[发明专利]石墨烯生产方法和连续式生产装置

说明书

技术领域

本发明属于电子材料制造领域，具体涉及一种石墨烯薄膜的制备方法和一种石墨烯薄膜连续式生产装置。

背景技术

石墨烯材料常温下电子迁移率超过15000 cm²/V·s，高于单晶硅，而电阻率只约10^-6 Ω·cm，为目前世上电阻率最小的材料。此外，石墨烯同时具有优异的机械性能和良好的透明性。这些特性使石墨烯有望成为下一代半导体芯片和平板显示领域的基础材料。

目前，大面积石墨烯主要使用化学气相沉积法制备。传统的化学气象沉积法使用对整个真空腔体进行加热，从而完成石墨烯生长基底的退火和碳源气体的分解，普遍存在着能耗高、难以大面积生产的问题，限制了石墨烯的大规模生产和应用。

发明内容

本发明提出了一种在真空腔体内设置加热器件，使用对石墨烯生长基底局部加热的方法取代传统化学气相沉积法对中整个反应腔体进行加热的方法，并设计了以此方法为基础的石墨烯连续式生产装置。

本发明的特点是在真空腔体内设置加热器件，采用局部加热的方式对石墨烯生长基底进行高温退火并为化学气相沉积石墨烯薄膜提供高温环境，促进碳源气体的分解，提供石墨烯晶体薄膜生长所需的碳原子。

进一步，局部加热所用的加热方式为电阻加热、微波加热、红外加热、激光加热中的一种或者多种。

进一步，加热器和生长基底两者相对运动，可以采取加热器运动而生长基底静止，或者加热器静止而生长基底移动，或者两者均移动但是有一个相对速度的运动方式。

本发明的另一特点是在一个真空腔体中集成生长基底退火系统、石墨烯化学气相沉积系统、石墨烯薄膜快速降温系统和传动系统。

进一步，传动系统由卷对卷系统（roll to roll）或者传送带系统构成，分别用于柔性生长基底和脆性生长基底的传动，使生长基底依次通过生长基底退火系统、化学气象沉积系统和快速降温系统，完成石墨烯晶体薄膜的连续生长。。

进一步，生长基底退火系统用来对生长基底加热退火，加热装置可以置于生长基底的上表面或下表面方，或者上下表面均使用加热装置进行高温退火；加热装置可以接触生长衬底，亦可不接触生长基底。加热装置将生长基底加热至500^oC至1600^oC，保持此温度1至30分钟。具体的退火温度和退火时间由所使用的生长基底决定。

进一步，化学气相沉积系统用来分解碳源气体提供碳原子，使碳原子在高温生长基底上外延生长为石墨烯薄膜。碳源气体的分解可以使用加热分解、等离子体增强或者激光诱导分解的方式。化学气相沉积系统中所用的加热器件位于生长基底的上表面或者下表面，或者上下表面均使用加热器件加热，加热器可以接触生长基底，也可不接触生长基底。

进一步，所用的化学气象沉积系统可以使用普通化学气象沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、微波等离子体化学气相沉积法、热丝化学气相沉积法、直流等离子化学气相沉积法、射频等离子化学气相沉积法、直流电弧等离子化学气相沉积法、激光诱导化学气相沉积法中的一种、两种或两种以上的方法。

 进一步，快速降温系统使用液体冷却或者风冷的方式在石墨烯薄膜和生长基底的上方或下方形成一个低温区域，使石墨烯薄膜的降温速度大于每分钟200^oC。

进一步，生长基底退火系统和化学气相沉积系统可以合二为一，利用石墨烯生长区内化学气象趁机系统的加热装置，在石墨烯生长的同时对生长基底进行高温退火。

附图说明

附图1是实施例1所用的连续生产装置剖面图。

附图2是实施例2所用的连续生产装置剖面图。

附图3是实施例3所用的连续生产装置剖面图。

附图4是实施例4所用的连续生产装置剖面图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的方法和装置做更详细的解释，但本发明不局限于以下实例。