CN104803378B - 石墨烯化学气相沉积法制备的衬底材料表面气相动力学控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯化学气相沉积法制备的衬底材料表面气相动力学控制方法，该法采用易于气相动力学平衡的球形炉体的石墨烯化学气相法制备炉体装置，并通过计算机设置和控制气相动力学参数实现精确控制石墨烯生长衬底材料表面的气相动力学平衡，以达到控制碳原子在石墨烯生长衬底材料表面的均衡沉积从而制备高质量石墨烯的目的。本发明解决石墨烯化学气相沉积法制备过程中由于衬底材料表面气相动力学不平衡而影响石墨烯的质量的难题，从而实现可控制、高质量地制备石墨烯。

Description

石墨烯化学气相沉积法制备的衬底材料表面气相动力学控制 方法

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，尤其涉及一种石墨烯化学气相沉积法制备的衬底材料表面气相动力学控制方法。

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，光电转换器、探测器以及高敏传感器等。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。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、化学剥离法、SiC外延生长法、化学气相沉积(CVD)法等，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，如何可控地制备石墨烯仍是目前面临的一大难题。化学气相沉积法制备石墨烯，由于其存在着衬底材料表面气相动力学平衡问题，常常造成石墨烯生长不均，直接影响石墨烯的质量。因此，研究石墨烯化学气相沉积制备的衬底材料表面气相动力学控制，并解决其气相动力学平衡问题，对石墨烯制备的质量控制以及工业化生产具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种石墨烯化学气相沉积法制备的衬底材料表面气相动力学控制方法，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：石墨烯化学气相沉积法制备的衬底材料表面气相动力学控制方法，采用石墨烯化学气相法制备炉体装置，并通过计算机设置和控制气相动力学参数实现精确控制石墨烯生长衬底材料表面的气相动力学平衡，以达到控制碳原子在石墨烯生长衬底材料表面的均衡沉积从而制备高质量石墨烯的目的。

气相动力学参数包括气体流量、流速、压力、浓度、温度和反应时间。

石墨烯化学气相法制备炉体装置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；球形炉体上端安装多通道进气装置，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，每条进气导管都有由计算机控制的进气流控制器，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。

上述衬底材料表面气相动力学控制方法，按以下操作进行：

将经过处理的石墨烯生长衬底材料放置于球形炉体中间的基座上，使石墨烯生长衬底材料平面与炉体进气口垂直；通过多通道进气装置获得进气方向一致、流量一致、流速一致、压力一致、浓度一致的均衡气场，并控制气场的横截面面积大于石墨烯生长衬底材料面积，使均衡气场全覆盖石墨烯生长衬底材料表面，消除石墨烯生长衬底材料表面气相动力学不均衡现象；

通过控制进气导管，使均衡气场垂直到达石墨烯生长衬底材料表面，使石墨烯生长衬底材料表面气相动力学均衡一致；通过控制进气导管角度，使气流进入时形成微旋转的气场，使到达石墨烯生长衬底材料表面的气场成为微旋转气场，微旋转气场加强了石墨烯生长衬底材料表面气相动力学均衡一致；

通过控制出气口，使垂直到达石墨烯生长衬底材料表面的气场在石墨烯生长衬底材料表面90度转弯，从石墨烯生长衬底材料表面周边流出，使石墨烯生长衬底材料表面气相边界层均衡一致，消除石墨烯生长衬底材料表面气相边界层不均衡问题，使石墨烯生长衬底材料表面气相动力学均衡一致；

通过计算机精确控制气场的流量、流速、压力、浓度、温度和反应时间，实现精确控制石墨烯生长衬底材料表面气相动力学，达到控制碳原子在石墨烯生长衬底材料表面的均衡沉积制备高质量石墨烯的目的。

针对目前化学气相沉积CVD法制备石墨烯存在的问题，发明人建立了一种石墨烯化学气相沉积法制备的衬底材料表面气相动力学控制方法，该法采用易于气相动力学平衡的球形炉体的石墨烯化学气相法制备炉体装置，并通过计算机设置和控制气相动力学参数实现精确控制石墨烯生长衬底材料表面的气相动力学平衡，以达到控制碳原子在石墨烯生长衬底材料表面的均衡沉积从而制备高质量石墨烯的目的。本发明解决石墨烯化学气相沉积法制备过程中由于衬底材料表面气相动力学不平衡而影响石墨烯的质量的难题，从而实现可控制、高质量地制备石墨烯。

附图说明

图1是本发明采用的石墨烯化学气相法制备炉体装置的结构示意图。

图2是应用本发明中石墨烯生长衬底材料放置位置示意图。

图3是应用本发明中垂直于石墨烯生长衬底材料表面的均衡气场的气相动力学控制示意图。

图4是应用本发明中石墨烯生长衬底材料表面微旋转气场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气场，13衬底材料。

具体实施方式

如图1至4所示，本发明的石墨烯化学气相沉积法制备的衬底材料表面气相动力学控制方法，采用石墨烯化学气相法制备炉体装置，并通过计算机设置和控制气相动力学参数实现精确控制石墨烯生长衬底材料表面的气相动力学平衡，以达到控制碳原子在石墨烯生长衬底材料表面的均衡沉积从而制备高质量石墨烯的目的。

其中，石墨烯化学气相法制备炉体装置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，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；球形炉体上端安装多通道进气装置，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，每条进气导管都有由计算机控制的进气流控制器，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。

本发明衬底材料表面气相动力学控制方法，具体按以下操作进行：

将经过处理的石墨烯生长衬底材料13放置于球形炉体中间的基座上，使石墨烯生长衬底材料平面与炉体进气口垂直；通过多通道进气装置获得进气方向一致、流量一致、流速一致、压力一致、浓度一致的均衡气场12，并控制气场的横截面面积大于石墨烯生长衬底材料面积，使均衡气场全覆盖石墨烯生长衬底材料表面，消除石墨烯生长衬底材料表面气相动力学不均衡现象；

通过控制进气导管，使均衡气场垂直到达石墨烯生长衬底材料表面，使石墨烯生长衬底材料表面气相动力学均衡一致；通过控制进气导管角度，使气流进入时形成微旋转的气场，使到达石墨烯生长衬底材料表面的气场成为微旋转气场，微旋转气场加强了石墨烯生长衬底材料表面气相动力学均衡一致；

通过控制出气口，使垂直到达石墨烯生长衬底材料表面的气场在石墨烯生长衬底材料表面90度转弯，从石墨烯生长衬底材料表面周边流出，使石墨烯生长衬底材料表面气相边界层均衡一致，消除石墨烯生长衬底材料表面气相边界层不均衡问题，使石墨烯生长衬底材料表面气相动力学均衡一致；

通过计算机精确控制气场的流量、流速、压力、浓度、温度和反应时间，实现精确控制石墨烯生长衬底材料表面气相动力学，达到控制碳原子在石墨烯生长衬底材料表面的均衡沉积制备高质量石墨烯的目的。

开启石墨烯化学气相法制备炉体装置的计算机控制系统后，炉体装置将根据以上操作需要预先设定程序，然后进行石墨烯化学气相沉积法制备，并实时采集数据，反馈比较，自动调节，最后结束制备。

Claims (2)

1.一种石墨烯化学气相沉积法制备的衬底材料表面气相动力学控制方法，其特征在于：采用石墨烯化学气相法制备炉体装置，并通过计算机设置和控制气相动力学参数实现精确控制石墨烯生长衬底材料表面的气相动力学平衡，以达到控制碳原子在石墨烯生长衬底材料表面的均衡沉积从而制备高质量石墨烯的目的；所述气相动力学参数包括气体流量、流速、压力、浓度、温度和反应时间；所述石墨烯化学气相法制备炉体装置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；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；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；出气口为2-8个，且出气口截面积之和等于进气口截面积；球形炉体上端安装多通道进气装置，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，每条进气导管都有由计算机控制的进气流控制器，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。

2.根据权利要求1所述的衬底材料表面气相动力学控制方法，其特征在于按以下操作进行：

将经过处理的石墨烯生长衬底材料放置于球形炉体中间的基座上，使石墨烯生长衬底材料平面与炉体进气口垂直；通过多通道进气装置获得进气方向一致、流量一致、流速一致、压力一致、浓度一致的均衡气场，并控制气场的横截面面积大于石墨烯生长衬底材料面积，使均衡气场全覆盖石墨烯生长衬底材料表面，消除石墨烯生长衬底材料表面气相动力学不均衡现象；

通过控制进气导管，使均衡气场垂直到达石墨烯生长衬底材料表面，使石墨烯生长衬底材料表面气相动力学均衡一致；通过控制进气导管角度，使气流进入时形成微旋转的气场，使到达石墨烯生长衬底材料表面的气场成为微旋转气场，微旋转气场加强了石墨烯生长衬底材料表面气相动力学均衡一致；

通过控制出气口，使垂直到达石墨烯生长衬底材料表面的气场在石墨烯生长衬底材料表面90度转弯，从石墨烯生长衬底材料表面周边流出，使石墨烯生长衬底材料表面气相边界层均衡一致，消除石墨烯生长衬底材料表面气相边界层不均衡问题，使石墨烯生长衬底材料表面气相动力学均衡一致；

通过计算机精确控制气场的流量、流速、压力、浓度、温度和反应时间，实现精确控制石墨烯生长衬底材料表面气相动力学，达到控制碳原子在石墨烯生长衬底材料表面的均衡沉积制备高质量石墨烯的目的。