[发明专利]一种快速宏量制备超大尺寸二维材料薄膜的方法及装置

说明书

本发明提供了一种快速宏量制备超大尺寸二维材料薄膜的方法及装置，涉及超大尺寸二维材料薄膜的制备方法。所述方法为将金属箔或其他柔性耐高温衬底与柔性耐高温隔层复卷成大卷，放在支架上，并在材料生长腔中同时整体生长的方法，在金属箔或其他柔性耐高温衬底表面快速宏量制备出尺寸大，易裁剪，易加工，成本低的高质量超大尺寸二维材料薄膜。本发明提出的方法及装置，解决了传统方法制备的二维材料薄膜工艺复杂、设备昂贵，以及所制备二维材料薄膜尺寸受限、质量不高导致性能大大降低，卷对卷制备方法生长效率较低，且所需设备复杂成本较高，无法满足大规模应用的需要等技术问题，通过非常简单的方法，实现了快速宏量制备高质量超大尺寸二维材料薄膜样品。

技术领域

本发明涉及一种快速宏量制备超大尺寸二维材料薄膜的方法及装置。

背景技术

2004年，Geim等人利用机械剥离方法获得石墨烯并揭示其独特的物理性质，此后十多年以来，对石墨烯的研究一直是凝聚态物理及材料领域的热点。伴随着石墨烯研究的兴起，对其他二维材料的研究也掀起了研究热潮。采用机械剥离的方法可以获得的二维材料样品，其缺陷少、质量高，可以满足对材料的基础物理性质研究。但是，该方法获得的样品尺寸小，产量极低、效率低、且重复性差，不适合二维材料的工业化应用。现有二维材料制备方法中，化学或物理气相沉积(CVD/PVD)方法具有简单易行、操作容易、制备出的样品质量较高的特点。然而，目前CVD/PVD方法制备出的二维材料薄膜受生长腔体的尺寸限制，多数为厘米量级乃至分米量级，很大程度降低材料的应用范围；而采用卷对卷CVD/PVD的方式制备出的二维材料薄膜虽然尺寸能够达到百米乃至千米量级，但受限于二维材料的生长速度，其生长时间往往长达几天乃至几个月，生长效率较低，且所需设备复杂成本较高，无法满足大规模应用的需要。因此寻找一种有效手段快速宏量制备超大尺寸二维材料(如石墨烯，六方氮化硼、过渡金属硫族化合物、III-V族化合物、二维外尔半金属、二维超导体、二维铁电材料以及二维有机大分子自组装膜等)薄膜的方法，有利于降低成本，提高生产效率，对于二维材料的大规模应用及产业化具有重要意义。同样，快速宏量制备的超大尺寸二维材料薄膜不仅保留了二维材料本身的优异物理化学性质，其尺寸大，易裁剪，易加工，成本低的特点也极大地拓展了其在国防高技术、建筑、能源、环保、航空航天、信息技术、电子科技等国计民生各个领域的应用前景。

发明内容

本发明提出一种利用耐高温材料制成的纸、布、网或箔作为耐高温隔层与金属箔或其他柔性耐高温衬底一起复卷成大卷(可卷长度范围：＜10cm～＞100km)，放在支架上，整体直接放入化学或物理气相沉积材料生长腔中同时整体生长，从而实现快速宏量制备超大尺寸二维材料(包括石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫族化合物以及III-V族化合物等)薄膜的方法。

一种快速宏量制备超大尺寸二维材料薄膜的方法，采用柔性耐高温衬底与柔性耐高温隔层复卷成大卷，放在支架上，并在材料生长腔中同时整体生长，在柔性耐高温衬底表面快速宏量制备出高质量超大尺寸二维材料薄膜。

优选的是，所述柔性耐高温隔层包括但不限于石墨纸、氧化铝纤维纸、云母纸、石棉纸、碳纤维布、石英布、氧化铝纤维布、云母纤维布、石棉布、氧化镁纤维布、氧化铝纤维网、石墨网、石棉网、石英网、氧化镁纤维网、云母纤维网、相关的二元复合及两元以上复合的纸、布、网和箔，以及钛、钨、钼、铂、钽等高熔点金属箔、网和合金箔、网等。

优选的是，所述金属箔或其他柔性耐高温衬底包括但不限于金、银、铜、铂、钨、铁、铬、钴、镍等金属及相关合金箔，云母、石墨烯、六方氮化硼、二维过渡金属硫族化合物(如二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨等)，三五族化合物(如氮化镓、硒化镓、磷化铟等)等二维材料。

优选的是，所述金属箔片或其他柔性耐高温衬底不进行任何表面处理，即，将从公开商业途径获得的金属箔片或其他柔性耐高温衬底直接用于本方法中而不需要做任何表面预处理。

优选的是，所述方法包括如下步骤：