[发明专利]石墨烯制备系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯制备系统及方法，更明确的说，本发明涉及一种通过不同气体的输入速率以提升其石墨烯层品质的系统及方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)，是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯目前是世上最薄但最强韧的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的可见光，且导热系数高达5300W/mK，高于碳纳米管(Carbon Nanotube)和金刚石。在常温下高品质石墨烯的电子迁移率高达20000cm²/Vs，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10^-6Ω·cm，比铜或银等金属的电阻率更低，为目前世界上电阻率最小的材料。因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或电晶体。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控荧幕、光板、甚至是太阳能电池。

为了生产石墨烯，X.Li等人在Science324,1312(2009)发表的文章中提出了以铜箔为基座，并在温度1000℃左右的范围内于其表面利用气态碳料源对基座供给碳原子以于该基座的表面形成石墨烯层。接着，再将基座上的石墨烯转移至标的工件上。由于含碳气体源受到过渡金属元素催化而裂解，同时由于铜对于碳的溶解度极低，故裂解后的碳原子将直接在金属表面沉积并形成石墨烯结构。此时，石墨烯结构的良莠取决于其成长时的结晶性与晶粒大小，如果石墨烯所含的晶体缺陷较多且晶粒较小，则其电阻或电子迁移率将较低，反之，如果石墨烯所含的晶体缺陷较少且晶粒较大，则其电阻或电子迁移率将较高。日前，石墨烯成长后未经掺杂的片电阻大约在1000Ω/□，而电子迁移率大约在500-3000cm²/Vs。此石墨烯的片电阻因太高而不适用于透明导电的应用，无法在经过掺杂以后让片电阻足够低，与现有ITO工艺媲美竞争，亦难以应用在软性基板上作为透明导电如触控面板的应用。

考量现存的各工艺均无法有效地制造出高品质的石墨烯层，故如何进一步研发出一种高品质及高良率的石墨烯结构层的制造工艺，实为本领域技术人员所急欲解决的问题。

发明内容

一方面，本发明提供一种石墨烯制备系统，用以在工件的表面产生石墨烯结构，其包含有炉体、第一气源、第一控制阀、第二气源、第二控制阀、第三气源、第三控制阀、以及控制装置。炉体具有工作腔以供工件设置于其中；第一气源与工作腔连接并向工作腔供给第一气体；第一控制阀设置于工作腔及第一气源之间；第二气源与工作腔连接并向工作腔供给第二气体；第二控制阀设置于工作腔及第二气源之间；第三气源与工作腔连接并向工作腔供给第三气体；第三控制阀设置于工作腔及第三气源之间。而控制装置与第一控制阀、第二控制阀及第三控制阀耦接，储存有对应于第一程序、第二程序及第三程序的程序资料，每一程序按序地包含有第一指令、第二指令、第三指令及第四指令，第一指令为增加第一控制阀的流通量，第二指令为减少第一控制阀的流通量，第三指令为增加第一控制阀的流通量，第四指令为减少第一控制阀的流通量，第一至第四指令的时间长短可相同或相异，视实际生长石墨烯的尺寸大小与温度高低而决定。

其中，在应用时，控制装置根据程序资料来以第一程序、第二程序及第三程序分别地控制第一控制阀、第二控制阀及第三控制阀以对其流通量进行控制，第一气体于进入工作腔后，将受热裂解进而于工件的表面形成石墨烯。

另一方面，本发明还提供一种石墨烯制备方法，与前述的系统相对应，其主要步骤包含将工件置放于工作腔中；升温至反应温度后，第一程序将第一气体输入工作腔；第二程序将第二气体输入工作腔；以及第三程序将第三气体输入工作腔，每一程序包含有多个反应区段，每一反应区段具有第一区间、第二区间、第三区间及第四区间，分别对应于气体流量控制系统的第一指令、第二指令、第三指令及第四指令；通过对此三种输入气体施以不同大小的流量控制，使第一气体经受炉体内部的高温进行裂解并释出多个碳粒子，此时沉积的多个碳粒子因受到不同气体流量的变化而部分成核生长成石墨烯，而部分则因与氢气反应而消失，从而达到于工件的表面沉积具有大晶粒、低片电阻的石墨烯结构。

另外，工件包含有反应金属箔、而第一气体为含碳气体；第二气体为含氢气气体；第三气体为含氩气气体或其他惰性气体组合。而于实际应用时，第一区间及第三区间中的第一气体的体积流量介于2至640sccm，而第一区间、第二区间、第三区间及第四区间中的第二气体与第三气体的体积流量分别介于8-860sccm之间与300-4200sccm之间。