CN104773723B - 具有气相动力学控制的石墨烯化学气相法制备炉的多通道进气装置 - Google Patents

具有气相动力学控制的石墨烯化学气相法制备炉的多通道进气装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有气相动力学控制的石墨烯化学气相法制备炉的多通道进气装置，主要由进气导管、进气流控制器和输气管组成，每条进气导管都有进气流控制器，进气流控制器安装在进气导管上部，进气流控制器上部与输气管连接。该装置配合球形炉体使用，由于进气导管与球形炉体中心垂直线之间存在微小的夹角，使气流进入时形成微旋转的状态，在进气流控制器控制下，形成从球形炉体上端垂直流入直达基底材料表面的带有轻微旋转的气体气相路线，轻微旋转的气流加强了基底材料表面的气相动力学的均衡，消除了基底材料上不均衡的边界层，实现了石墨烯化学气相法制备的气相动力学控制和平衡，使碳源气体混合物均衡地与基底材料反应生长出高质量石墨烯。

Description

具有气相动力学控制的石墨烯化学气相法制备炉的多通道进 气装置
技术领域
本发明属于石墨烯化学气相沉积法制备及其气相动力学控制领域，尤其涉及一种具有气相动力学控制的石墨烯化学气相法制备炉的多通道进气装置。
背景技术
石墨烯是一种新型的碳质材料，是由碳原子以六边形结构排列的二维晶体，是第一种真正意义上的二维材料。由于其优异的力、热、光、电、磁特性，使得它在纳米光电子器件方面具有巨大的应用前景，如下一代高速晶体管，透明电极，光电、压力传感器等。为此，如何制备大面积高质量的石墨烯便成为目前的研究热点。在众多的制备方法中，化学气相沉积CVD法被认为是最有希望成为实现工业化生产石墨烯的解决方案，并且已经取得了令人瞩目的进展。然而，在化学气相沉积制备石墨烯过程中，影响石墨烯生长的因素很复杂，除了碳源、基底材料外，压力、温度、气体流量、反应装置等都是影响因素。如今化学气相沉积制备石墨烯已能较好地控制反应的压力、温度、气体流量，但对气相动力学的控制仍是弱项。因此，实现有效地气相动力学控制成为化学气相沉积制备石墨烯十分迫切的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有气相动力学控制的石墨烯化学气相法制备炉的多通道进气装置，以实现对化学气相法制备石墨烯的气相动力学控制，进而高质量地制备石墨烯。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：具有气相动力学控制的石墨烯化学气相法制备炉的多通道进气装置，主要由进气导管、进气流控制器和输气管组成；进气导管有多条，每条进气导管都有进气流控制器，进气流控制器安装在进气导管上部，进气流控制器上部与输气管连接。
进气流控制器由计算机控制。
石墨烯化学气相法制备炉主要由炉体及其进气口和出气口组成，炉体为球形炉体，球形炉体采用圆球形状，炉体中的炉膛采用弧形结构。
进气口和出气口轴向呈90度角，进气口垂直设置在球形炉体顶端；进气口采用大口径多路进气导管设计，进气口直径为球形炉体直径的1/2。
出气口水平设置在球形炉体中部，出气口为多个且对称分布。
出气口为2-8个，且出气口截面积之和等于进气口截面积。
该多通道进气装置位于球形炉体上端，进气导管安装在进气口内且与球形炉体中心垂直线有一定夹角，进气导管上部连接进气流控制器，进气导管下部通向球形炉体的炉膛。
针对目前化学气相沉积CVD法制备石墨烯存在的问题，发明人设计制作了一种具有气相动力学控制的石墨烯化学气相法制备炉的多通道进气装置，主要由进气导管、进气流控制器和输气管组成。该装置配合球形炉体使用，由于进气导管与球形炉体中心垂直线之间存在微小的夹角，使气流进入时形成微旋转的状态，在进气流控制器控制下，形成从球形炉体上端垂直流入直达基底材料表面的带有轻微旋转的气体气相路线，轻微旋转的气流加强了基底材料表面的气相动力学的均衡，消除了基底材料上不均衡的边界层，实现了石墨烯化学气相法制备的气相动力学控制和平衡，使碳源气体混合物均衡地与基底材料反应生长出高质量石墨烯。
附图说明
图1是本发明具有气相动力学控制的石墨烯化学气相法制备炉的多通道进气装置的结构及使用状态示意图。
图2是应用图1中多通道进气装置的气相动力学控制示意图。
图中：1球形炉体，2进气口，3出气口，4进气导管，5进气流控制器，6输气管，12气流线，13基底材料。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的具有气相动力学控制的石墨烯化学气相法制备炉的多通道进气装置，主要由进气导管4、进气流控制器5和输气管6组成；进气导管有多条，每条进气导管都有进气流控制器并由计算机控制，进气流控制器安装在进气导管上部，进气流控制器上部与输气管连接，参与化学气相法制备石墨烯的各种气体由输气管输入。
该多通道进气装置与石墨烯化学气相法制备炉配合使用。其中，石墨烯化学气相法制备炉主要由炉体及其进气口2和出气口3组成，炉体为球形炉体1，球形炉体采用圆球形状，炉体中的炉膛采用弧形结构。进气口和出气口轴向呈90度角，进气口垂直设置在球形炉体顶端；进气口采用大口径多路进气导管设计，可容纳多条进气导管，进气口直径为球形炉体直径的1/2。出气口水平设置在球形炉体中部，负责参与化学气相法制备石墨烯的各种气体的排出，出气口为多个且对称分布。出气口可以为2、3、4、5、6、7或8个，出气口的大小与进气口大小相关，其出气口截面积之和等于进气口截面积。
工作原理
使用时，该多通道进气装置位于球形炉体上端，多条进气导管按一定规律排列安装在进气口内且与球形炉体中心垂直线有一定夹角，进气导管上部连接进气流控制器，进气导管下部通向球形炉体的炉膛。参与化学气相法制备石墨烯的各种气体分多路自上而下注入，气体构成垂直于基底材料13表面、气流从水平基底材料表面90度转弯后再从基底材料表面水平流出的气相动力学关系；同时，由于进气导管与球形炉体中心垂直线有一定夹角，进入炉中气流的角度不是完全的90度，也有一定的夹角，使气流进入时形成微旋转的气流，气体到达基底材料表面时也是轻微旋转的，在进气流控制器控制下，形成从球形炉体上端垂直流入直达基底材料表面的带有轻微旋转的气流线12，轻微旋转的气流加强了基底材料表面的气相动力学的均衡，均衡的气相气场作用于基底材料上，消除基底材料上不均衡的边界层，使碳源气体混合物均衡地与基底材料反应生长出高质量石墨烯，通过计算机可以实现化学气相法制备石墨烯过程石墨烯生长的气相动力学控制，从而能够制备出高质量石墨烯。

Claims (5)

1.一种具有气相动力学控制的石墨烯化学气相法制备炉的多通道进气装置，其特征在于主要由进气导管、进气流控制器和输气管组成；所述进气导管有多条，每条进气导管都有进气流控制器，进气流控制器安装在进气导管上部，进气流控制器上部与输气管连接；所述石墨烯化学气相法制备炉主要由炉体及其进气口和出气口组成，所述炉体为球形炉体，球形炉体采用圆球形状，炉体中的炉膛采用弧形结构；所述进气口和出气口轴向呈90度角，进气口垂直设置在球形炉体顶端；所述进气口采用大口径多路进气导管设计，进气口直径为球形炉体直径的1/2。
2.根据权利要求1所述的石墨烯化学气相法制备炉的多通道进气装置，其特征在于：所述进气流控制器由计算机控制。
3.根据权利要求2所述的石墨烯化学气相法制备炉的多通道进气装置，其特征在于：所述出气口水平设置在球形炉体中部，出气口为多个且对称分布。
4.根据权利要求3所述的石墨烯化学气相法制备炉的多通道进气装置，其特征在于：所述出气口为2-8个，且出气口截面积之和等于进气口截面积。
5.根据权利要求4所述的石墨烯化学气相法制备炉的多通道进气装置，其特征在于：该多通道进气装置位于球形炉体上端，进气导管安装在进气口内且与球形炉体中心垂直线有一定夹角，进气导管上部连接进气流控制器，进气导管下部通向球形炉体的炉膛。
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