[发明专利]一种激光冷壁环境控制的石墨烯生长系统

说明书

本发明属于石墨烯生长设备技术领域，具体涉及一种激光冷壁环境控制的石墨烯生长系统，通过将加热单元由传统的电阻丝加热改为激光加热，为石墨烯晶体的形核与生长过程提供了稳定的催化背景，为高质量二维晶体的生长提供了有力保障；同时激光加热使反应腔内环境温度始终保持低温，不需提供额外的冷却系统，使得设备结构更加紧凑，并且有效地缩短了石墨烯生长的时间，提高了制备效率；通过四极质谱仪和关联双向反馈系统，可以实时追踪石墨烯生长气氛，实现精确调控反应环境，并使得供气系统与侦测系统形成动态输出与反馈体系，从而实现对石墨烯生长参数的精确调控；通过精确调控反应气氛实现一台设备生产不同品质用途的石墨烯。

技术领域

本发明属于石墨烯生长设备技术领域，具体涉及一种激光冷壁环境控制的石墨烯生长系统。

背景技术

石墨烯是碳原子以SP²杂化轨道成键形成正六边形蜂窝结构的二维材料。因其单原子厚度特性与成键方式，在石墨烯碳骨架的上下平面内存在着由大π键所形成的电子离域。因而石墨烯具有优异的电子迁移率、良好导热性、高透光性、和高机械强度等特性。基于这些特点，石墨烯被认为是可替代硅基半导体的下一代电子产品的新型材料。目前在纳米电子器件、超级计算机芯片、碳晶体管、光电感应设备、储氢材料等领域均有应用。

目前研究的石墨烯的制备方法主要有机械球磨剥离法、碳化硅外延生长法、化学气相沉积法、固态碳源催化法、氧化石墨还原法、石墨插层法等。

化学气相沉积法（CVD）最早出现在二十世纪六十年代，主要用来制备高纯度、高性能的固体薄膜。石墨烯的化学气相沉积的原理是：将一种含碳的气态物质在高温和高真空的环境下，用氢气作为还原性气体，通入到炉内，生成石墨烯全部沉积在衬底表面。化学气相沉积法（CVD法）制备石墨烯的碳源为甲烷（CH₄）、乙烯（C₂H₄）及乙炔（C₂H₂）等，原料充足价位低；而制备设备可用CVD反应室，工艺简单易行，产品质量很高，可实现规模化大面积生长。因此CVD生长是目前最广泛应用的制备大面积石墨烯的方法。

然而，在石墨烯走向实际应用的过程中获得高质量大面积石墨烯仍是制约其发展的主要障碍。虽然在制备方面已报道能够获得30英寸的石墨烯，但由于石墨烯晶体生长参数太过敏感，其质量受生产设备的影响非常大。

采用化学气相沉积法制备石墨烯的设备有CVD管式炉、微波等离子CVD设备、磁控溅射CVD设备等。CVD管式炉：设备简单，操作容易，但是反应温度高，时间较长，耗费能量较大，无法制备大面积的石墨烯；此外，由于没有压力，薄膜生长容易形成褶皱，减小平整度。微波等离子CVD设备：是将微波发生器产生的微波用波导管经隔离器进入反应器，并通入甲烷和氢气的混合气体，从而产生甲烷-氢气等离子体，在基底表面进行沉积；此法由于具有等离子体的辅助沉积，使其具有沉积温度低，时间短等优点。磁控溅射CVD设备：磁控溅射CVD系统属于冷壁腔CVD系统，也就是说在反应中只有衬底处是有效的加热区；高温下，碳氢气体只在衬底上分解，不会造成碳过多而产生的抑制石墨烯生长的现象。

上述的石墨烯制备设备中，CVD管式炉和微波等离子CVD设备的加热方式通常为电阻丝，该加热方式在升高石墨烯生长基底表面温度的同时，环境温度也会随之升高，而后需要专门的冷却系统降温。此外高温壁在生长过程中会起到裂解碳氢前驱体的催化效果，使得石墨烯生长过程carbon-feeding过程更为复杂，从而导致多层石墨烯的产生并增加生长参数操控难度；而磁控溅射CVD系统虽然属于冷壁腔CVD系统，但该生长方式不可用于制备高品质单晶石墨烯。

现有技术中CVD法制备石墨烯的设备均很难实现精确操控石墨烯生长过程，因此在现有生产工艺中利用现有设备很难得到高质量、大面积的石墨烯。

发明内容