^-6mbar的真空腔；

4、将样品加热至10000℃，然后通入氢气至2×10^-3mbar，在高温条件下处理铜箔30分钟；

5、关闭氢气，打开微漏阀通入乙烯至2×10^-3mbar，生长时间为20分钟；

6、关闭加热，关闭乙烯，将样品台通过传动装置移出加热区实现快速降温。

三、制备六角氮化硼/石墨烯复合薄膜

1、取尺寸合适的厚度为25μm的铜箔，用酒精、丙酮等有机溶剂清洗表面污染物和氧化层。然后通过磁控溅射在铜箔表面镀上一层厚度约为1μm的镍；

2、将处理好的衬底置于样品台上并摆放好k型热电偶的位置，使热电偶和样品表面良好接触，然后通过传动装置将样品台移动至加热区；

3、依次打开插板阀和机械泵，待真空度降至5×10^-2mbar后打开分子泵，将主腔体a的气压抽至极限真空状态，形成1～3×10^-6mbar的真空腔；

4、将样品加热至950℃，然后通入氢气至2×10^-3mbar，在高温条件下处理金属衬底30分钟，是铜和镍形成均匀合金；

5、关闭氢气，打开微漏阀通入环硼氮烷至2×10^-5mbar，生长时间为10分钟；

6、关闭环硼氮烷，关闭加热，样品自然降温至室温，使预先吸附在铜镍合金中的碳原子析出，在六角氮化硼和金属衬底之间形成一层石墨烯，得到六角氮化硼/石墨烯复合薄膜。