[发明专利]一种管式CVD炉用接头、二维材料及其生长装置和方法

说明书

本发明公开了一种二维材料生长装置及其接头，以及运用装置的生长方法和制备的组分可调二维材料，包括层状二维材料及其异质结和非层状二维薄膜材料，进一步包括多元二维材料、组分可调的二维混晶材料和二维异质结材料，所述异质结包括单层或多层的垂直异质结和侧向异质结。本发明装置和方法创造性地在CVD生长设备上设计多个可观察的、可独立控制加热温度和时间、可准确控制蒸发源材料通断的蒸发源加热腔，从而提高了二维材料组分和异质结界面的可控性，很好地改善了管式CVD炉多温区蒸发源之间温度的互相影响，解决了二维材料生长过程中元素组分不易调控和异质结界面互扩散的问题，提高二维材料及其异质结的生长效率和晶体质量。

技术领域

本发明涉及一种管式CVD炉用接头、二维材料及其生长装置和方法。

背景技术

自从2004年Geim团队首次采用机械剥离法剥离出单层石墨烯以来，石墨烯就引起全球科学家的广泛研究，石墨烯因其优异的电子运输、导电性能，使得它在光电、能源等诸多领域具有广泛的运用前景。然而单纯的石墨烯缺乏带隙，呈现金属、半金属性，即使通过外加电场、掺杂等方式也仅能打开微小的禁带，在光电子学方面的应用并无优势。因此，探寻其他新型二维类石墨烯材料一直是二维材料研究领域的一个热门及前沿的课题。过渡金属硫族化合物、六方氮化硼、黑磷等一系列同样具有二维结构的材料开始逐渐进入了人们的视野。这些材料在结构上保持了二维状态，具有很好的结晶性，同时表现出优越的电学、光学、磁学等性能，赢得越来越多科研工作者的青睐。

除了二维材料自身的优异性能以外，将具有不同性质的材料以特定顺序人为结合在一起构成的异质结，可实现对新材料性质的人工调控，达成更为复杂的器件功能，诸如场效应晶体管，光电探测器等。由于通常二维材料间的范德瓦斯作用力较弱，相邻层间不再受晶格匹配限制，且没有成分过渡，所形成的异质结容易具有原子级陡峭的势场梯度；此外，超薄厚度及特殊的二维结构使其具有极强的栅极响应能力，以及与传统微电子加工工艺和柔性基底兼容的特性。目前，人们已成功预测并制备出多种二维材料异质结构，并在一定程度上实现对其丰富物理特性的探测和调控。

虽然二维材料异质结在制备高性能器件等方面有着广泛的运用前景，但是依然存在一些挑战。最初二维材料异质结往往是通过机械剥离方法制备，效率低下、样品尺度较小、厚度可控性差，且样品在转移过程中存在界面污染等问题，严重限制了其在光电器件方面的运用。最近，随着技术的发展，许多科学家为了解决机械剥离法的弊端，采用CVD来制备二维材料及其异质结。目前，科学家们已经使用传统的多温区管式CVD炉在SiO₂/Si、蓝宝石、云母、金箔等衬底上制备出二维材料异质结。然而传统使用的多温区管式CVD炉存在控温不准确，而且不同蒸发源材料在各个温区相互影响，组分难以控制。因此，组分可调二维材料及其异质结的原位生长，为新型二维材料的制备提供了更多选择和可能性，将显著提高材料制备和应用的有效性，也是目前二维材料及其异质结科学研究当中存在的一大难点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种管式CVD炉用接头、二维材料及其生长装置和方法，解决了上述背景技术中CVD生长二维材料元素组分不易调控、管式CVD炉多温区蒸发源之间温度互相影响等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种管式CVD炉用接头，包括主体，所述主体的一端用于进气，另一端与管式CVD炉连通；所述主体上设有若干蒸发源加热腔及观察窗；所述蒸发源加热腔的底端封闭，用于装载不同的蒸发源材料，另一端与主体连接，连接处设有挡板；所述蒸发源加热腔内设有温控装置；所述挡板与温控装置与管式CVD炉的控制系统电连接，用于独立控制进气、加热温度和时间；所述观察窗数量与蒸发源加热腔相匹配。

在本发明一较佳实施例中，所述主体包括内嵌石英管的不锈钢管，所述蒸发源加热腔沿不锈钢管管体长度方向间隔设置，所述观察窗设置于主体对侧蒸发源加热腔的对应位置。

本发明还提供了一种二维材料生长装置，包括依次连接的混合气箱、上述的管式CVD炉用接头、管式CVD炉和出气通道。