CN103993297A - 一种连续快速生长石墨烯的气相沉积装置 - Google Patents

一种连续快速生长石墨烯的气相沉积装置 Download PDF

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王姣霞
汪伟
刘兆平
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Abstract

本发明公开了一种连续快速生长石墨烯的气相沉积装置，旨在解决石墨烯在基体上的快速连续生长问题，同时解决能量和原料无法得到有效利用的问题。通过卷材在反应腔体中U型排列或S型排列，实现了在反应腔体的一端连续进样和取样，连续生产；卷材的U型排列或S型排列有效利用了反应腔体内的空间，同时在相同生长时间内因卷材的多次卷绕提高了生长效率有效利用了能量，节约了成本；石墨烯在反应腔体内以卷材为基体快速生长，有效利用了反应腔体内的生长气体，节约了成本，提高了生产效率。

Description

一种连续快速生长石墨烯的气相沉积装置
技术领域
本发明涉及高温气相沉积技术领域，特别涉及一种连续快速生长石墨烯的气相沉积装置。
背景技术
在科研和生产中气相沉积装置主要是以高温管式炉为基础进行的。
传统的管式炉因只有一个反应腔体，一定时间内仅能单次生长少量石墨烯薄膜，两端采用法兰密封，烧结过程中两端密封，无法进行连续进样和取样，且管式炉完全冷却后才能更换样品，热量得不到充分利用，生长石墨烯效率极低，冷却过程损失大量反应气体。且在1000℃超高温度下无法保证炉管内样品生长结束后快速冷却，不利于石墨烯的批量生产。因此采用传统管式炉生长石墨烯增加了成本。
目前制备石墨烯薄膜的设备都是单次卷绕，生长速度慢，利用率低。
因此，针对上述情况，如何解决石墨烯在基体上的快速连续生长问题，同时解决能量无法得到有效利用的问题，成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种连续快速生长石墨烯的气相沉积装置，可以实现金属基体在炉体内的S型或U型卷绕，且在一端连续进样和取样，实现了石墨烯的快速生长，既节省了能量，有效利用了生长气体，同时节约了生长时间，可以获得大批量的石墨烯薄膜。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种连续快速生长石墨烯的气相沉积装置，包括炉体和反应腔体，还包括驱动装置；且所述反应腔体的端部开设有进样口和出样口，所述驱动装置能够带动基体由所述进样口进入所述反应腔体，由所述出样口离开所述反应腔体。
优选的，所述基体在所述进样口和出样口两端均为成卷排列的卷材，所述驱动装置能够带动所述卷材旋转，使其连续地穿过所述反应腔体。
优选的，所述进样口和所述出样口设置在所述反应腔体的同一端，所述反应腔体内通过支撑架安装有旋转轴，所述基体由所述进样口进入所述反应腔体经过所述旋转轴的U型卷绕后，再由同一侧的所述出样口离开所述反应腔体。
优选的，所述进样口和所述出样口设置在所述反应腔体的同一端，所述反应腔体内通过支撑架安装有多个旋转轴，所述基体由所述进样口进入所述反应腔体依次经过所述多个旋转轴的S型卷绕后，再由同一侧的所述出样口离开所述反应腔体。
优选的，所述反应腔体的进样口和出样口处还设置有保温罩机构。
优选的，所述反应腔体为采用石英、陶瓷或不锈钢材料制成的腔体。
优选的，所述反应腔体的截面为圆形或方形。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的连续快速生长石墨烯的气相沉积装置，在反应腔体的端部开设有进样口和出样口，驱动装置能够带动基体由进样口进入反应腔体，由出样口离开反应腔体；与现有技术中封闭式的结构相比，实现了在1000℃高温下金属基体的连续进样和出样，实现了石墨烯的快速生长，既节省了能量，有效利用了生长气体，同时节约了生长时间，可以获得大批量的石墨烯薄膜。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明第一个实施例中提供的U型的连续快速生长石墨烯的气相沉积装置的剖视结构示意图；
图2为本发明第二个实施例中提供的S型的连续快速生长石墨烯的气相沉积装置的剖视结构示意图；
图3为本发明实施例提供的支撑架和旋转轴的正视结构示意图。
其中，1为反应腔体，2为旋转轴，3为支撑架，4为基体，5为炉体。
具体实施方式
本发明公开了一种连续快速生长石墨烯的气相沉积装置，可以实现金属基体在炉体内的S型或U型卷绕，且在一端连续进样和取样，实现了石墨烯的快速生长，既节省了能量，有效利用了生长气体，同时节约了生长时间，可以获得大批量的石墨烯薄膜。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图3，图1为本发明第一个实施例中提供的U型的连续快速生长石墨烯的气相沉积装置的剖视结构示意图；图2为本发明第二个实施例中提供的S型的连续快速生长石墨烯的气相沉积装置的剖视结构示意图；图3为本发明实施例提供的支撑架和旋转轴的正视结构示意图。
本发明实施例提供的连续快速生长石墨烯的气相沉积装置，包括炉体5和反应腔体1，在炉体5的作用下对反应腔体1内的物料进行加热，其核心改进点在于，还包括驱动装置；且反应腔体1的端部开设有进样口和出样口，驱动装置能够带动基体4由进样口进入反应腔体1，由出样口离开反应腔体1。
从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的连续快速生长石墨烯的气相沉积装置，在反应腔体的端部开设有进样口和出样口，驱动装置能够带动基体由进样口进入反应腔体，由出样口离开反应腔体；与现有技术中封闭式的结构相比，实现了在1000℃高温下金属基体的连续进样和出样，实现了石墨烯的快速生长，既节省了能量，有效利用了生长气体，同时节约了生长时间，可以获得大批量的石墨烯薄膜。
为了进一步优化上述的技术方案，基体4在进样口和出样口两端均为成卷排列的卷材(铜、镍等)，节省了空间占用，驱动装置能够带动卷材的缠绕轴旋转，使基体4连续地穿过反应腔体1。
在本方案提供的第一个具体实施例中，进样口和出样口设置在反应腔体1的同一端，反应腔体1内通过支撑架3安装有旋转轴2，基体4由进样口进入反应腔体1经过旋转轴2的U型卷绕后，再由同一侧的出样口离开反应腔体1，其结构可以参照图1和图3所示，支撑架3的作用是固定旋转轴2。这样一来，金属基体4的卷材(铜、镍等)在反应腔体1内呈U型排列，通过旋转轴2实现连续卷绕，不再是传统的直线排列，实现了在反应腔体1的同一端连续进样和取样，有效利用了反应腔体1内的空间，避免两端分别开进样口和取样口，两端同时向外流失热量；同时在相同生长时间内因卷材的卷绕提高了生长效率有效利用了能量，节约了成本。
在本方案提供的第二个具体实施例中，进样口和出样口设置在反应腔体1的同一端，反应腔体1内通过支撑架3安装有多个旋转轴2，基体4由进样口进入反应腔体1依次经过多个旋转轴2的S型卷绕后，再由同一侧的出样口离开反应腔体1。其结构可以参照图2所示，支撑架3和旋转轴2的数量为间隔设置的三组，金属基体4依次绕过这三个旋转轴2。通过在相同生长时间内卷材的更多次卷绕，进一步地提高了生长效率，更有效地利用了能量空间。
为了进一步优化上述的技术方案，反应腔体1的进样口和出样口处还设置有保温罩机构，比如保温外罩等形式，以减少进样口/出样口与外界的热量流失。当进样口和出样口均开设在反应腔体1的同一端时，可以使保温结构包住这一端，乃至成卷排列在此的金属基体4的卷材。此时还能够将这些保温结构作为反应腔体1整体的一部分，认为卷材直接设置在其内，将位于炉体5之间加热的视为其本体部分。
作为优选，反应腔体1采用性质稳定的材料，可以为石英、陶瓷或不锈钢材料制成的腔体，比如石英管；其截面可以为圆形或方形，本领域技术人员还能够根据实际情况对其结构进行适当的调整，在此不再赘述。
综上所述，本发明实施例提供的连续快速生长石墨烯的气相沉积装置，旨在解决石墨烯在基体上的快速连续生长问题，同时解决能量无法得到有效利用的问题。通过卷材在反应腔体中U型排列或S型排列，实现了在反应腔体的一端连续进样和取样，连续生产；卷材的U型排列或S型排列有效利用了反应腔体内的空间，同时在相同生长时间内因卷材的多次卷绕提高了生长效率有效利用了能量，节约了成本；石墨烯在反应腔体内以卷材为基体快速生长，有效利用了反应腔体内的生长气体，节约了成本，提高了生产效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种连续快速生长石墨烯的气相沉积装置，包括炉体(5)和反应腔体(1)，其特征在于，还包括驱动装置；且所述反应腔体(1)的端部开设有进样口和出样口，所述驱动装置能够带动基体(4)由所述进样口进入所述反应腔体(1)，由所述出样口离开所述反应腔体(1)。
2.根据权利要求1所述的连续快速生长石墨烯的气相沉积装置，其特征在于，所述基体(4)在所述进样口和出样口两端均为成卷排列的卷材，所述驱动装置能够带动所述卷材旋转，使其连续地穿过所述反应腔体(1)。
3.根据权利要求2所述的连续快速生长石墨烯的气相沉积装置，其特征在于，所述进样口和所述出样口设置在所述反应腔体(1)的同一端，所述反应腔体(1)内通过支撑架(3)安装有旋转轴(2)，所述基体(4)由所述进样口进入所述反应腔体(1)经过所述旋转轴(2)的U型卷绕后，再由同一侧的所述出样口离开所述反应腔体(1)。
4.根据权利要求2所述的连续快速生长石墨烯的气相沉积装置，其特征在于，所述进样口和所述出样口设置在所述反应腔体(1)的同一端，所述反应腔体(1)内通过支撑架(3)安装有多个旋转轴(2)，所述基体(4)由所述进样口进入所述反应腔体(1)依次经过所述多个旋转轴(2)的S型卷绕后，再由同一侧的所述出样口离开所述反应腔体(1)。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的连续快速生长石墨烯的气相沉积装置，其特征在于，所述反应腔体(1)的进样口和出样口处还设置有保温罩机构。
6.根据权利要求1所述的连续快速生长石墨烯的气相沉积装置，其特征在于，所述反应腔体(1)为采用石英、陶瓷或不锈钢材料制成的腔体。
7.根据权利要求1所述的连续快速生长石墨烯的气相沉积装置，其特征在于，所述反应腔体(1)的截面为圆形或方形。
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