[发明专利]易于气相动力学平衡的石墨烯化学气相法制备炉体装置

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯化学气相沉积法制备及其气相动力学控制领域，尤其涉及一种易于气相动力学平衡的石墨烯化学气相法制备炉体装置。

背景技术

石墨烯是一种新型的碳质材料，是由碳原子以六边形结构排列的二维晶体，是第一种真正意义上的二维材料。由于其优异的力、热、光、电、磁特性，使得它在纳米光电子器件方面具有巨大的应用前景，如下一代高速晶体管，透明电极，光电、压力传感器等。为此，如何制备大面积高质量的石墨烯便成为目前的研究热点。在众多的制备方法中，化学气相沉积CVD法被认为是最有希望成为实现工业化生产石墨烯的解决方案，并且已经取得了令人瞩目的进展。然而，在化学气相沉积制备石墨烯过程中，影响石墨烯生长的因素很复杂，除了碳源、基底材料外，压力、温度、气体流量、反应装置等都是影响因素。其中，反应装置即炉体的几何形状对石墨烯的生长有着重大影响。传统化学气相沉积CVD法制备石墨烯的真空炉，其炉体几何形状基本上是直管的，反应气体混合物在炉体中流动(即从管子上游向管子下游运动)时存在气相动力学平衡问题，因而常常造成石墨烯生长不均，从而直接影响石墨烯的质量。因此，如何改进反应炉体结构实现控制气相动力学平衡成为目前十分迫切的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种易于气相动力学平衡的石墨烯化学气相法制备炉体装置，以实现对化学气相法制备石墨烯的气相动力学控制，进而高质量地制备石墨烯。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：易于气相动力学平衡的石墨烯化学气相法制备炉体装置，主要由炉体及其进气口和出气口组成，炉体为球形炉体。

球形炉体采用圆球形状，炉体中的炉膛采用弧形结构。

进气口和出气口轴向呈90度角。

进气口垂直设置在球形炉体顶端。

进气口采用大口径多路进气导管设计，进气口直径为球形炉体直径的1/2。

出气口水平设置在球形炉体中部。

出气口为多个且对称分布。

出气口为2-8个，且出气口截面积之和等于进气口截面积。

针对目前化学气相沉积CVD法制备石墨烯存在的问题，发明人设计制作了一种易于气相动力学平衡的石墨烯化学气相法制备炉体装置，该装置完全抛弃了传统直管型真空炉的结构，创新运用球形炉体，将炉膛由原有的圆柱结构改变为弧形结构，因而炉膛内气体流动也由线性变为非线性流动方式。同时，本发明结合进气口和出气口的布置，可以实现对化学气相法制备石墨烯的气相动力学控制，解决了直管型真空炉炉体内气体径向、线性气流所引起的基底材料表面边界层的气相动力学平衡问题及其影响石墨烯质量的难题，实现了石墨烯化学气相法制备的气相动力学控制和平衡，进而高质量地制备石墨烯。

附图说明

图1是本发明易于气相动力学平衡的石墨烯化学气相法制备炉体装置的结构示意图。

图2是应用图1中石墨烯化学气相法制备炉体装置的气相动力学控制示意图。

图中：1球形炉体，2进气口，3出气口，12气流线，13基底材料。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的易于气相动力学平衡的石墨烯化学气相法制备炉体装置，主要由炉体及其进气口2和出气口3组成，炉体为球形炉体1。其中，

球形炉体采用圆球形状，炉体中的炉膛采用弧形结构，使气体获得非线性的流动路径，易于气相动力学平衡。

进气口垂直设置在球形炉体顶端，垂直进气突破了传统管式炉水平进气的方式，更易于气相动力学平衡。进气口采用大口径多路进气导管设计，进气口直径为球形炉体直径的1/2，可以获得多路进气实现多路控制，方便对炉内进行气相动力学控制。

多个出气口水平对称分布设置在球形炉体中部，球形炉体中部空间最大便于气体流出，配合多出气口对称布局更易于对炉内气相动力学控制和平衡。出气口可以为2、3、4、5、6、7或8个，出气口的大小与进气口大小相关，其出气口截面积之和等于进气口截面积。

工作原理

由于采用球形炉体，并且进气口和出气口轴向呈90度角。因此，参与反应的气体呈垂直进气、水平出气的模式，进气与出气气流的90度角度差，迫使进气气流转90度弯从末端出气口水平排出，实现气流路径弧形化，形成非径向的、非线性的、更有利于气相动力学控制和平衡的弧形气流——炉内气流垂直到达基底材料13表面，再从基底材料表面90度转弯水平方向流出的气流线12。通过进出气口控制模块适当调控，可以达到基底材料表面气相动力学平衡的要求，从而避免了直管形炉体炉内气流水平方向径向的、线性的气流所产生的气相动力学差异引起石墨烯生长质量的问题，实现石墨烯化学气相法制备的气相动力学控制和平衡，高质量制备石墨烯。