CN104073787A - 一种材料生长中快速降温的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于薄膜生长或薄膜制备领域，更确切地说涉及在衬底上进行沉积或喷镀等方法进行薄膜制备的领域以及类似装置。在用冷壁化学气相沉积（CVD）设备生长石墨烯时，本发明提供了一种抑制金属衬底由高温下缓慢降温引起的溶解碳渗出形成多层石墨烯的设计方案。在石墨烯薄膜生长结束时，从高温区域旋出承载有金属衬底的平台至低温区域，实现金属衬底的快速降温，将溶解碳“冻结”在衬底金属中，可有效避免溶解碳在缓慢降温过程中渗出至衬底金属表面及已形成的石墨烯薄膜之下，形成多层石墨烯造成的透光率的降低，从而生长出平整的、高质量的薄膜材料。

Description

一种材料生长中快速降温的方法及装置

技术领域

本发明涉及薄膜生长或薄膜制备领域，更确切地说涉及在金属衬底上进行沉积或喷镀等方法进行薄膜制备的领域以及类似装置。

背景技术

现代科学和技术需要使用大量功能各异的无机新材料或薄膜材料，石墨烯薄膜就是其中性能卓异的一种。一般来讲，为了达到所需的性能，石墨烯薄膜必须是高纯的，层数越少的石墨烯在透光率上越发满足各类触摸屏对透光率的要求。而为了得到高纯度的产品，科学界、工艺界也发明了很多制备方法。其中，化学气相淀积法（CVD）、分子束外延生长法（MBE）等都是近几十年发展起来的制备高纯度材料的新技术。

CVD是Chemical Vapor Deposition的简称，是一种基于化学反应的薄膜淀积方法。如说明书附图1所示，CVD以气体形式提供的反应物质，如制备石墨烯一般使用的甲烷、乙炔等；衬底置于反应室中，在热能、等离子体或者紫外光等的作用下，气体反应物在衬底表面经化学反应（分解或合成）形成固体物质的淀积，即得到薄膜材料。

分子束外延（MBE）是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的。其方法是将衬底放置在超高真空腔体中，和需要生长的薄膜材料按元素的不同分别放在喷射炉中，分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的（可薄至单原子层水平）单晶结构或薄膜材料。

目前来讲，制备新型材料石墨烯所用的衬底通常为铜(Cu)，对于这种衬底来讲，在制备过程中存在一种缺陷，即：当反应炉或喷射炉内温度达到化学反应所需温度（几百度甚至更高）的时候，反应气体的原子会溶解在金属衬底中，并且反应温度越高，溶解的碳原子的数量越大。这样在反应结束时，随着温度降低，金属衬底对于碳原子的溶解度降低，从而导致高温下过度溶解的碳原子渗透到衬底金属表面表面。溶解的碳原子原本富集在金属衬底内的缺陷位，降温时这些原子优先从这些缺陷位渗出，在已生长的石墨烯薄膜下又形成散布的石墨烯微片，当溶解在金属衬底中的碳原子数量很大时，这些散布的石墨烯微片逐渐长大甚或可以毗连为又一层新的石墨烯。新形成的石墨烯层影响了已形成的单层石墨烯的质量，主要表现在降低了单层石墨烯的透光率。

发明内容

针对以上提到的问题，提出本发明。

在用冷壁化学气相沉积（CVD）设备生长石墨烯结束时，本发明提供了一种抑制高温下缓慢降温引起的溶解碳渗出形成石墨烯多层的设计方案；并构建了一种旋出式的承载石墨烯金属衬底的平台，此平台可以在薄膜生长反应结束、关闭加热电源时，从高温区域同时旋出至低温区域，实现金属衬底的快速降温，将溶解碳“冻结”在衬底金属中，可有效避免溶解碳在缓慢降温过程中渗出至金属衬底表面及已形成的单层石墨烯之下，形成第二层乃至多层石墨烯造成的透光率的降低，从而得到生长平整的、高质量的石墨烯薄膜材料。

本发明方案设计，将高温下石墨烯薄膜生长时溶解在金属衬底中的碳源原子，通过快速降温急剧降低溶解碳原子的迁移速度，使之最终不能迁移至金属衬底表面而保留在金属衬底中，衬底上已生长的单层石墨烯薄膜的平整度得到完好的保存，保证了长成的石墨烯薄膜材料的透光率，得到高质量的成膜产品。

本发明涉及的基于上述方案构建的旋出装置又包含：一个加热炉，此加热炉可将样品（即衬底）加热至薄膜生长所需的温度；一个与其相对的蒸发源，其蒸发材料与衬底材料相同，形成平台上衬底的原子补偿源；同时，装置或许还需要至少两组支撑、固定器件，以实现将两组加热炉连接在外部设备（如真空腔室）中完成薄膜生长的目的。

本发明的主要特点在于：

1.  通过从高温反应区域旋出承载有石墨烯金属衬底的平台，实现金属衬底的快速降温，将金属衬底中的溶解碳原子“冻结”在金属中，防止溶解碳原子渗出金属衬底、在金属衬底表面形成新的石墨烯层，有效避免新的石墨烯层造成的薄膜透光率的降低，从而生长出平整的、高质量的薄膜材料。本发明利用加热装置（1）和（2）来加热衬底（3）至薄膜（4）生长所需的温度，利用补偿蒸发源（2）来蒸发同衬底相同的材料以补偿其在薄膜生长过程中因为热蒸发所流失的衬底表面材料，在薄膜生长结束时利用可旋出的承载有金属衬底的平台（5）实现金属衬底快速降温，防止了金属衬底中溶解碳原子的渗出。

2.  说明1中所述的加热装置（1）和（2）可以为： 电阻加热源、电子束轰击源等任何将衬底加热至薄膜生长所需要温度的加热装置。

3.  说明1中所述的蒸发源（2）可以为：任何形式的蒸镀源，包含但不仅限于：电阻加热蒸发源，电子束轰击源，磁控溅射源。

4.  说明1中所述的衬底（3）为铜(Cu)。

5.  说明1中所述的薄膜（4）为石墨烯。

6.  说明1中所述的可旋出的承载金属衬底的平台（5）为导热系数较高的材料，例如石墨、钨(W)等。

附图说明：

图1. 化学气相沉积（CVD）工艺制作石墨烯的原理示意图。

图2. 高温下缓慢降温时金属衬底中溶解碳渗出的示意图。其中A为薄膜生长时平滑的铜箔衬底在高温区域的示意图。在理想情况下，在铜箔衬底上已沉积形成一层均匀平整的石墨烯薄膜，并且在铜箔衬底中，溶解有碳源原子。其中（1）为长成的石墨烯薄膜；（2）为溶解在衬底中的碳原子；（3）为铜箔衬底；B为关闭加热电源，铜箔衬底从高温下缓慢降温时，衬底中的碳源原子渗透至铜箔表面及已沉积的石墨烯薄膜之下，形成分散的石墨烯微片；C图显示的是，随着这些分散的石墨烯微片逐渐连接起来，形成了新的一层石墨烯。如果金属衬底中仍然存在碳源分子，这些碳源分子会继续渗出形成更多层的石墨烯。

图3. 解决高温下缓慢降温时衬底金属中溶解碳渗出的装置的设计示意图。其中A为倒置的加热炉；B为正置的加热炉；（1）为补偿蒸发源；（2）为与衬底相同的材料；（3）热蒸发所流失的衬底表面材料；（4）为碳源原子；（5）长成的石墨烯薄膜；（6）衬底铜箔；（6）蒸发流失的衬底表面材料；（7）可旋出的承载有金属沉底的平台；（8）为加热装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

实例一：参照图3。

利用补偿蒸发源（1）和加热装置（8）来加热衬底（6）至薄膜（5）生长所需的温度。

在薄膜生长的过程中利用补偿蒸发源（1）来蒸发同衬底相同材料以补偿其在薄膜生长过程中因为热蒸发所流失的衬底表面材料（3）。蒸发源（1）可以为但不仅限于一与（8）相同的但相对的加热装置，将一块和衬底相同的材料（2）加热至同衬底（6）相同温度。关闭加热电源后，加热装置和补偿蒸发源共同营造的加热区域开始缓慢降温，在关闭加热电源的同时，可以将石墨烯金属衬底平台旋出至非加热区域，非加热区域的温度远远低于加热区域，利用金属衬底和非加热区域的极大的温度差，实现金属衬底的快速降温，“冻结”金属衬底中的溶解碳原子，从而有效地避免溶解碳原子在降温过程中渗出金属衬底表面形成多层石墨烯，保证了单层石墨烯的透光率。

Claims (6)

1.在用冷壁化学气相沉积（CVD）设备生长石墨烯结束时，一种材料生长中快速降温的方法及装置，其设计原理在于：在关闭加热电源后，同时将金属衬底从高温区域移出至低温区域，实现快速降温，使衬底中的溶解碳很快“冻结”在衬底金属中，来不及渗透到衬底表面形成多层，从而生长出平整的、单层的、缺陷较少的石墨烯薄膜。

2.根据权利要求1所述的设计方案，构建了一种系统，系统包括：加热装置、兼具加热功能的补偿蒸发源、可以旋出的承载有金属衬底的平台；利用加热装置来加热衬底至薄膜生长所需的温度；在薄膜生长的过程中利用补偿蒸发源来蒸发同衬底相同的材料，以补偿其在薄膜生长过程中因为热蒸发所流失的衬底表面材料；在薄膜生长结束时，关闭加热电源，同时旋出承载有金属衬底的平台至低温区，以达到快速降温，防止溶解碳渗出形成多层石墨烯。

3.根据权利要求2所述的加热装置，其特点在于：任何将衬底加热至薄膜生长所需温度的加热装置；包含但不仅限于：电阻加热源，电子束轰击源。

4.根据权利要求2所述的补偿蒸发源，包含但不仅限于：热蒸发源，电子束轰击源，磁控溅射源。

5.根据权利要求1所述的衬底，其特性在于：在石墨烯薄膜生长的高温条件下，会溶解碳原子。

6.根据权利要求1所述的可旋出的承载有金属衬底的平台，其特性在于：平台所用材料的导热系数较大，在高温加热时，放置在加热装置和兼具加热功能的补偿蒸发源之间，可确保平台周围温度均匀；在石墨烯薄膜生长结束，平台旋出至低温区域降温时，导热较快，可以实现快速降温。