一种实现多种二维材料异质结的生长设备及制备方法

本发明涉及化学气相沉积，尤其涉及一种实现多种二维材料异质结的生长设备及制备方法。

背景技术：

1、单层石墨烯作为代表性的二维材料，具有超高的载流子迁移率、高导热性、高机械强度和高透光率等多种优良特性，在光学器件，集成电路，航空航天等多个领域都有巨大的应用前景。

2、近十几年来，关于二维材料的研究呈指数级增长，除了石墨烯之外，二维六方氮化硼、过渡族金属硫化物、黑磷等诸多二维材料也被依次制备出来，极大地拓展了二维材料的性能和应用，除了对单一二维材料的性质、生长、应用等的研究以外，多种二维材料相互作用形成的异质结构同样也是目前研究的热点，例如石墨烯/h-bn垂直异质结在场效应晶体管的制备中起到了大大增加器件的载流子迁移率的作用，远大于硅上石墨烯中载流子的迁移率等。

3、进行二维材料合成的方法有机械剥离法，磁控溅射法，化学气相沉积等，其中机械剥离法操作简单，且容易得到高质量的材料，但尺寸较小、层数不好控制、重复性差且产率较低，极大的限制了在大规模生产中的实际应用；而对于磁控溅射法而言，其优点是生长无需衬底催化作用，且常温下即可完成制备，制备速度极快，但是存在靶材选取困难，生长成本高，材料结晶质量差等问题，目前市场上主流的二维材料合成方法是化学气相沉积法，其原理是利用气态或蒸汽态物质作为前驱体，运送到后端高温生长区，在衬底表面发生化学反应生成固态沉积物，化学气相沉积法具有成本低廉，层数可控性强，能够适用于大面积高质量连续薄膜制备等多种有点。

4、目前采用管式炉进行二维材料异质结化学气相沉积的主要步骤是在一种生长设备中完成第一层二维材料在衬底上的生长，随后将样品放置在第二种专用生长设备中进行异质结的合成，在样品从一个设备到另一个设备的运送过程中，可能吸附杂质造成污染，与此同时，若在单个设备中进行多种二维材料连续合成，不同的前驱体源在后端高温区处发生各化学反应，可能导致杂质吸附在设备内壁，对后续造成严重干扰与污染。

技术实现思路

1、为了解决异质结化学气相沉积制备时容易导致衬底上吸附杂质或杂质吸附在设备内壁的问题，本发明提出一种实现多种二维材料异质结的生长设备及制备方法。

2、本发明通过以下技术方案实现的：

3、本发明提出实现多种二维材料异质结的生长设备包括样品台、驱动装置、固定架和容纳组件，其中：

4、所述容纳组件包括第一内管、第二内管和第三内管，所述第一内管位于所述第二内管内侧，所述第三内管位于所述第二内管外侧，所述第一内管、所述第二内管和所述第三内管一侧分别与所述驱动装置固定连接，所述容纳组件还包括容纳管，所述容纳管内部设有容纳腔，所述第一内管、所述第二内管和所述第三内管位于所述容纳腔内部，所述容纳管固定于所述固定架顶部一侧；

5、所述样品台位于所述第一内管内侧，所述样品台用于容纳衬底，所述样品台通过机械臂进行支撑固定，所述驱动装置分别带动所述第一内管、所述第二内管和所述第三内管进行移动至所述样品台一侧，随后样品台上的衬底分别在所述第一内管、所述第二内管和所述第三内管完成二维材料生长。

6、进一步的，还包括真空装置，所述真空装置包括真空泵和出气管，所述真空泵位于所述容纳组件远离所述驱动装置一侧，所述真空泵通过出气管与所述样品台内部空间进行连通。

7、进一步的，所述出气管上设有压力计，所述压力计用于检测所述容纳腔内部的压力值。

8、进一步的，所述还包括供气装置，所述供气装置包括混气箱和运气管，所述运气管一端与所述容纳管一侧连接并与所述容纳腔相通，另一端与所述混气箱连接，所述混气箱位于所述固定架底部远离所述容纳组件一侧。

9、进一步的，所述运气管上还设有进气阀，所述进气阀用于控制运气管的通断。

10、进一步的，所述运气管上设有流量计，所述流量计用于检测气体流量。

11、进一步的，还包括气控系统，所述气控系统与所述混气箱集成。

12、进一步的，还包括加热箱，所述加热箱位于所述容纳管底部一侧，所述加热箱与所述固定架固定连接。

13、进一步的，所述驱动装置包括齿轮传动装置，所述传动装置包括伸缩杆和传动机构，所述伸缩杆设有多个，多个所述伸缩杆一端分别与所述第一内管、所述第二内管和所述第三内管固定连接，另一端与所述传动机构连接。

14、进一步的，一种实现多种二维材料异质结的生长设备的制备方法，包括以下步骤：

15、s1.将衬底放置在样品台内，并依次对容纳管内进行真空和通气扫腔处理；

16、s2.设置混气箱分别进行通入不同的气源，并分别设置加热箱中不同气源生长所需的升温程序；

17、s3.分别在第一内管、第二内管、第三内管完成不同二维材料生长；

18、s4.停止气体通入，关闭混气箱和加热箱，降温后得到成品。

19、本发明的有益效果：

20、本发明提出的实现多种二维材料异质结的生长设备通过第一内管、第二内管和第三内管的可移动设置，容纳管进行容纳第一内管、第二内管和第三内管，样品台设置在第三内管的内侧，随后驱动装置进行带动三个内管移动，使样品台在不同的内管上分别完成不同的二维材料生长，既能在一个设备内完成多种二维材料生长，又不会出现不同二维材料生长时形成的杂质吸附在同一内壁上对后续反应造成严重干扰和污染。

技术特征：

1.一种实现多种二维材料异质结的生长设备，其特征在于，包括样品台、驱动装置、固定架和容纳组件，其中：

2.根据权利要求1所述的实现多种二维材料异质结的生长设备，其特征在于，还包括真空装置，所述真空装置包括真空泵和出气管，所述真空泵位于所述容纳组件远离所述驱动装置一侧，所述真空泵通过出气管与所述样品台内部空间进行连通。

3.根据权利要求2所述的实现多种二维材料异质结的生长设备，其特征在于，所述出气管上设有压力计，所述压力计用于检测所述容纳腔内部的压力值。

4.根据权利要求1所述的实现多种二维材料异质结的生长设备，其特征在于，所述还包括供气装置，所述供气装置包括混气箱和运气管，所述运气管一端与所述容纳管一侧连接并与所述容纳腔相通，另一端与所述混气箱连接，所述混气箱位于所述固定架底部远离所述容纳组件一侧。

5.根据权利要求4所述的实现多种二维材料异质结的生长设备，其特征在于，所述运气管上还设有进气阀，所述进气阀用于控制运气管的通断。

6.根据权利要求5所述的实现多种二维材料异质结的生长设备，其特征在于，所述运气管上设有流量计，所述流量计用于检测气体流量。

7.根据权利要求6所述的实现多种二维材料异质结的生长设备，其特征在于，还包括气控系统，所述气控系统与所述混气箱集成。

8.根据权利要求1所述的实现多种二维材料异质结的生长设备，其特征在于，还包括加热箱，所述加热箱位于所述容纳管底部一侧，所述加热箱与所述固定架固定连接。

9.根据权利要求1所述的实现多种二维材料异质结的生长设备，其特征在于，所述驱动装置包括齿轮传动装置，所述传动装置包括伸缩杆和传动机构，所述伸缩杆设有多个，多个所述伸缩杆一端分别与所述第一内管、所述第二内管和所述第三内管固定连接，另一端与所述传动机构连接。

10.根据权利要求1-9所述的实现多种二维材料异质结的生长设备的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明提出一种实现多种二维材料异质结的生长设备，具体涉及于化学气相沉积技术领域,实现多种二维材料异质结的生长设备包括样品台、驱动装置、固定架和容纳组件，容纳组件包括第一内管、第二内管和第三内管，容纳组件还包括容纳管，容纳管内部设有容纳腔，第一内管、第二内管和第三内管位于容纳腔内部；样品台位于第一内管内侧，驱动装置分别带动第一内管、第二内管和第三内管进行移动至样品台一侧，随后样品台上的衬底分别在第一内管、第二内管和第三内管完成二维材料生长，通过第一内管、第二内管和第三内管内分别完成不同的二维材料生长，同一设备内完成多种二维材料生长的同时，又能避免对其他生长管壁造成污染导致杂质吸附。

技术研发人员：孙晓娟,程宇昂,陈洋,黎大兵,蒋科,石芝铭,贲建伟,吕顺鹏,贾玉萍
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17