CN104477898A - 一种卷状生长石墨烯的夹具以及卷状生长石墨烯制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石墨烯制备装置技术领域，尤其涉及一种卷状生长石墨烯的夹具以及卷状生长石墨烯制备方法，所述卷状生长石墨烯的夹具包括中心固定杆和两个由螺旋支撑壁间隔卷绕而成的螺旋支撑架，两个所述螺旋支撑架分别套在所述中心固定杆的两端，所述螺旋支撑架的内圈与所述中心固定杆的外表面铆合。本发明的卷状石墨烯生长的夹具结构装样简单、灵活、轻便，易操作，通过螺旋支撑架将石墨烯生长基底支撑起来，实现了石墨烯生长基底卷绕生长，克服了石墨烯生长基底在高温、真空条件下卷绕生长时互相粘合的技术瓶颈，通过该卷状生长石墨烯的夹具和方法可在单批次制备石墨烯的过程中提高制备石墨烯薄膜的面积，从而节约设备和能源成本。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯制备装置技术领域，尤其涉及一种卷状生长石墨烯的夹具以及卷状生长石墨烯制备方法。
背景技术
石墨烯是单个碳原子层厚的二维新材料，在力学、热学、光学、电学等方面均具有十分优异的性质，如超高的机械强度、良好的导热性、宽谱段高透明度和超强的导电性等。石墨烯独特的物理性质决定了其广阔的应用前景，引发了国际学术界和工业界的研究热潮。将其应用于柔性透明电极，则器件的透光率更强、导电性更好、功耗更低，有望取代目前市场主导的ITO透明电极，广泛应用于柔性显示及触摸屏等光电设备。石墨烯用于制造光子传感器和光电探测器，灵敏度可比同类探测器提高几个数量级。石墨烯还可作为下一代纳米电子集成器件的基本材料，使器件运行速度高达500GHz，且能耗比现有器件显著降低。此外，石墨烯还在医疗等其它方面也能发挥重要的作用。
经过近几年的广泛研究，化学气相沉积法(CVD)是制备石墨烯薄膜最有前景的方法之一。CVD法是在真空容器中将甲烷等碳源加热至特定温度使其分解，然后在Ni、Cu等过渡金属箔上形成石墨烯膜的技术。然而，快速、规模化制备大面积、高质量石墨烯的方法一直没有取得突破，极大的限制了石墨烯制备的效率和产量，阻碍了其进一步的产业化发展。因为CVD制备高质量的石墨烯通常需要在石墨烯生长衬底熔点(1000度左右)进行，金属生长衬底在此高温下彼此之间会发生粘合，这就限制了单次制备石墨烯的量。虽然韩国成均馆大学可以一次制备对角线达15英寸的石墨烯薄膜，但其采用直径为8英寸的管式炉，并将石墨烯生长衬底铺满整体炉管内壁获得，其余生长空间并没有被合理利用，不仅单生长批次制备的数量少，而且还造成资源浪费。近期，日本索尼采用电极加热生长衬底的办法实现了卷对卷生长石墨烯，但由于是局部加热且温度较低，制备出的石墨烯质量差，不能满足应用需求。
将石墨烯生长衬底卷成一卷生长，既保证了石墨烯薄膜的质量，又可以在有限的生长空间里提高石墨烯薄膜的产量。虽然，已有人提出通过设计支架将石墨烯生长衬底卷绕起来生长(申请号：201110442121.8)，但夹具本身加工困难，加工成本高，而且夹具自身重量重，在真空、高温(1000度左右)的环境下，极易导致生长腔室形变。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种卷状生长石墨烯的夹具以及卷状生长石墨烯制备方法，所采用的夹具结构简单、轻便，操作方便，提高了卷状的生长石墨烯的重量。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种卷状生长石墨烯的夹具，包括中心固定杆和两个由螺旋支撑壁间隔卷绕而成的螺旋支撑架，两个所述螺旋支撑架分别套在所述中心固定杆的两端，所述螺旋支撑架的内圈与所述中心固定杆的外表面铆合。
进一步，所述中心固定杆为实心杆或空心杆。
进一步，所述中心固定杆的材质为石英、陶瓷、碳纤维、表面镀陶瓷金属杆中的一种或多种组合。
进一步，所述螺旋支撑架的材质为为石英、陶瓷、碳纤维、表面镀陶瓷金属杆中的一种或多种组合。
进一步，所述螺旋支撑壁的厚度均相同或由内圈向外圈逐渐变薄。
进一步，所述螺旋支撑壁的厚度为0.1mm-100mm。
进一步，所述螺旋支撑壁的厚度为5mm-15mm。
一种卷状生长石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将石墨烯生长衬底以所述螺旋支撑架的卷绕方向卷绕在所述中心固定杆外、两个所述螺旋支撑架之间，该卷状石墨烯的夹具装样简单、灵活。装载石墨烯生长基底时，可以沿着按螺旋支撑壁的卷绕方向将石墨烯生长基底卷绕在所述中心固定杆外、两个所述螺旋支撑架之间；也可以将螺旋支撑壁从中心固定杆取下，再将石墨烯生长基底以螺旋支撑壁卷绕周期卷绕在一起，然后将螺旋支撑臂分别从卷绕石墨烯生长基底的两端插入，最后将中心固定杆从螺旋支撑臂的中心插入，并将螺旋支撑架的内圈与中心固定杆的外表面铆合；
步骤二，将卷绕了石墨烯生长衬底的夹具放置于石墨烯生长装置中，采用化学气相沉积法制备石墨烯薄膜；
步骤三，待石墨烯生长完后将夹具从石墨烯生长装置中取出，然后分别取下螺旋支撑架和中心固定杆，即得卷状生长石墨烯。
进一步，所述步骤一中的所述石墨烯生长衬底为材质为铜、镍、铁、钴、铂、钌中的一种或它们之间任意几种组合组成的合金的箔材。
进一步，所述步骤一中的所述石墨烯生长的厚度为10-200微米。
本发明的有益效果是：本发明的卷状石墨烯生长的夹具结构结构装样简单、灵活、轻便，易操作。通过螺旋支撑架将石墨烯生长基底支撑起来，实现了石墨烯生长基底卷绕生长，克服了石墨烯生长基底在高温、真空条件下卷绕生长时互相粘合的技术瓶颈。通过该卷状生长石墨烯的夹具和方法可在单批次制备石墨烯的过程中提高制备石墨烯薄膜的面积，从而节约设备和能源成本。
附图说明
图1为本发明一种卷状生长石墨烯的夹具的结构示意图；
图2为本发明一种卷状生长石墨烯的夹具卷绕石墨烯生长衬底的示意图；
图3为本发明一种卷状生长石墨烯的制备方法的流程图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、螺旋支撑架，2、中心固定杆，3、石墨烯生长衬底。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例一
如图1所示，本实施例中的一种卷状生长石墨烯的夹具，包括中心固定杆2和两个由螺旋支撑壁间隔卷绕而成的螺旋支撑架1，两个所述螺旋支撑架1分别套在所述中心固定杆2的两端，所述螺旋支撑架1的内圈与所述中心固定杆2的外表面铆合。中心固定杆2为空心杆，降低支撑架本身的重量。所述中心固定杆的材质为石英。螺旋支撑架1结构为非均匀结构，即螺旋支撑壁的厚度由内而外逐渐变薄。所述螺旋支撑壁最内圈的壁厚为50mm，最外圈的壁厚为5mm。
如图3所示，一种卷状生长石墨烯的使用方法，包括以下步骤：
步骤一，将45微米厚的铜箔石墨烯生长衬底3以所述螺旋支撑架1的卷绕方向卷绕在所述中心固定杆2外、两个所述螺旋支撑架1之间，如图2所示；
步骤二，将卷绕了铜箔石墨烯生长衬底3的夹具放置于石墨烯生长装置中，采用化学气相沉积法制备石墨烯薄膜；
步骤三，待石墨烯生长完后将夹具从石墨烯生长装置中取出，然后分别取下螺旋支撑架1和中心固定杆2，即得卷状生长石墨烯。
实施例二
如图1所示，本实施例中的一种卷状生长石墨烯的夹具，包括中心固定杆2和两个由螺旋支撑壁间隔卷绕而成的螺旋支撑架1，两个所述螺旋支撑架1分别套在所述中心固定杆2的两端，所述螺旋支撑架1的内圈与所述中心固定杆2的外表面铆合。中心固定杆2可为实心杆，降低支撑架本身的重量。所述中心固定杆的材质为陶瓷。螺旋支撑架1结构为均匀结构，即螺旋支撑壁的厚度由内而外均匀分布。所述螺旋支撑壁的壁厚为100mm。
如图3所示，一种卷状生长石墨烯的使用方法，包括以下步骤：
步骤一，将螺旋支撑壁1从中心固定杆2取下，再将40微米镍箔石墨烯生长基底以螺旋支撑壁1卷绕周期卷绕在一起，然后将螺旋支撑臂1分别从卷绕石墨烯生长基底3的两端插入，最后将中心固定杆2从螺旋支撑臂的中心插入，并将螺旋支撑架1的内圈与中心固定杆2的外表面铆合，如图2所示；
步骤二，将卷绕了镍箔石墨烯生长衬底3的夹具放置于石墨烯生长装置中，采用化学气相沉积法制备石墨烯薄膜；
步骤三，待石墨烯生长完后将夹具从石墨烯生长装置中取出，然后分别取下螺旋支撑架1和中心固定杆2，即得卷状生长石墨烯。
实施例三
如图1所示，本实施例中的一种卷状生长石墨烯的夹具，包括中心固定杆2和两个由螺旋支撑壁间隔卷绕而成的螺旋支撑架1，两个所述螺旋支撑架1分别套在所述中心固定杆2的两端，所述螺旋支撑架1的内圈与所述中心固定杆2的外表面铆合。中心固定杆2可为空心杆，降低支撑架本身的重量。所述中心固定杆的材质为碳纤维。螺旋支撑架1结构为均匀结构，即螺旋支撑壁的厚度由内而外均匀分布。所述螺旋支撑壁的壁厚为45mm。
如图3所示，一种卷状生长石墨烯的使用方法，包括以下步骤：
步骤一，将螺旋支撑壁1从中心固定杆2取下，再将20微米铂箔石墨烯生长基底以螺旋支撑壁1卷绕周期卷绕在一起，然后将螺旋支撑臂1分别从卷绕石墨烯生长基底3的两端插入，最后将中心固定杆2从螺旋支撑臂的中心插入，并将螺旋支撑架1的内圈与中心固定杆2的外表面铆合，如图2所示；
步骤二，将卷绕了镍箔石墨烯生长衬底3的夹具放置于石墨烯生长装置中，采用化学气相沉法制备石墨烯薄膜；
步骤三，待石墨烯生长完后将夹具从石墨烯生长装置中取出，然后分别取下螺旋支撑架1和中心固定杆2，即得卷状生长石墨烯。
本发明提供了可用于石墨烯生长衬底3卷状生长的夹具，所述夹具主要由螺旋支撑架1和中心固定杆2两部分组成。所述螺旋支撑架1为中心可插入中心固定杆2，外围卷绕一周以上的结构，螺旋支撑结构内边缘(即起始螺旋边)具有与中心固定杆2铆合的异性结构。所述中心固定杆2具有与螺旋支撑架1铆合的互补异形结构，中心固定杆2用于保证不同的螺旋支撑架1结构起始卷绕点和终止卷绕点相同，防止由于螺旋支撑架1之间相互错位而导致石墨烯生长衬底3变形。本发明的卷状石墨烯生长的夹具结构结构装样简单、灵活、轻便，易操作。通过螺旋支撑架1将石墨烯生长衬底3支撑起来，实现了石墨烯生长衬底3卷绕生长，克服了石墨烯生长衬底3在高温、真空条件下卷绕生长时互相粘合的技术瓶颈。通过该卷状生长石墨烯的夹具和方法可在单批次制备石墨烯的过程中提高制备石墨烯薄膜的面积，从而节约设备和能源成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种卷状生长石墨烯的夹具，其特征在于，包括中心固定杆(2)和两个由螺旋支撑壁间隔卷绕而成的螺旋支撑架(1)，两个所述螺旋支撑架(1)分别套在所述中心固定杆(2)的两端，所述螺旋支撑架(1)的内圈与所述中心固定杆(2)的外表面铆合。
2.根据权利要求1所述的一种卷状生长石墨烯的夹具，其特征在于，所述中心固定杆(2)为实心杆或空心杆。
3.根据权利要求1或2所述的一种卷状生长石墨烯的夹具，其特征在于，所述中心固定杆(2)的材质为石英、陶瓷、碳纤维、表面镀陶瓷金属中的一种或多种组合。
4.根据权利要求1或2所述的一种卷状生长石墨烯的夹具，其特征在于，所述螺旋支撑架(1)的材质为为石英、陶瓷、碳纤维、表面镀陶瓷金属中的一种或多种组合。
5.根据权利要求1或2所述的一种卷状生长石墨烯的夹具，其特征在于，所述螺旋支撑壁的厚度由内圈向外圈逐渐变薄。
6.根据权利要求1或2所述的一种卷状生长石墨烯的夹具，其特征在于，所述螺旋支撑壁的厚度均相同。
7.根据权利要求1或2所述的一种卷状生长石墨烯的夹具，其特征在于，所述螺旋支撑壁的厚度为0.1mm-100mm。
8.一种卷状生长石墨烯的制备方法，其特征在于，该方法通过使用权利要求1-7任一项所述的夹具制备卷状生长石墨烯，包括以下步骤：
步骤一，将石墨烯生长衬底(3)以所述螺旋支撑架(1)的卷绕方向卷绕在所述中心固定杆(2)外、两个所述螺旋支撑架(1)之间；
步骤二，将卷绕了石墨烯生长衬底(3)的夹具放置于石墨烯生长装置中，采用化学气相沉积法制备石墨烯薄膜；
步骤三，待石墨烯生长完后将夹具从石墨烯生长装置中取出，然后分别取下螺旋支撑架(1)和中心固定杆(2)，即得卷状生长石墨烯。
9.根据权利要求8所述的一种卷状生长石墨烯的使用方法，其特征在于，所述步骤一中的所述石墨烯生长衬底(3)为材质为铜、镍、铁、钴、铂、钌中的一种或它们之间任意几种组合组成的合金的箔材。
10.根据权利要求8或9所述的一种卷状生长石墨烯的使用方法，其特征在于，所述步骤一中的所述石墨烯生长衬底(3)的厚度为10-200微米。
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