CN105293474B - 一种快速制备石墨烯的设备及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速制备石墨烯的设备及其制备方法，其中设备包括管式炉、装样舱、真空阀和多个载样小舟；管式炉包括石英管，该石英管的一端为加热端，另一端通过真空阀与装样舱连接，石英管的加热端的外部设有加热装置；管式炉的石英管上设有第一进气口和第一出气口；装样舱上设有第二进气口、第二出气口和装样口；装样舱内设有换位装置和移动装置；多个载样小舟放置在装样舱的换位装置上，并通过换位装置改变载样小舟与移动装置之间的相对位置；移动装置带动与其位置对应的载样小舟在换位装置与石英管的加热端之间移动。本发明极大的提高了管式炉的生长效率，减少了能源的损失及浪费。

Description

一种快速制备石墨烯的设备及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种快速制备石墨烯的设备及其制备方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一层碳原子厚度的新型二维材料。由于石墨烯特殊的化学结构使其在力学、热学、光学、电学等方面具有十分优异的性质，如具有超强的导电性、宽谱段高透明度、超高的机械强度与良好的导热性等。石墨烯独特的物理性质决定了其广阔的应用前景，例如，石墨烯广泛应用于光电设备，可以用于制作柔性透明电极等，利用石墨烯制作的柔性透明电极与目前市场主导的ITO透明电极相比，透光率更强、光电转换效率更高、功耗更低、导热性更好；石墨烯还可以用于制造下一代纳米电子集成器件，制造得到的电子器件不仅运行速度快，并且耗能比现有器件显著降低；此外，石墨烯在航天器制造与医疗方面发挥着不可替代的作用。

自2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫通过实验成功地从石墨中分离出石墨烯并证实它可以单独存在后，研究人员公开了诸多制备石墨烯的方法，如微机械剥离法、外延生长法、化学还原法、化学气相沉积法(CVD)等。其中，微机械剥离法是直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来制备石墨烯的一种方法；外延生长法是利用硅的高蒸汽压，在高温和超高真空条件下使硅原子挥发，剩余的碳原子通过结构重排在SiC表面形成石墨烯；化学还原法是将氧化石墨与水混合，用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼加热回流，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯；CVD法是以甲烷等含碳化合物作为碳源，在镍、铜等具有溶碳量的金属生长基体上通过将碳源高温分解然后采用强迫冷却的方式而在基体表面形成石墨烯。采用CVD法制备的石墨烯不仅面积较大，而且具有层数可控的优点，逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法之一。

目前，固定式管式炉样片随炉升温降温生产周期较长，效率低下；通常改善后的管式炉采用炉体移动或者石英炉管移动。申请号为CN201320561099.3的中国专利文献提供了《一种石墨烯生长装置》，，包括石墨烯沉积系统、沉积炉和小车；石墨烯沉积系统的石墨烯模具和石墨烯基底设置在内石英管内部，内石英管开口端外部设有密闭法兰，密闭法兰上设有进气口和抽气口；沉积炉炉体右侧设有炉口，加热系统为空腔形，水平滑轨固定在炉口下侧，水平滑轨上滑动连接有石英管夹持装置；小车车体内设有水平升降台和水平夹持装置。此装置对生产效率有一定的提高，但是在移动过程中热量会出现大量的流失，在重新进样后，需要一段时间才能恢复到沉积温度，间接延长了生长周期。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种快速制备石墨烯的设备，极大的提高管式炉的生长效率，减少能源的损失及浪费。

实现本发明第一个目的的技术方案是：一种快速制备石墨烯的设备，包括管式炉、装样舱、真空阀和多个载样小舟；所述管式炉包括石英管，该石英管的一端为加热端，另一端通过真空阀与装样舱连接，石英管的加热端的外部设有加热装置；所述管式炉的石英管上设有第一进气口和第一出气口；所述装样舱上设有第二进气口、第二出气口和装样口；所述装样舱内设有换位装置和移动装置；所述多个载样小舟放置在装样舱的换位装置上，并通过换位装置改变载样小舟与移动装置之间的相对位置；所述移动装置带动与其位置对应的载样小舟在换位装置与石英管的加热端之间移动。

所述装样舱内的换位装置采用传输带；所述传输带的运动方向与移动装置的运动方向垂直；所述多个载样小舟按照传输带的运动方向依次放置在传输带上。

所述多个载样小舟并排放置在装样舱的换位装置上，载样小舟的一端设有石英棒；所述石英棒的外端部固定有磁力块；所述装样舱的移动装置包括伸缩杆以及固定在伸缩杆端部的磁性线圈；所述磁性线圈通电后吸附磁力块，并通过伸缩杆的伸缩带动载样小舟在装样舱的换位装置与石英管的加热端之间移动。

所述载样小舟材质为金属如不锈钢或者镀铜不锈钢或者不锈铁或者中低碳钢或者镀锌铁或者镍铬或者铁铬铝；所述载样小舟上的磁力块的材料为硬磁性材料；所述装样舱的移动装置的磁性线圈的材料为软磁性材料。

所述真空阀为真空球阀或者真空蝶阀或者真空闸阀或者真空截止阀或者真空隔膜阀或者真空电磁阀或者真空安全阀或者真空档板阀或者真空插板阀或者真空充气阀。

本发明的第二个目的是提供一种快速制备石墨烯的设备的制备方法，降低生产成本，缩短石墨烯的生长周期，提高生产效率。

实现本发明第二个目的的技术方案是：一种快速制备石墨烯的设备的制备方法，包括以下步骤：

①、打开装样舱的装样口，将1-10个载样小舟放于传送带上，载样小舟的数量优选3-5个，然后关闭装样口；

②、对管式炉和装样舱同时进行抽真空，然后通过第一进气口和第二进气口分别向管式炉和装样舱内通入惰性气体进行冲洗，其中气体流量为500-1000sccm，待压力到常压后再重复冲洗两次；

③、对磁性线圈通电，磁性线圈对磁力块产生磁力，并打开伸缩杆的开关，伸缩杆开始向管式炉的方向水平伸出，打开真空阀，在磁力作用下伸缩杆将装样舱中与其位置对应的载样小舟推入石英管的加热端；

④、关闭磁性线圈电流，将伸缩杆的开关拨到反向，伸缩杆和磁性线圈缩回装样舱，并关闭真空阀；

⑤、升温沉积，管式炉开始升温，温度为900-1050℃，升温速率为10℃/min,达到温度以后，通过第一进气口向管式炉内通入气态碳源或者气化后的液态碳源以及催化气体进行沉积，其中含气态碳源或者气化后的液态碳源的流量为50-100sccm，催化气体的流量为50-200sccm，沉积时间5-20min；

⑥、抽去管式炉中的碳源气体和催化气体，并向其内部通入惰性气体，其中气体流量为500-1000sccm，打开真空阀，对磁性线圈通电，并打开伸缩杆的开关，伸缩杆水平伸入管式炉，并通过磁性线圈吸附磁力块，然后将伸缩杆的开关打到反向，伸缩杆带着沉积完的载样小舟回缩到装样舱内的传送带表面；

⑦、开启传送带将沉积完的载样小舟移动一个位置，使准备好的下一个载样小舟对准管式炉的石英管，然后重复步骤③-⑥；

⑧、带传送带上的载样小舟全部沉积完后，向装样舱内通入惰性气体对沉积完的载样小舟进行冷却，惰性气体流量500-1000sccm，冷却完取出样品并重新装填载样小舟。

所述步骤②中对管式炉和装样舱同时进行抽真空时，将管式炉和装样舱内的压力抽到0.1-100pa。

所述步骤②中向管式炉和装样舱内通入的惰性气体为氮气或者氩气或者氦气或者氖气，或者其中两种或两种以上混合气体。

所述步骤③中伸缩杆推动载样小舟移动的速率为50-100mm/min。

所述步骤⑤中的气态碳源或者气化后的液态碳源为烃类气体，催化气体为氢气。

采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

(1)本发明结构简单，通过移动装置带动与其位置对应的载样小舟在换位装置与石英管的加热端之间移动，使得载样小舟在管式炉内沉积完后，即能在装样舱内被快速冷却，缩短了石墨烯的生长周期，极大的提高了管式炉的生长效率，减少了能源的损失及浪费。

(2)本发明的装样舱的换位装置上放置多个载样小舟，并通过换位装置改变载样小舟与移动装置之间的相对位置，使得本发明能够连续生长多个石墨烯样品，有效提高了生产效率。

(3)本发明的装样舱内的换位装置采用传输带，传动可靠，控制简单，成本低。

(4)本发明通过磁性线圈通电后吸附磁力块来控制载样小舟，通过伸缩杆的伸缩带动载样小舟，结构简单，操作方便，运行稳定可靠。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中放置了载样小舟的传送带的左视图。

附图中的标号为：

管式炉1、石英管11、第一进气口111、第一出气口112、加热装置12、装样舱2、第二进气口21、第二出气口22、装样口23、换位装置24、移动装置25、伸缩杆251、磁性线圈252、真空阀3、载样小舟4、石英棒41、磁力块42。

具体实施方式

(实施例1)

见图1和图2，本实施例的快速制备石墨烯的设备，包括管式炉1、装样舱2、真空阀3和多个载样小舟4。

管式炉1包括石英管11，该石英管11的一端为加热端，另一端通过真空阀3与装样舱2连接，石英管11的加热端的外部设有加热装置12。管式炉1的石英管11上设有第一进气口111和第一出气口112。装样舱2上设有第二进气口21、第二出气口22和装样口23。装样舱2内设有换位装置24和移动装置25。多个载样小舟4放置在装样舱2的换位装置24上，并通过换位装置24改变载样小舟4与移动装置25之间的相对位置。移动装置25带动与其位置对应的载样小舟4在换位装置24与石英管11的加热端之间移动。

装样舱2内的换位装置24采用传输带。传输带的运动方向与移动装置25的运动方向垂直。多个载样小舟4按照传输带的运动方向依次等距放置在传输带上。载样小舟4的一端设有石英棒41。石英棒41的外端部固定有磁力块42。装样舱2的移动装置25包括伸缩杆251以及固定在伸缩杆251端部的磁性线圈252。磁性线圈252通电后吸附磁力块42，并通过伸缩杆251的伸缩带动载样小舟4在装样舱2的换位装置24与石英管11的加热端之间移动。

载样小舟4材质为金属如不锈钢或者镀铜不锈钢或者不锈铁或者中低碳钢或者镀锌铁或者镍铬或者铁铬铝。载样小舟4上的磁力块42的材料为硬磁性材料。装样舱2的移动装置25的磁性线圈252的材料为软磁性材料。

真空阀3为真空球阀或者真空蝶阀或者真空闸阀或者真空截止阀或者真空隔膜阀或者真空电磁阀或者真空安全阀或者真空档板阀或者真空插板阀或者真空充气阀。

本实施例的快速制备石墨烯的设备的制备方法，包括以下步骤：

①、打开装样舱2的装样口23，将1-10个载样小舟4放于传送带上，载样小舟4的数量优选3-5个，然后关闭装样口23。

②、对管式炉1和装样舱2同时进行抽真空，压力抽到0.1-100pa，优选0.1-5pa，然后通过第一进气口111和第二进气口21分别向管式炉1和装样舱2内通入惰性气体进行冲洗，惰性气体为氮气或者氩气或者氦气或者氖气，或者其中两种或两种以上混合气体，其中气体流量为500-1000sccm，待压力到常压后再重复冲洗两次。

③、对磁性线圈252通电，磁性线圈252对磁力块42产生磁力，并打开伸缩杆251的开关，伸缩杆251开始向管式炉1的方向水平伸出，打开真空阀3，在磁力作用下伸缩杆251将装样舱2中与其位置对应的载样小舟4推入石英管11的加热端，伸缩杆251推动载样小舟4移动的速率为50-100mm/min。

④、关闭磁性线圈252电流，将伸缩杆251的开关拨到反向，伸缩杆251和磁性线圈252缩回装样舱2，并关闭真空阀3。

⑤、升温沉积，管式炉1开始升温，温度为900-1050℃，升温速率为10℃/min,达到温度以后，通过第一进气口111向管式炉1内通入气态碳源或者气化后的液态碳源以及催化气体进行沉积，气态碳源或者气化后的液态碳源为甲烷、乙烯、乙炔、乙烷、丙烷、丙烯等烃类气体，催化气体为氢气，其中含碳类气体的流量为50-100sccm，氢气的流量为50-200sccm，沉积时间5-20min。

⑥、抽去管式炉1中的碳源气体和催化气体，并向其内部通入惰性气体，其中气体流量为500-1000sccm，打开真空阀3，对磁性线圈252通电，并打开伸缩杆251的开关，伸缩杆251水平伸入管式炉1，并通过磁性线圈252吸附磁力块42，然后将伸缩杆251的开关打到反向，伸缩杆251带着沉积完的载样小舟4回缩到装样舱2内的传送带表面。

⑦、开启传送带将沉积完的载样小舟4移动一个位置，使准备好的下一个载样小舟4对准管式炉1的石英管11，然后重复步骤③-⑥。

⑧、带传送带上的载样小舟4全部沉积完后，向装样舱2内通入惰性气体对沉积完的载样小舟4进行冷却，惰性气体流量500-1000sccm，冷却完取出样品并重新装填载样小舟4。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种快速制备石墨烯的设备，其特征在于：包括管式炉(1)、装样舱(2)、真空阀(3)和多个载样小舟(4)；所述管式炉(1)包括石英管(11)，该石英管(11)的一端为加热端，另一端通过真空阀(3)与装样舱(2)连接，石英管(11)的加热端的外部设有加热装置(12)；所述管式炉(1)的石英管(11)上设有第一进气口(111)和第一出气口(112)；所述装样舱(2)上设有第二进气口(21)、第二出气口(22)和装样口(23)；所述装样舱(2)内设有换位装置(24)和移动装置(25)；所述多个载样小舟(4)放置在装样舱(2)的换位装置(24)上，并通过换位装置(24)改变载样小舟(4)与移动装置(25)之间的相对位置；所述移动装置(25)带动与其位置对应的载样小舟(4)在换位装置(24)与石英管(11)的加热端之间移动；所述载样小舟(4)的一端设有石英棒(41)；所述石英棒(41)的外端部固定有磁力块(42)；所述装样舱(2)的移动装置(25)包括伸缩杆(251)以及固定在伸缩杆(251)端部的磁性线圈(252)；所述磁性线圈(252)通电后吸附磁力块(42)，并通过伸缩杆(251)的伸缩带动载样小舟(4)在装样舱(2)的换位装置(24)与石英管(11)的加热端之间移动。

2.根据权利要求1所述的一种快速制备石墨烯的设备，其特征在于：所述装样舱(2)内的换位装置(24)采用传输带；所述传输带的运动方向与移动装置(25)的运动方向垂直；所述多个载样小舟(4)按照传输带的运动方向依次放置在传输带上。

3.根据权利要求1所述的一种快速制备石墨烯的设备，其特征在于：所述载样小舟(4)材质为不锈钢或者镀铜不锈钢或者不锈铁或者中低碳钢或者镀锌铁或者镍铬或者铁铬铝；所述载样小舟(4)上的磁力块(42)的材料为硬磁性材料；所述装样舱(2)的移动装置(25)的磁性线圈(252)的材料为软磁性材料。

4.根据权利要求1所述的一种快速制备石墨烯的设备，其特征在于：所述真空阀(3)为真空球阀或者真空蝶阀或者真空闸阀或者真空截止阀或者真空隔膜阀或者真空电磁阀或者真空安全阀或者真空档板阀或者真空插板阀或者真空充气阀。

5.一种利用权利要求1-4任一所述的快速制备石墨烯的设备制备石墨烯的方法，其特征在于：包括以下步骤：

①、打开装样舱(2)的装样口(23)，将1-10个载样小舟(4)放于传送带上，然后关闭装样口(23)；

②、对管式炉(1)和装样舱(2)同时进行抽真空，然后通过第一进气口(111)和第二进气口(21)分别向管式炉(1)和装样舱(2)内通入惰性气体进行冲洗，其中气体流量为500-1000sccm，待压力到常压后再重复冲洗两次；

③、对磁性线圈(252)通电，磁性线圈(252)对磁力块(42)产生磁力，并打开伸缩杆(251)的开关，伸缩杆(251)开始向管式炉(1)的方向水平伸出，同时，打开真空阀(3)，在磁力作用下伸缩杆(251)将装样舱(2)中与其位置对应的载样小舟(4)推入石英管(11)的加热端；

④、关闭磁性线圈(252)电流，将伸缩杆(251)的开关拨到反向，伸缩杆(251)和磁性线圈(252)缩回装样舱(2)，并关闭真空阀(3)；

⑤、升温沉积，管式炉(1)开始升温，温度为900-1050℃，升温速率为10℃/min,达到温度以后，通过第一进气口(111)向管式炉(1)内通入气态碳源或者气化后的液态碳源以及催化气体进行沉积，其中含气态碳源或者气化后的液态碳源的流量为50-100sccm，催化气体的流量为50-200sccm，沉积时间5-20min；

⑥、抽去管式炉(1)中的碳源气体和催化气体，并向其内部通入惰性气体，其中气体流量为500-1000sccm，打开真空阀(3)，对磁性线圈(252)通电，并打开伸缩杆(251)的开关，伸缩杆(251)水平伸入管式炉(1)，并通过磁性线圈(252)吸附磁力块(42)，然后将伸缩杆(251)的开关打到反向，伸缩杆(251)带着沉积完的载样小舟(4)回缩到装样舱(2)内的传送带表面；

⑦、开启传送带将沉积完的载样小舟(4)移动一个位置，使准备好的下一个载样小舟(4)对准管式炉(1)的石英管(11)，然后重复步骤③-⑥；

⑧、待传送带上的载样小舟(4)全部沉积完后，向装样舱(2)内通入惰性气体对沉积完的载样小舟(4)进行冷却，惰性气体流量500-1000sccm，冷却完取出样品并重新装填载样小舟(4)。

6.根据权利要求5所述的一种利用快速制备石墨烯的设备制备石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤②中对管式炉(1)和装样舱(2)同时进行抽真空时，将管式炉(1)和装样舱(2)内的压力抽到0.1-100pa。

7.根据权利要求5所述的一种利用快速制备石墨烯的设备制备石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤②中向管式炉(1)和装样舱(2)内通入的惰性气体为氮气或者氩气或者氦气或者氖气，或者其中两种或两种以上混合气体。

8.根据权利要求5所述的一种利用快速制备石墨烯的设备制备石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤③中伸缩杆(251)推动载样小舟(4)移动的速率为50-100mm/min。

9.根据权利要求5所述的一种利用快速制备石墨烯的设备制备石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤⑤中的气态碳源或者气化后的液态碳源为烃类气体，催化气体为氢气。