一种直接制备复合图案化石墨烯的装置及方法与流程

本发明涉及石墨烯制备领域，特别涉及一种直接制备复合图案化石墨烯的装置及方法。

背景技术：

石墨烯是由单层碳原子基于sp2杂化组成的六角蜂窝状二维晶体，具有十分优异的电学、光学和力学性能。化学气相沉积法是取得高质量石墨烯的有效途径之一，也是目前可以实现产业化生产的方法之一。

现有化学气相沉积法制备石墨烯是利用甲烷、乙炔等气态碳源在高温条件下分解并在衬底催化作用下脱氢形成含碳活性基团，当含碳活性基团在衬底上累计达到一定浓度时便在衬底表面形核生长，形成石墨烯。以氢气为保护气体，以铜箔、镍箔等金属作为基底。但是对于密闭容器抽取真空来说非常耗时。

由于化学气相沉积法制备的石墨烯为大面积连续的结构，所以在石墨烯器件的制备过程中，如何精确快捷地得到所需的石墨烯图案，成为了石墨烯器件发展的制约因素之一。现有石墨烯图案化的方法主要分两类：

(1)对已有石墨烯进行选区去除得到图案化石墨烯。此类方法中最为常见的是光刻掩模法，但不同的微图案通常需要不同的掩模板，效率较低。而且在石墨烯转移过程中由于掩模板与石墨烯薄膜的粘连会造成石墨烯薄膜的破坏。因此非常需要可用于制造石墨烯微图案的无掩模方法。

(2)利用激光在石墨烯薄膜上直接扫描出图案。此类方法简单高效污染小，但局限于制备单层石墨烯图案。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种直接制备复合图案化石墨烯的装置及方法，不用将密闭容器抽取真空，有效节省时间；同时可以使甲烷和氢气在装置内形成循环流动，保证金属基底上的气态碳源足够充分；而且可以制备出复合图案化的石墨烯薄膜。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种直接制备复合图案化石墨烯的装置，包括反应室、加热装置和激光器，所述反应室切向方向至少设有2个进气装置，所述反应室底部设有排气口，用于产生上升的螺旋循环气流和下降的径向气流；所述径向气流由排气口排出；反应室内的所述径向气流路径上设有加热装置，所述加热装置用于使石墨烯生长；所述激光器用于产生激光束使生长的石墨烯薄膜产生复合图案。

进一步，所述反应室的上部为锥台形，所述反应室的下部分为圆柱形；所述圆柱形表面切向方向设有至少2个进气装置。

进一步，还包括气体混合室，所述气体混合室与排气口连通，所述气体混合室与每个所述进气装置之间通过气泵连通。

进一步，所述反应室顶部密封安装透明进样口，所述激光束通过透明进样口射入反应室内。

进一步，所述加热装置包括若干钢针和加热丝，若干所述钢针均布成点阵式加热区域，相邻所述钢针之间的间隙填充耐高温隔热材料，任一所述钢针表面缠绕所述电热丝，通过控制每个所述电热丝的状态，用于实现不同区域的加热。

进一步，所述加热装置底部设有可升降工作平台。

进一步，还包括主进气阀、排气阀和次进气阀；所述进气装置上设有主进气阀，所述气体混合室出口处安装排气阀，所述气体混合室与每个所述进气装置之间安装次进气阀。

一种直接制备复合图案化石墨烯的方法，包括如下步骤：

排空反应室内空气：打开主进气阀和排气阀，用于将反应室内空气排出；

形成内循环气流：关闭排气阀，启动气泵，使反应室内部产生上升的螺旋循环气流和下降的径向气流；

金属基底的加热：通过控制每个所述电热丝的工作，使不同区域的金属基底温度不一致，导致不同金属基底区域的石墨烯生长不同，实现单层精细化图案；

激光扫描：通过激光束在原单层精细化图案表面再次烧蚀图案，产生复合图案。

进一步，所述电热丝发热温度控制为300-500℃。

进一步，还包括如下步骤：

快速冷却：关闭电热丝，关闭次进气阀，打开至少一个主进气阀，让金属基底在气流作用下快速冷却。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的直接制备复合图案化石墨烯的装置及方法，不用将密闭容器抽取真空，有效节省时间；同时可以使甲烷和氢气在装置内形成循环流动，保证金属基底上的气态碳源足够充分；而且可以制备出复合图案化的石墨烯薄膜。

2.本发明所述的直接制备复合图案化石墨烯的装置及方法，通过对控制各点阵上的电热丝的正极与负极的电平，有效的控制各区域的通电与断电，实现不同区域的加热，从而实现在石墨烯薄膜上制备单层精细化图案；通过控制激光在石墨烯薄膜表面不同烧蚀路径实现图案化，最终达到复合图案化效果。

附图说明

图1为本发明所述的直接制备复合图案化石墨烯的装置结构图。

图2为本发明所述的直接制备复合图案化石墨烯的装置剖视图。

图3为本发明所述的气流路径示意图。

图4为本发明点阵式加热器示意图。

图5为本发明fluent仿真迹线图。

图6位本发明fluent仿真剖面上的速度矢量图。

图中：

1-反应室；2-气态碳源进气口；3-氢气进气口；41-排气口；42-气体混合室排气口；51-第一通气管；52-第二通气管；61-第一主进气阀；62-第二主进气阀；63-第一次进气阀；64-第二次进气阀；65-排气阀；71-第一气泵；72-第二气泵；8-气体混合室；9-工作台；10-高度调节机构；11-加热装置；111-钢针；112-加热丝；113-耐高温隔热材料；12-透明进样口；13-激光器；14-甲烷气体瓶；15-氢气瓶；16-滤网。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、图2和图3所示，本发明所述的直接制备复合图案化石墨烯的装置，包括反应室1、加热装置11和激光器14；所述反应室1采用立式圆锥形筒腔体，筒的上部分为圆锥体，筒的下部分为圆柱体。圆柱体切线方向左右两侧各装有一个气体入口管，分别为气态碳源进气口2和氢气进气口3，所述气态碳源进气口2与甲烷气体瓶14连通；所述氢气进气口3与氢气瓶15连通；所述气态碳源进气口2与甲烷气体瓶14之间安装第一主进气阀61；所述氢气进气口3与氢气瓶15之间安装第二主进气阀62；所述反应室1底部设有排气口41；排气口41与气体混合室8相连，所述气体混合室8上设有第一通气管51、第二通气管52和气体混合室排气口42；所述第一通气管51用于连通气体混合室8与气态碳源进气口2；所述第二通气管52用于连通气体混合室8与氢气进气口3；所述第一通气管51上安装第一气泵71和第一次进气阀63；所述第二通气管52上安装第二气泵72和第二次进气阀64；气体混合室8上安装排气阀65。进气的时候打开第一主进气阀61、第二主进气阀62和排气阀65，设置两种气体气流速度，通入气体一定时间以排去圆锥形反应室1中的空气；之后关闭排气阀65，继续通入甲烷和氢气一定时间后关闭第一主进气阀61和第二主进气阀62；启动第一气泵71和第二气泵72，使气体在整个互通装置内形成循环。气流在装置内由直线运动变为圆周运动，旋转气流沿器壁圆筒体呈螺旋形向上朝锥体流动。旋转上升的外旋气流，在上升过程中不断向分离器的中心部分流入，形成向心的径向气流，这部分气流构成了旋转向下的内旋流。可以有效使两种气体在装置内充分循环，以保证金属基底上的气态碳源足够充分。

反应室1内部中心有一工作台9，所述工作台通过高度调节机构10与中空腔体底部相连。所述工作台9上放置加热装置11，如图4所示，所述加热装置11包括若干钢针111和加热丝112，若干所述钢针111均布成点阵式加热区域，相邻所述钢针111之间的间隙填充耐高温隔热材料，任一所述钢针111表面缠绕所述电热丝112，通过控制每个所述电热丝112的状态，用于实现不同区域的加热。由128×128个钢针111组成点阵式加热区域，钢针111上缠绕碳纤维电热丝112。每个钢针111间隙填充耐高温隔热材料113，各电热丝112按照以一定方式连接线路，整体以单片机为核心，通过编程控制每个电热丝112的正极与负极的电平，可以有效的控制各电热丝的通电与断电，实现不同区域的加热。采用镍箔或铜箔等金属基底作为生长基底，置于电热丝之上。镍箔不同区域受热不同，因而气态碳源受热分解情况不同，导致不同区域的石墨烯生长不同，达到单层精细化图案效果。激光器13位于整个装置的正上方，通过激光烧蚀路径形成图案，可以使生长的石墨烯薄膜达到复合图案化效果。耐高温隔热材料为陶瓷材料。所述排气口41与气体混合室8之间设有滤网16，用于过滤杂物。

所述反应室1顶部为透明石英玻璃进样口12，从该位置拿取试样。所述工作台高度调节机构10可以调节工作台相对于装置底部的高度，对比石墨烯的生长情况。

图5为本发明fluent仿真迹线图。两个通气口的通气速度分别为200mm/s和400mm/s，混合气体在装置内呈螺旋形上升后又旋转向下形成内旋流，以保证两种气体在装置内充分接触混合。

图6为本发明fluent仿真剖面上的速度矢量图。由图可知剖面上外圈螺旋形气流速度高而内圈螺旋形气流速度低。

一种直接制备复合图案化石墨烯的方法，包括如下步骤：

s01：将试样放入工作台上并固定好；

s02：打开第一主进气阀61、第二主进气阀62和排气阀65，设置两种气体气流速度，通入气体一定时间以排去圆锥形反应室1中的空气；

s03：打开第一次进气阀63和第二次进气阀64一定时间，用于排去第一通气管51和第二通气管52内的空气；

s04：关闭排气阀65，继续通入甲烷和氢气一定时间后关闭第一主进气阀61和第二主进气阀62；

s05：启动第一气泵71和第二气泵72，使气体在整个互通装置内形成循环。气流在装置内由直线运动变为圆周运动，旋转气流沿器壁圆筒体呈螺旋形向上朝锥体流动。旋转上升的外旋气流，在上升过程中不断向分离器的中心部分流入，形成向心的径向气流，这部分气流构成了旋转向下的内旋流。可以有效使两种气体在装置内充分循环，以保证金属基底上的气态碳源足够充分。

s06：通过对单片机编程控制各点阵上的电热丝112的正极与负极的电平，有效的控制各区域的通电与断电，从而实现不同区域的加热，碳纤维电热丝发热温度控制为300-500℃；

s07：开启激光器13，调节激光功率密度，持续一定时间；所述激光器为固体激光器，其发射波长为532nm，功率为10w；

s08：关闭加热装置11，关闭第一次进气阀63和第二次进气阀64，打开第二主进气阀62，让镍箔在氢气流下以一定速度快速冷却；

s09：调节激光器的扫描速度，以2000-3000mm/s扫描速度进行加热和图案化，使之在石墨烯薄膜表面按照扫描路径烧蚀出图案，在原单层精细化图案表面再次烧蚀图案达到复合图案化效果。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。