CN106948001B - 一种瓶颈式反应管及高通量二维单晶炉装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于单晶和薄膜材料制备技术领域，提供一种瓶颈式反应管、以及与该瓶颈式反应管配套使用的高通量二维单晶炉装置，用以克服现有单晶炉的操作繁复、生产单晶品质低、生产效率低等缺点。本发明瓶颈式反应管呈圆筒状，其底部封闭，顶部采用封管密封，其侧面沿垂直放置设置有若干个“瓶颈”形颈部；同时，与其配套使用的高通量二维单晶炉装置，包括炉体、刚玉石英管、瓶颈式反应管、温控系统及环形加热圈，环形加热圈嵌套设置于刚玉石英管内部、与瓶颈式反应管中安装的基片呈一一对应关系、且处于同一水平位置。本发明能够实现高纯度、高品质二维单晶的高通量制备，且操作简单、成本低，大大提高生产效率。

Description

一种瓶颈式反应管及高通量二维单晶炉装置
技术领域
本发明属于单晶和薄膜材料制备技术领域，涉及一种瓶颈式反应管，以及与该瓶颈式反应管配套使用的高通量二维单晶炉装置。
背景技术
单晶在生产应用中的地位日益显著，升华法是单晶制备的标准方法，在传统的升华法中，一般将要制备的单晶样品放置于坩埚内，并在上方设有籽晶，对坩埚内样品进行加热(一般为电感耦合加热)，使样品升华，当样品接触到籽晶凝结呈三维或岛状立体外延生长得到单晶。该方法的优点在于操作简单，效率较高，但单晶的纯度无法控制；并且，难以对晶体生长面的温度进行精确控制，导致三维各个方向上生长速率不一，从而制备得晶体出现轻微的各向异性。另外，传统单晶炉的生产效率低也是其一个极大的弊端。
目前，传统单晶炉外的其他常见单晶生长炉依次存在单晶炉的操作繁复、生产单晶品质低、生产效率低等缺陷；如公开号为：CN 205774916 U的中国实用新型专利中公开一种利用布立基曼法的简单单晶炉装置，该装置优点在于结构简单，但在使用过程中需要通入惰性气体，步进式系统控制生长温度温控精确度很低，生长出来的单晶无法保证高品质，且操作繁复；又如申请号为：201610796440.1的中国发明专利中公开了一种SiC单晶生长炉设备，该设备具有较好的温度梯度控制，所生长单晶表面的缺陷可通过再升华结晶提高了原料利用率，所生长的SiC单晶的品质较高，但制备过程中同样需要通入惰性气体，操作繁复并且生产效率较低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有单晶炉的操作繁复、生产单晶品质低、生产效率低等缺点，提供一种瓶颈式反应管、以及与该瓶颈式反应管配套使用的高通量二维单晶炉装置。该高通量二维单晶炉装置在使用过程中无需通入惰性气体，操作简单、成本低，安全环保，且单晶生长可控。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种瓶颈式反应管，其特征在于，所述瓶颈式反应管呈圆筒状，其底部封闭，顶部采用封管密封，其侧面沿垂直放置设置有若干个“瓶颈”形颈部。
进一步的，所述瓶颈式反应管为真空封管，其中，原料置于底部，基片水平安装于颈部。
进一步的，所述瓶颈式反应管的外径为17～25mm。
进一步的，所述“瓶颈”形颈部的数量为7～15个，相邻颈部之间的间距为12cm～15cm。所述“瓶颈”形颈部的直径最小处的直径为3mm～15mm。
与上述瓶颈式反应管配套使用的高通量二维单晶炉装置，包括：炉体1、刚玉石英管2、瓶颈式反应管3、温控系统5及环形加热圈6；其特征在于，所述刚玉石英管2设置于炉体1内壁，所述瓶颈式反应管3设置于刚玉石英管内2，所述环形加热圈6嵌套设置于刚玉石英管2内部、与所述瓶颈式反应管3中安装的基片呈一一对应关系、且处于同一水平位置；所述温控系统5连接炉体、用于控制装置温度。
进一步的，所述高通量二维单晶炉装置中瓶颈式反应管数量≥1，每支瓶颈式反应管形状相同、且底部位于同一水平位置。
进一步的，所述炉体为一个整体炉体、或者多个分段炉体堆叠构成。
进一步的，所述炉体炉膛内径为100～150mm、外径为300～500mm；若采用分段式炉体，则分段式炉体高度为12～15mm，与配套使用的瓶颈式反应管中“瓶颈”形颈部相对应。
需要说明的是：本发明中“瓶颈”形颈部可以为等间距设置，也可以为非等间距设置，应根据实际制备过程具体设定。
从工作原理上讲，本发明提供瓶颈式反应管以及与其配套使用的高通量二维单晶炉装置，利用立式炉控制垂直方向的温度梯度，同时结合石英密封管(瓶颈式反应管)中的升华样品气体蒸汽的流体场和受地心引力的重力场作用，实现温度梯度、流体场和重力场三者的协同效应可控来制备单晶及少量原子层的二维薄膜。粉末样品在高温下升华为气体蒸汽，气体蒸汽吸附在基片上，原子在基片上呈岛状或层状生长，本发明工艺操作简便，能够实现二维单晶(例如：黑磷、过渡金属硫属化合物MX2等)的高品质前提下保证化学计量比精确调控，实现不同厚度的二维单晶的批量化生长，制备的单晶纯度高，没有其它杂质晶相，可作为电子器件材料和超导等功能材料。
综上所述，本发明的有益效果在于：
1)本发明高通量二维单晶炉装置使用过程中无需通入气体，操作简单安全、无污染气体产生；
2)本发明瓶颈式反应管采用真空封管技术，单晶纯度高、品质更高；
3)本发明高通量二维单晶炉装置适宜生长二维高纯度单晶；
4)本发明提供瓶颈式反应管以及与其配套使用的高通量二维单晶炉装置能够实现高品质二维单晶的高通量制备，大大提高生产效率。
附图说明
图1为本发明实施例中高通量二维单晶炉装置示意图，其中，1为炉体、2为刚玉石英管、3为瓶颈式反应管、4为基片、5为温控系统、6为环形加热圈、7为耐火棉。
图2为本发明实施例中瓶颈式反应管结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例对发明进行进一步详细说明。应当理解，此处说明的实施例仅用以解释本发明装置，并不用于限定本发明装置。此外，以下所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相组合。
本实施例提供高通量二维单晶炉装置，如图1所示，包括：炉体1、刚玉石英管2、瓶颈式反应管3、温控系统5及环形加热圈6；所述刚玉石英管2设置于炉体1内壁，所述瓶颈式反应管3设置于刚玉石英管内2，所述环形加热圈嵌套设置于刚玉石英管内部、与所述瓶颈式反应管3中安装的基片呈一一对应关系、且处于同一水平位置；所述温控系统5用于控制装置温度。
本实施例中，所述炉体采用8个分段式炉体堆叠构成，内径为100mm；所述刚玉石英管为长度为1m的一根。所述瓶颈式反应管外径为17mm，对应设置有7个“瓶颈”形颈部，如图2所示；刚玉石英管中共可放入18根该瓶颈式反应管、所有瓶颈式反应管的底部均与耐火棉7接触且位于同一水平面，原料置于底部，基片水平安装于颈部，生长基片优选石英片、蓝宝石、云母片、硅片和氮化硼；生长基片为圆形(直径为4mm～16mm)或者方形(边长为2mm～10mm)，生长基片表面表面粗糙度1nm～500nm。所述分段式炉体侧面有温控传感器插入的开孔(4)，温控传感器系统(温控系统)精度为0.1℃，用于精确调控炉体升降温和晶体生长温度；所述环形加热圈可独立控制，与温度传感器联合控制，设置瓶颈式反应管内的温度梯度及单晶生长温度。
具体实施过程如下：
(1)分段式炉体组装为一个大炉体，并内置刚玉石英管，炉体与温度传感器(温控系统)连接；
(2)将装有原料及基片的瓶颈式反应管装入刚玉石英管内；
(3)控制石英管升温速率，温度，反应时间及反应结束后降温速率；经历升温、保温反应及降温过程，使二维单晶生长在基片上。
所述的高通量二维单晶炉，升温速率一般维持在0.1℃/min～3℃/min，保温温度一般在600℃～1000℃，保温时间设定在10min～10天，降温速率一般为0.2℃/min～2℃/min。过快的升温速率，将使粉体表面温度急剧上升，原子迅速逸出，并且导致大团簇原子团的逸出并与基片表面吸附，可能会产生不需要的缺陷、多晶等；而过低的升温速率，对单晶生长的温度区间控制很难确定。过高的保温时间，将使原子能量过高，自由程下降，原子运动速率分布区间很大并且吸附速率过快，相差较大的运动速率其吸附粘着力相差很大，导致原子层之间性质相差较大，并可能产生多晶、重结晶。过快的降温速率，结构很难稳定，易破坏单晶的各向异性，对结构纯度影响很大。
从上述实施例可以看出，在本发明中所述高通量技术的实现原理：
所述瓶颈式反应管可设置7～14个(或根据分段式炉体数量来改变)生长基片，而刚玉管内至少可以放置18根瓶颈式反应管，一次反应至少可以制备126-252个二维单晶样品。更进一步的，每个分段式炉体可单独设置体系，在126-252个样品中又可分为1-15种不同温度体系的样品。更进一步的，阶梯处可选择不同的基片用以二维单晶的生长，同一温度体系下，基片的选取不同，二维单晶的生长也不同，在1-15种不同温度体系下的126-252个样品实际上可以分为1-126种或1-252种不同条件下制备的二维单晶样品。该高通量技术不论是对于生产实践或者研究探索都具有指导性意义。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了炉体，分段式炉体，阶梯式石英封管等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (7)

1.一种瓶颈式反应管，其特征在于，所述瓶颈式反应管呈圆筒状，其底部封闭，顶部采用封管密封，其侧面沿垂直放置设置有若干个“瓶颈”形颈部；所述瓶颈式反应管为真空封管中，原料置于底部，基片水平安装于颈部。
2.按权利要求1所述瓶颈式反应管，其特征在于，所述“瓶颈”形颈部的数量为7～15个，相邻颈部之间的间距为12cm～15cm。
3.按权利要求1所述瓶颈式反应管，其特征在于，所述瓶颈式反应管的外径为17～25mm；所述“瓶颈”形颈部的直径最小处的直径为3mm～15mm。
4.高通量二维单晶炉装置，包括：炉体(1)、刚玉石英管(2)、按权利要求1所述瓶颈式反应管(3)、温控系统(5)及环形加热圈(6)；其特征在于，所述刚玉石英管(2)设置于炉体(1)内壁，所述瓶颈式反应管(3)设置于刚玉石英管内(2)，所述环形加热圈(6)嵌套设置于刚玉石英管(2)内部、与所述瓶颈式反应管(3)中安装的基片呈一一对应关系、且处于同一水平位置；所述温控系统(5)连接炉体、用于控制装置温度。
5.按权利要求4所述高通量二维单晶炉装置，其特征在于，所述高通量二维单晶炉装置中瓶颈式反应管数量≥1，每支瓶颈式反应管形状相同、且底部位于同一水平位置。
6.按权利要求4所述高通量二维单晶炉装置，其特征在于，所述炉体为一个整体炉体、或者多个分段炉体堆叠构成。
7.按权利要求6所述高通量二维单晶炉装置，其特征在于，所述炉体炉膛内径为100～150mm、外径为300～500mm；当所述炉体采用分段式炉体，则分段式炉体高度为12～15mm。
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