CN103523774A - 一种石墨烯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种利用高温退火在碳化硅衬底上制备石墨烯的方法和设备，该方法是将SiC衬底置于带有热反射屏的石墨桶中，在真空条件下通过射频加热的方式将温度升高，去除衬底表面的水蒸气及有机杂质，然后在一定的压力下，以一定的升温速率，将温度升高到退火温度，保温一段时间，从而控制SiC衬底表面的硅原子与碳原子断键升华，在SiC衬底表面重构形成石墨烯结构。该方法将石墨烯直接制备在SiC衬底上，无需衬底转移过程，节约了生产成本，提高了生产效率，并且可直接用于半导体器件的制作，同时该方法还可以通过控制温度和压力来控制石墨烯的层数。
Description
技术领域
本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种石墨烯的制备方法，特别是一种利用高温退火在碳化硅衬底上制备石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯是由碳原子紧密堆积成的一种碳质新材料，具有单层二维蜂窝状(只包括六角原胞)晶格结构，只有一个原子的厚度（～0.35nm），它的结构稳定性非常高，而且各碳原子之间的连接相当柔韧，当受到外力攻击时，就会歪曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证了自身结构的稳定性。
作为单质，石墨烯具有许多优异的性能，它最大的特性就是其电子的运动速度是光速的三百分之一，是目前已知材料中电子传导速率最快的，是锑化铟材料（目前已知具有最高迁移率的材料）的两倍。石墨烯虽然只有一个原子的厚度，但是强度非常高，最高强度达130GPa，是钢的一百多倍。石墨烯还具有室温下半整数量子霍尔效应、隧道效应、永久的导电率等一系列特殊性质。
目前已经成功发展出多种制备石墨烯的方法，如:胶带微机械剥离法、化学试剂插层剥离膨胀石墨法、过渡金属表面高温下渗入碳原子然后快速降温偏析出石墨烯的化学气相沉积(CVD)法、氧化石墨还原法等。前两种方法制备的石墨烯都需要被转移到绝缘衬底上，第三种方法在铜或镍的金属表面利用化学气相沉积法可制备出大面积的石墨烯薄膜且质量不错，但是此法获得的石墨烯薄膜厚度的可控性较差。氧化石墨还原法虽然可以获得较大面积的石墨烯薄膜，但是由于制备过程中的石墨烯引入了大量的缺陷，且单片石墨烯尺寸较小，导致得到的石墨烯薄膜不连续，其导电性也有待提高。
为了克服上述制备工艺存在的不足，需要研发一种新的石墨烯的制备方法和设备。
发明内容
根据现有技术存在的不足和空白，本发明的发明人提供了一种利用高温退火在碳化硅衬底上制备石墨烯的方法和设备，该方法是将SiC衬底置于带有热反射屏的石墨桶中，在真空条件下通过射频加热的方式将温度升高，去除衬底表面的水蒸气及有机杂质，然后在一定的压力下，以一定的升温速率，将温度升高到退火温度，保温一段时间，从而控制SiC衬底表面的硅原子与碳原子断键升华，在SiC衬底表面重构形成石墨烯结构。该方法将石墨烯直接制备在SiC衬底上，无需衬底转移过程，节约了生产成本，提高了生产效率，并且可直接用于半导体器件的制作，同时该方法还可以通过控制温度和压力来控制石墨烯的层数。
本发明的具体技术方案如下：
所述的制备方法主要包括如下步骤：
（1）取一个带有热反射屏的石墨桶，将SiC衬底置于石墨桶底部的凹槽中；并将该石墨桶置于石英加热腔中；
（2）确保石英加热腔内的真空条件下通过射频加热的方式对石英加热腔进行加热将温度升高，去除衬底表面的水蒸气及有机杂质；
（3）之后在确保石英加热腔内真空或一定惰性气体压力下，以一定的升温速率将温度升高到退火温度，保温一段时间，从而控制SiC衬底表面的硅原子与碳原子断键升华，在SiC衬底表面重构形成石墨烯结构，然后以一定的降温速率冷却到1300℃以下，最后随炉冷却。
上述的SiC衬底为4H-SiC或6H-SiC；选用这两种晶型的SiC衬底，主要考虑到这两种晶型的SiC是现有技术中为数不多的生长出来的大尺寸、单一晶型的SiC块体，利用他们进行生产，有利于制备大面积的石墨烯；
所述的SiC衬底，用于制备石墨烯的晶面为Si面（0001）面或C面
面；之所以选用这两个平面，是由于SiC晶体沿c轴方向上的晶格排列是一种层状结构，每一层原子都是由单独的Si或单独的C原子组成，这样有利于形成大面积石墨烯。而在其他的面上，Si原子和C原子共存，则在生长石墨烯的过程中，不利于形成大面积高质量的石墨烯。
所述的用于制备石墨烯的SiC晶面，其表面粗糙度小于0.5nm；这主要是由于用于制备大面积石墨烯的SiC表面的原子损伤不能太大，要有原子级的表面形成，而且不能混乱；如果粗糙度过大，SiC表面将会出现阶梯状结构，导致制备出的石墨烯面积很小。
所述的SiC衬底，其衬底偏角为0°～8°；发明人经过试验发现，本发明中衬底偏角越小，单层石墨烯面积越大，当衬底偏角增加到一定程度时，就会形成阶梯状的石墨烯，故而选择上述的衬底偏角。
所述的步骤二中的真空条件的真空度为10-5～10-1Pa；
所述的去除衬底表面水蒸气、有机杂质的温度为800～1000℃，优选的，去除衬底表面水蒸气、有机杂质的温度为850～950℃；
所述的真空或惰性气体压力为10～1000mbar，所选用的惰性气体选自氩气或氦气；
所述步骤3中的升温速率为20～100℃/min；
所述步骤3中的退火温度为1300～2000℃；
所述步骤3中的退火保温时间为10～120min，
优选的，所述的退火保温时间为30～100min；
所述步骤3中的降温速率为50～200℃/min；
上述条件中，升温或者降温过快都会造成石墨烯质量的改变以及石墨烯层数的变化，因此上述条件是发明人确定的最佳条件。
为了配合上述的工艺要求，本发明的发明人特别设计了一种对应的装置来利用高温退火在碳化硅衬底上制备石墨烯，该装置包括石英加热腔和可放置在加热腔内的石墨桶；
其中所述的石英加热腔，包括内有中空夹层的上开口腔体和顶盖，顶盖上设置有测温窗口和进气口，腔体底部设置有测温窗口和出气口，腔体一侧顶部设置有与中空夹层联通的冷却水出口，腔体另一侧底部设置有与中空夹层联通的冷却水进口，腔体内设置有保温层，保温层中部为保温层凹槽，腔体底部设置的测温窗口贯穿保温层并与保温层凹槽连接；
所述的石墨桶包括上端开口的桶体，桶体底部上表面设置有凹槽，石墨桶上部侧壁上设置有至少两个定位块，定位块上放置有热反射屏。
采用这种结构的石英加热腔，使用时可以将石墨桶通过腔体上端的开口直接放置在保温层中部的保温层凹槽中，之后将顶盖盖上使腔体内成为密闭的空间，便于后期制备过程中抽真空或通入惰性气体；之后就可以通过冷却水进口向腔体内的中空夹层中加入冷却水，降低加热时石英腔体本身的温度，以免腔体受损和过热后难以取放；可以通过顶盖上的进气口通入惰性气体，或者封闭该进气口直接利用腔体底部设置的出气口对腔体内抽真空，以达到反应的要求；使用时，将该腔体直接放置到射频加热线圈中去即可对腔体内的石墨桶进行加热，加热过程中，可以通过顶盖上的测温窗口通过仪器测定腔体内的温度，也可以通过腔体底部设置的测温窗口直接测定保温层凹槽的温度也就是石墨桶的实时温度，从而更好的掌握整个腔体内的温度分布，实时调整射频加热的强度，更好的控制反应的温度；
而采用这种结构的石墨桶，桶体底部上表面设置的凹槽可以将碳化硅衬底固定在凹槽中保证整个生产过程中不会产生位移，之后可利用外部热源进行加热，利用石墨的导热性对碳化硅衬底进行加热；石墨桶上部侧壁上设置有至少两个定位块，定位块上可以放置热反射屏，这样在加热过程中，设置的热反射屏可以将散步的热量反射回桶体底部，保证热量不散失，且利用热反射屏获得的温度场更加均匀，特别是可以保持SiC衬底表面温场均匀，提高石墨桶内的温度，便于石墨烯的制备；
为了达到更好的效果，桶体底部上表面设置有碳化钽涂层，利用该图层可以防止SiC衬底下表面在高温下与石墨发生反应；
所采用的热反射屏，其材料为铼、钨、钽等耐高温金属材料，一般根据石墨桶的形状和大小进行制备成薄板，且保证薄板的表面均为镜面，这样可以起到很好的反射热量的作用，从而提高加热的效率，同时可以利用热反射屏获得的温度场更加均匀，特别是可以保持SiC衬底表面温场均匀。
本发明所采用的加热方式是将石英加热腔直接置入射频加热线圈中进行射频加热，其主要靠快速交变的电场，引起物料内部极性分子的快速转动，摩擦生热产生热效应，本发明采用石墨导体作为加热器，较之其他加热方法更为有效，效率高速度快，射频频率为10—1000kHz；
通过上述的装置，可以实现腔体内的密封，将上述的石墨桶置入腔体后，通过封闭进气口直接利用腔体底部设置的出气口连接真空泵对腔体内抽真空，从而实现步骤二中的真空条件，同时，由于步骤二中温度的升高，衬底表面的水蒸气及有机杂质会被去除，这些物质会被气化，之后随真空泵被从腔体内抽出，这样就不会影响后续石墨烯的制备。
同样的，由于在加热过程中，需要保持腔体内压力稳定，这就需要不停地抽真空或通入惰性气体，而在该过程中，加热所生成的硅蒸汽会被带出加热装置，从而保证石墨烯的纯净。
采用本发明的这种方法和设备，可以以碳化硅为原料直接获得石墨烯，其可以利用拉曼光谱信号来判断石墨烯是否存在，而本发明所获得的石墨烯的拉曼光谱信号曲线在2682cm-1处检测到一个拉曼峰（2D峰），由图形可以看出此曲线呈对称性，其线形类似于单个洛伦兹峰，另外2D峰的强度显著大于位于1580cm-1处的G峰，因此判断此峰就是生长出的石墨烯的拉曼峰，故可以证明本发明制备出的确实是石墨烯。
利用上述方法和设备，使得SiC衬底表面的硅原子与碳原子断键升华，在SiC衬底表面重构形成石墨烯结构，其中升华的硅蒸汽含量极少，且会在抽真空的过程中被直接抽出腔体外。
综上所述，本发明提供了一种利用高温退火在碳化硅衬底上制备石墨烯的方法和设备，该方法是将SiC衬底置于带有热反射屏的石墨桶中，在真空条件下通过射频加热的方式将温度升高，去除衬底表面的水蒸气及有机杂质，然后在一定的压力下，以一定的升温速率，将温度升高到退火温度，保温一段时间，从而控制SiC衬底表面的硅原子与碳原子断键升华，在SiC衬底表面重构形成石墨烯结构。该方法将石墨烯直接制备在SiC衬底上，无需衬底转移过程，节约了生产成本，提高了生产效率，并且可直接用于半导体器件的制作，同时该方法还可以通过控制温度和压力来控制石墨烯的层数。
附图说明
图1为本发明所述石英加热腔的结构示意图；
图2为本发明所述石英加热腔的俯视图；
图3为图2中A-A的剖视图；
图4为本发明所述石墨桶的结构示意图；
图5为本发明所述石墨桶的俯视图；
图6为图5中A-A的剖视图；
图7为本发明所述制备石墨烯的装置的结构剖视图；
图8为本发明所述实施例1获得的石墨烯的拉曼图谱；
图9为本发明所述实施例2获得的石墨烯的拉曼图谱；
图中1为腔体，2为进气口，3为测温窗口，4为冷却水出口，5为出气口，6为冷却水进口，7为保温层，8为保温层凹槽，9为顶盖，10为桶体，11为凹槽，12为定位块，13为热反射屏，14为射频加热线圈，15为SiC衬底。
具体实施方式
下面通过具体的制备实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
实施例1
取一个带有热反射屏的石墨桶，热反射屏的材料为金属钽，将6H-SiC的衬底置于石墨桶底部的凹槽中，该衬底的衬底偏角为0°，在真空度为10-3Pa条件下将温度升高到900℃去除衬底表面的水蒸气、有机杂质，然后在30mbar的压力下，以50℃/min的升温速率将温度升高到1500℃，保温40min，最后以100℃/min的降温速率冷却到1300℃以下即可获得石墨烯。
实现上述工艺的设备结构如下：该设备包括石英加热腔和可放置在加热腔内的石墨桶；
其中所述的石英加热腔，包括内有中空夹层的上开口腔体1和顶盖9，顶盖9上设置有测温窗口3和进气口2，腔体底部设置有测温窗口3和出气口5，腔体1一侧顶部设置有与中空夹层联通的冷却水出口4，腔体1另一侧底部设置有与中空夹层联通的冷却水进口6，腔体1内设置有保温层7，保温层7中部为保温层凹槽8，腔体底部设置的测温窗口3贯穿保温层7并与保温层凹槽8连接。
所述的石墨桶，该石墨桶包括上端开口的桶体10，桶体10底部上表面设置有凹槽11，石墨桶上部侧壁上设置有至少两个定位块12，定位块12上放置有热反射屏13；
桶体底部上表面设置有碳化钽涂层；
所采用的热反射屏，其材料为钽这种耐高温金属材料，一般根据石墨桶的形状和大小进行制备成薄板，且保证薄板的表面均为镜面。
使用时，将碳化硅衬底15固定在石墨桶底部的凹槽中，保证整个生产过程中不会产生位移，将热反射屏放置在定位块上；之后将石墨桶通过腔体上端的开口直接放置在保温层中部的保温层凹槽中，再将顶盖盖上使腔体内成为密闭的空间，便于后期制备过程中抽真空或通入惰性气体；之后就可以通过冷却水进口向腔体内的中空夹层中加入冷却水，降低加热时石英腔体本身的温度，以免腔体受损和过热后难以取放；可以通过顶盖上的进气口通入惰性气体，或者封闭该进气口直接利用腔体底部设置的出气口对腔体内抽真空，以达到反应的要求；使用时，将该腔体直接放置到射频加热线圈14中去即可对腔体内的石墨桶进行加热。
本实施例所得到的石墨烯样品的拉曼图谱如图8所示，在2682cm-1处检测到一个拉曼峰（2D峰），由图形可以看出此曲线呈对称性，其线形类似于单个洛伦兹峰，另外2D峰的强度显著大于位于1580cm-1处的G峰，因此判断此峰就是生长出的石墨烯的拉曼峰，故可以证明本发明制备出的确实是石墨烯。
实施例2
取一个带有热反射屏的石墨桶，热反射屏的材料为金属钽，将6H-SiC的衬底置于石墨桶底部的凹槽中，该衬底的衬底偏角为8°，在真空度为10-3Pa条件下将温度升高到900℃去除衬底表面的水蒸气、有机杂质，然后在20mbar的压力下，以50℃/min的升温速率将温度升高到1500℃，保温70min，最后以100℃/min的降温速率冷却到1300℃以下即可获得石墨烯。
其中采用通入惰性气体的方式保持容器内的压力稳定，所采用的惰性气体为氦气或氩气。
实现上述工艺的设备结构如下：该设备包括石英加热腔和可放置在加热腔内的石墨桶；
其中所述的石英加热腔，包括内有中空夹层的上开口腔体1和顶盖9，顶盖9上设置有测温窗口3和进气口2，腔体底部设置有测温窗口3和出气口5，腔体1一侧顶部设置有与中空夹层联通的冷却水出口4，腔体1另一侧底部设置有与中空夹层联通的冷却水进口6，腔体1内设置有保温层7，保温层7中部为保温层凹槽8，腔体底部设置的测温窗口3贯穿保温层7并与保温层凹槽8连接。
所述的石墨桶，该石墨桶包括上端开口的桶体10，桶体10底部上表面设置有凹槽11，石墨桶上部侧壁上设置有至少两个定位块12，定位块12上放置有热反射屏13；
桶体底部上表面设置有碳化钽涂层；
所采用的热反射屏，其材料为钨这种耐高温金属材料，一般根据石墨桶的形状和大小进行制备成薄板，且保证薄板的表面均为镜面。
使用时，将碳化硅衬底15固定在石墨桶底部的凹槽中，保证整个生产过程中不会产生位移，将热反射屏放置在定位块上；之后将石墨桶通过腔体上端的开口直接放置在保温层中部的保温层凹槽中，再将顶盖盖上使腔体内成为密闭的空间，便于后期制备过程中抽真空或通入惰性气体；之后就可以通过冷却水进口向腔体内的中空夹层中加入冷却水，降低加热时石英腔体本身的温度，以免腔体受损和过热后难以取放；可以通过顶盖上的进气口通入惰性气体，或者封闭该进气口直接利用腔体底部设置的出气口对腔体内抽真空，以达到反应的要求；使用时，将该腔体直接放置到射频加热线圈14中去即可对腔体内的石墨桶进行加热。
本实施例所得到的石墨烯样品的拉曼图谱如图9所示，在2682cm-1处检测到一个拉曼峰（2D峰），由图形可以看出此曲线呈对称性，其线形类似于单个洛伦兹峰，另外2D峰的强度显著大于位于1580cm-1处的G峰，因此判断此峰就是生长出的石墨烯的拉曼峰，故可以证明本发明制备出的确实是石墨烯。
实施例3
取一个带有热反射屏的石墨桶，热反射屏的材料为金属钽，将4H-SiC的衬底置于石墨桶底部的凹槽中，该衬底的衬底偏角为1°，在真空度为10-2Pa条件下将温度升高到800℃去除衬底表面的水蒸气、有机杂质，然后在10mbar的压力下，以20℃/min的升温速率将温度升高到1350℃，保温120min，最后以50℃/min的降温速率冷却到1300℃以下即可获得石墨烯。
实现上述工艺的设备结构如下：该设备包括石英加热腔和可放置在加热腔内的石墨桶；
其中所述的石英加热腔，包括内有中空夹层的上开口腔体1和顶盖9，顶盖9上设置有测温窗口3和进气口2，腔体底部设置有测温窗口3和出气口5，腔体1一侧顶部设置有与中空夹层联通的冷却水出口4，腔体1另一侧底部设置有与中空夹层联通的冷却水进口6，腔体1内设置有保温层7，保温层7中部为保温层凹槽8，腔体底部设置的测温窗口3贯穿保温层7与保温层凹槽8连接。
所述的石墨桶，该石墨桶包括上端开口的桶体10，桶体10底部上表面设置有凹槽11，石墨桶上部侧壁上设置有至少两个定位块12，定位块12上放置有热反射屏13；
桶体底部上表面设置有碳化钽涂层；
所采用的热反射屏，其材料为钽这种耐高温金属材料，一般根据石墨桶的形状和大小进行制备成薄板，且保证薄板的表面均为镜面。
使用时，将碳化硅衬底固定在石墨桶底部的凹槽中，保证整个生产过程中不会产生位移，将热反射屏放置在定位块上；之后将石墨桶通过腔体上端的开口直接放置在保温层中部的保温层凹槽中，再将顶盖盖上使腔体内成为密闭的空间，便于后期制备过程中抽真空或通入惰性气体；之后就可以通过冷却水进口向腔体内的中空夹层中加入冷却水，降低加热时石英腔体本身的温度，以免腔体受损和过热后难以取放；可以通过顶盖上的进气口通入惰性气体，或者封闭该进气口直接利用腔体底部设置的出气口对腔体内抽真空，以达到反应的要求；使用时，将该腔体直接放置到射频加热线圈14中去即可对腔体内的石墨桶进行加热。
本实施例所得到的石墨烯样品的拉曼图谱在2682cm-1处检测到一个拉曼峰（2D峰），由图形可以看出此曲线呈对称性，其线形类似于单个洛伦兹峰，另外2D峰的强度显著大于位于1580cm-1处的G峰，因此判断此峰就是生长出的石墨烯的拉曼峰，故可以证明本发明制备出的确实是石墨烯。
实施例4
取一个带有热反射屏的石墨桶，热反射屏的材料为金属钽，将4H-SiC的衬底置于石墨桶底部的凹槽中，该衬底的衬底偏角为4°，在真空度为10-5Pa条件下将温度升高到1000℃去除衬底表面的水蒸气、有机杂质，然后在100mbar的压力下，以100℃/min的升温速率将温度升高到2000℃，保温10min，最后以200℃/min的降温速率冷却到1300℃以下即可获得石墨烯。
实现上述工艺的设备结构如下：该设备包括石英加热腔和可放置在加热腔内的石墨桶；
其中所述的石英加热腔，包括内有中空夹层的上开口腔体1和顶盖9，顶盖9上设置有测温窗口3和进气口2，腔体底部设置有测温窗口3和出气口5，腔体1一侧顶部设置有与中空夹层联通的冷却水出口4，腔体1另一侧底部设置有与中空夹层联通的冷却水进口6，腔体1内设置有保温层7，保温层7中部为保温层凹槽8，腔体底部设置的测温窗口3贯穿保温层7与保温层凹槽8连接。
所述的石墨桶，该石墨桶包括上端开口的桶体10，桶体10底部上表面设置有凹槽11，石墨桶上部侧壁上设置有至少两个定位块12，定位块12上放置有热反射屏13；
桶体底部上表面设置有碳化钽涂层；
所采用的热反射屏，其材料为钽这种耐高温金属材料，一般根据石墨桶的形状和大小进行制备成薄板，且保证薄板的表面均为镜面。
使用时，将碳化硅衬底固定在石墨桶底部的凹槽中，保证整个生产过程中不会产生位移，将热反射屏放置在定位块上；之后将石墨桶通过腔体上端的开口直接放置在保温层中部的保温层凹槽中，再将顶盖盖上使腔体内成为密闭的空间，便于后期制备过程中抽真空或通入惰性气体；之后就可以通过冷却水进口向腔体内的中空夹层中加入冷却水，降低加热时石英腔体本身的温度，以免腔体受损和过热后难以取放；可以通过顶盖上的进气口通入惰性气体，或者封闭该进气口直接利用腔体底部设置的出气口对腔体内抽真空，以达到反应的要求；使用时，将该腔体直接放置到射频加热线圈14中去即可对腔体内的石墨桶进行加热。
本实施例所得到的石墨烯样品的拉曼图谱在2682cm-1处检测到一个拉曼峰（2D峰），由图形可以看出此曲线呈对称性，其线形类似于单个洛伦兹峰，另外2D峰的强度显著大于位于1580cm-1处的G峰，因此判断此峰就是生长出的石墨烯的拉曼峰，故可以证明本发明制备出的确实是石墨烯。
Claims (10)
1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于：所述制备方法主要包括如下步骤：
（1）取一个带有热反射屏的石墨桶，将SiC衬底置于石墨桶底部的凹槽中；并将该石墨桶置于石英加热腔中；
（2）在确保石英加热腔内的真空条件下通过射频加热的方式对石英加热腔进行加热将温度升高，去除衬底表面的水蒸气及有机杂质；
（3）之后在确保石英加热腔内真空或一定惰性气体压力下（确保石英加热腔内的真空或惰性气体压力，以一定的升温速率将温度升高到退火温度，保温一段时间，从而控制SiC衬底表面的硅原子与碳原子断键升华，在SiC衬底表面重构形成石墨烯结构，然后以一定的降温速率冷却到1300℃以下，最后随炉冷却。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的石墨桶结构如下：所述的SiC衬底为4H-SiC或6H-SiC；用于制备石墨烯的晶面为Si面或C面；SiC晶面表面粗糙度小于0.5nm；衬底偏角为0°～8°。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的射频加热装置结构如下：所述的热反射屏为圆形，其表面为镜面，其采用的材料为铼、钨、钽或其他耐高温金属材料。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤2中的真空条件的真空度为10-5～10-1Pa；去除衬底表面水蒸气、有机杂质的温度为800～1000℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤3中真空或惰性气体压力为10～1000mbar，所选用的惰性气体选自氦气或氩气。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3中的升温速率为20～100℃/min；退火温度为1300～2000℃；退火保温时间为10～120min；降温速率为50～200℃/min。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述的退火保温时间为30～100min。
8.实现权利要求1所述制备方法的设备，包括石英加热腔和可放置在加热腔内的石墨桶，其特征在于：
所述的石英加热腔，包括内有中空夹层的上开口腔体（1）和顶盖（9），顶盖（9）上设置有测温窗口（3）和进气口（2），腔体底部设置有测温窗口（3）和出气口（5），腔体（1）一侧顶部设置有与中空夹层联通的冷却水出口（4），腔体（1）另一侧底部设置有与中空夹层联通的冷却水进口（6），腔体（1）内设置有保温层（7）；
所述的石墨桶，包括上端开口的桶体（10），桶体（10）底部上表面设置有凹槽（11），石墨桶上部侧壁上设置有至少两个定位块（12），定位块（12）上放置有热反射屏（13）。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于：所述的保温层（7）中部为保温层凹槽（8）；所述的腔体底部设置的测温窗口（3）贯穿保温层（7）并与保温层凹槽（8）连接。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于：所述的桶体底部上表面设置有碳化钽涂层。
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