[发明专利]一种石墨烯制备装置及应用该装置图案化生长石墨烯的方法

说明书

本发明涉及一种石墨烯制备装置及应用该装置图案化生长石墨烯的方法，该装置包括：下工作台支架、加热器A、下工作台、夹具、上工作台、加热器B、上工作台调节机构、加热器C、进气法兰、排气法兰（10）、腔体外层、腔体保温层、腔体内层、进样门；利用该装置的石墨烯生长方法为：装置下方载片负载液体金属催化剂，装置上方工作台装载生长基底和图案化模板，催化剂载片、基底和生长环境独立控制加热温度，利用低压或常压化学气相沉积过程在基底上生长完整连续或图案化的石墨烯层；本装置和方法可以在多种非金属基底上低温生长图案化石墨烯薄膜，避免了转移、光刻、微加工等复杂器件制备工序，有利于简单石墨烯功能材料和器件的批量生产。

技术领域

本发明涉及石墨烯制备领域，特别是一种直接在基底上制备图案化石墨烯的生长装置及其应用。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以 SP² 杂化轨道组成六角蜂窝状晶格的二维碳纳米材料，其自 2004年 被 Geim 和 Novoselov 开创性研究以来，因具有优异的电学、力学、热学和光学等特性，已受到科学界极大的关注。

但是在实际使用中，石墨烯电子器件通常需要像电路一样加工成各种平面图案，才能加以利用。现有报道的图案化石墨烯主要有三类方法：一是生长转移光刻法，即先基于化学气相沉积法在具有催化性的铜、镍等金属衬底上制备完整石墨烯层，之后将石墨烯层转移到非金属基底，再经过电子束光刻、紫外光刻等微纳加工技术将石墨烯层刻蚀成所需图案。如专利ZL201310141227.3，其先以化学气相沉积法在铜箔上生长石墨烯，之后用化学腐蚀法将石墨烯转移到柔性透明基底上，再用超短脉冲激光将石墨烯加工成预设的阵列图案。二是基底预先图案化处理法，即先制备一个图案化的基底，然后在图案化的基底上进行生长，再通过转移技术获得图案化石墨烯薄膜，如专利ZL201510079472.5，首先通过光刻技术获得图案化硅基底，再在图案化硅基底上沉积100 nm ～ 500 nm 的铜薄膜，之后在图案化的铜薄膜上进行生长，最后用化学腐蚀法将图案化石墨烯转移到其他基底上。三是通过将氧化石墨烯分散在溶液或者其他溶剂中，借助打印、印刷等技术形成图案再进行还原处理；如专利ZL201710086475.0,其采用凹版印刷工艺，将Hummers法制得的氧化石墨烯油墨印刷在柔性衬底上，烘干得到氧化石墨烯薄膜，再将氧化石墨烯薄膜通过热退火、激光照射或化学试剂还原，制得图案化石墨烯导电薄膜。

上述方法中，第一类方法先化学气相沉积生长、转移、再图案化加工，在后续平面微加工过程中，不可避免的对原子层厚的石墨烯带来离子轰击、掺杂很多不可控的破坏。第二类方法先用微纳加工手段制备图案化基底，再化学气相沉积生长和转移，过程中虽然避免了图案化时对石墨烯的直接微加工工艺，但是图案化基底制备环节的微加工工艺以及转移工艺同样难以规避。目前虽已经发展了一系列转移方法，如基底刻蚀法、干转移法、电化学鼓泡法、卷对卷转移法，但复杂的转移工艺通常还是会导致石墨烯层的褶皱、空穴掺杂和金属蚀刻残留物等，大大降低石墨烯的质量。因此这两类方法都有工艺环节复杂、成本高，会对石墨烯性能带来不可控影响的缺点。第三类方法通过氧化还原石墨烯构造图案化石墨烯器件，常将石墨烯微片作为电子墨水溶质，没有利用石墨烯的大范围平面结构和本征性能，应用很受限制。

发明内容

针对上述石墨烯图案化制备方法的缺陷，本发明提供了一种图案化石墨烯生长装置及其配套技术方案，在化学气相沉积过程中一次性得到图案化的石墨烯层， 大大简化和方便了石墨烯功能器件构建；该装置中用于安装生长基底的上工作台、用于安装催化金属床的下工作台及外腔体三部分各具有独立的加热机构，可以独立控制各部分加热温度和上下工作台间间距。利用该装置，在催化金属床表面滴加液态金属作为增强催化剂，在金属蒸汽辅助下催化分解甲烷等碳源进行石墨烯生长。石墨烯生长基底下表面安装图案化掩膜，可以在化学气相沉积同时生成图案化的石墨烯层。

为实现上述发明目的，本发明首先提供了一种石墨烯制备装置，包括中空腔体19，所述中空腔体外壳由外至内依次为腔体外层11、腔体保温层12和腔体内层13；