[发明专利]一种高温下连续生长石墨烯的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种生长石墨烯的装置。

背景技术

石墨烯是由碳原子组成的仅一个原子层厚的二维晶体。但由于石墨烯有独特的光学、电学、力学性质，在近几年得到的人们的广泛关注。而石墨烯的发现者Andre Geim 和Konstantin Novoselov也因其在石墨烯方面的开创性工作而获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯几乎是完全透明的，它在整个波段仅吸收2.3%的光。此外，石墨烯还有很好的导热性和导电性，常温其电子迁移率超过15000cm2/V·s，超过碳纳米管和硅晶体，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银的更低，是目前世上电阻率最小的材料。由于石墨烯是集超高机械强度、良好导热性、高光学透明度和超强导电性等优异性质于一体的新型材料，它在显示、能源、探测及光电子等领域具有广泛的应用前景，石墨烯的应用开发也将给众多研究领域带来革命性转移。

如何大规模、连续制备大面积、高质量的石墨烯，是石墨烯应用产业化中面临的关键科学和技术问题。经过几年的研究，目前已发展出若干种石墨烯制备方法，如机械剥离法、外延生长法、化学还原氧化石墨法、化学气相沉积法（CVD）等，其中CVD制备石墨烯是目前最具有前景的方法之一，因为用CVD方法可以制备大面积均匀的单层石墨烯。

然而，由于制备工艺的限制，目前大规模、连续制备大面积均匀单层石墨烯的方法及设备一直没有取得突破，极大的影响了石墨烯应用产业化的推广，阻碍了石墨烯的进一步发展。虽然在实验可以实现对角线达30英寸（约76cm）的单层大面积石墨烯的制备，但受设备及工艺的限制，仍无法实现大面积、高质量石墨烯的连续、快速制备。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高温下连续生长石墨烯的装置，它克服了石墨烯生长连续制备与高温不兼容的问题，它可以使生长基底在高温下连续、平稳的生长石墨烯，实现大面积均匀石墨烯的规模化制备。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有内设真空室的密封机柜、卷有基底的放料辊轮、用于卷收基底的收料辊轮和内设竖直基底通道的加热器，所述放料辊轮、收料辊轮和加热器均安装在真空室内，在加热器的基底通道内设置有用于穿过基底的竖直反应腔，在机柜上安装有连通至竖直反应腔的进气机构，在加热器与收料辊轮之间还设置有用于冷却基底的冷却机构，所述装置还包括有用于给真空室抽真空的真空泵组。

进一步，所述进气机构包括有三路进气管、一个混气室和一个出气管，三路进气管连通至混气室，混气室通过出气管连通至竖直反应腔内，三路进气管通过质子流量控制器精确控制。

进一步，所述装置还包括有用于基底导向的一组以上的驱动导向辊轮组，每驱动导向辊轮组分别与一个放料辊轮和一个收料辊轮相对应，每组驱动导向辊轮组均包括有一个放料驱动导向辊轮I和一个收料驱动导向辊轮II，放料驱动导向辊轮I设置在放料辊轮与加热器之间，收料驱动导向辊轮II设置在冷却机构与收料辊轮之间。

进一步，所述放料驱动导向辊轮I包括有一组对压辊轮和一个转向辊轮。

进一步，所述冷却系统为水冷系统、风冷系统或液氮冷系统。

进一步，所述装置还包括有安装在机柜上的真空计。

进一步，在所述机柜上设置有压力释放口。

进一步，所述竖直反应腔由高温稳定管材制成，竖直反应腔的长度为10mm至5000mm。

进一步，所述高温稳定管材为石英管或刚玉管。

进一步，在所述加热器上设置有一段以上的温度控制器，每段温度控制器均对应一个安装在加热器上的测温热偶。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

工作时，基底卷在放料辊轮上，基底的端头穿过竖直反应腔连接在收料辊轮上，真空泵组为竖直反应腔提供真空的反应条件，进气机构向竖直反应腔提供石墨烯生长反应气体，加热器为石墨烯生长提供温度条件。在满足的生长条件后，基底在竖直反应腔内生长石墨烯，石墨烯生长完毕后，放料辊轮和收料辊轮同步转动，将生长了石墨烯的基底卷到收料辊轮上，未生长石墨烯的基底进入竖直反应腔，进行石墨烯生长培育。本发明解决了目前大面积、高质量石墨烯制备需在生长基底熔点温度1000℃的高温下进行，不适合连续、规模化制备的瓶颈问题，生长基底在进入竖直反应腔后除受重力外，避免其它拉动外力，确保生长基底在高温下的完整、稳定的生长石墨烯。