CN107164739B - Cvd生长多层异质结的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种CVD生长多层异质结的方法和装置。本发明首先利用CVD装置在铜箔上生长出六方氮化硼薄膜，然后通过CVD装置内的传动装置，将新铜箔移动到高温生长区催化碳源生长石墨烯薄膜。重复以上过程，得到任意多层氮化硼/石墨烯的异质结。

Description

CVD生长多层异质结的方法和装置
技术领域
本发明涉及纳米材料制备与化学设备技术领域，尤其涉及一种多层二维材料异质结的制备方法及装置。
背景技术
石墨烯作为近年来最火的二维材料，对于它的研究从它被成功剥离出来已经持续了十余年。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，它具有很多优良的特性，比如超高的电子迁移率，超高的抗拉强度和弹性模量，超高的电热性能，以及近似透明。但是近年来的研究发现，对于单一的石墨烯材料，其应用范围太窄，如果能将其与别的材料复合，将会出现很多新奇的现象。
六方氮化硼作为“白石墨烯”，近年来受到了很多研究小组的关注。它具有类似石墨烯的层状结构，但是是一种绝缘材料，其能带宽度达到5.9eV。由于其没有悬挂键且二维层状材料具有原子尺度平滑的特性，使得它成为了石墨烯器件非常理想的衬底。
将石墨烯与六方氮化硼生长在一起成为异质结，目前还有许多困难，制备方法目前还是CVD(化学气相沉积)为主。但是由于生长这两种二维材料都需要合适的催化剂(铜，镍等金属)作为生长基底来降低生长温度，所以催化剂对于生长至关重要。但是在生长完第一层材料之后，基底就被材料覆盖，从而失去了催化作用，这使得生长第二层异质结材料时非常困难。
发明内容
有鉴于此，本发明第一方面提供一种用于制备多层二维材料异质结的装置，所述装置包括：
1)CVD生长腔室，所述腔室底部载有基底铜箔，基底铜箔上方设有加热装置，从而在基底铜箔和加热装置之间形成高温生长区；
2)传动装置，所述传动装置设置在所述CVD生长腔室内，所述传动装置包括步进电机和传送带，所述传送带表面包裹有铜箔；
其中，所述传送带与所述步进电机通过连接机构连接，包裹有铜箔的传送带穿过所述高温生长区。
在优选的实施方案中，所述传送带在步进电机的控制下旋转，且旋转速度可控。
在优选的实施方案中，所述铜箔厚度均为15-40μm，优选25μm。
在优选的实施方案中，在所述高温生长区中，所述传送带与所述基底铜箔垂直距离为2-10mm，优选5mm。
在优选的实施方案中，所述传送带为圆环状。
本发明的装置还包括用于通入生长六方氮化硼所需的前驱体和生长石墨烯所需的碳源的入口。
本发明的第二个方面提供一种多层二维材料异质结的制备方法，主要包括以下步骤：
1)将基底铜箔载入到CVD生长腔室，升温到生长温度；
2)向CVD生长腔室通入生长六方氮化硼所需的前驱体，沉积到整个铜箔表面生长六方氮化硼薄膜；
3)停止向CVD生长腔室通入生长六方氮化硼所需的前驱体，利用传动装置将新铜箔缓慢移入到高温生长区，使其正对步骤2)生长的六方氮化硼薄膜；
4)向CVD生长腔室通入生长石墨烯所需的碳源，沉积到石墨烯覆盖整个六方氮化硼薄膜表面；
5)停止向CVD生长腔室供应生长石墨烯所需的碳源，同时供应生长六方氮化硼所需的前驱体，通过传动装置将新铜箔引入到高温生长区域，在石墨烯表面形成六方氮化硼薄膜；
6)重复步骤2)至步骤5)，得到多层六方氮化硼/石墨烯/六方氮化硼异质结。
在优选的实施方案中，所述CVD生长腔室为真空，优选为高真空。
在优选的实施方案中，所述CVD生长腔室为冷壁系统。
在优选的实施方案中，所述生长石墨烯所需的碳源选自乙烯、乙醇、甲烷，优选是甲烷。
在优选的实施方案中，所述六方氮化硼所需的前驱体选自固体源氨硼烷，环硼氮烷，优选是环硼氮烷。
在优选的实施方案中，步骤2)中的生长的时间为30-50分钟，优选40分钟。
在优选的实施方案中，所述生长温度，即高温生长区内的温度为800-1200℃，优选1000℃。
本发明的方法中，新铜箔通过传动装置不断引入到高温生长区域，在高温下将产生铜蒸汽，并且由该蒸汽作为催化剂，极大地降低了前驱体脱氢所需要的能量。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供了一种CVD生长二维材料异质结的解决方案，该方案可以实现原位生长，不用反复填装，并且在原理上可以实现任意多层材料的生长。
附图说明
图1为本发明的方法的流程图。
图2为本发明的传动装置的示意图
其中，1是传动装置，2是传送带，3是加热装置，4是基底铜箔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步说明。
本发明主要描述利用悬浮于生长基底之上的铜箔作为催化剂，使得在失去催化作用的生长基底上生长出第二层，第三层，甚至任意层材料，从而形成二维材料异质结。
本发明方法包括如下步骤：
步骤1：将基底铜箔载入到CVD生长腔室，将腔体抽真空。升温到生长温度。
步骤2：通入生长六方氮化硼所需的前驱体，沉积一段时间，使得六方氮化硼长满整个铜箔表面。
步骤3：停止供应六方氮化硼的前驱体，通过传动装置，将新铜箔缓慢移入到高温生长区，使其正对着长满的六方氮化硼薄膜。
步骤4：通入生长石墨烯所需要的碳源(甲烷)，反应沉积一段时间。使得石墨烯覆盖整个六方氮化硼薄膜表面。
步骤5：停止供应碳源，切换到供应六方氮化硼前驱体，新铜箔通过传动装置不断引入到高温生长区域，因为有正上方铜蒸汽的催化作用，六方氮化硼可以在石墨烯表面成核最终形成薄膜。
步骤6：重复步骤2至步骤5的过程，可以得到多层六方氮化硼/石墨烯/六方氮化硼异质结样品。
根据本发明，所述用于制备多层二维材料异质结的装置如图2所示，所述装置包括：
1)CVD生长腔室，所述腔室底部载有基底铜箔，基底铜箔上方设有加热装置，从而在基底铜箔和加热装置之间形成高温生长区；
2)传动装置，所述传动装置设置在所述CVD生长腔室内，包括步进电机和传送带，所述传送带表面包裹有铜箔；
其中，所述传送带与所述步进电机通过连接机构连接，从而所述传送带在步进电机的控制下旋转，包裹有铜箔的传送带穿过所述高温生长区。
实施例1
生长多层二维材料异质结流程图如附图1所示：首先将基底铜箔载入到CVD生长腔室，将腔体抽到高真空，升温到生长温度1000℃。因为是采用冷壁系统，所以高温区域只会限制在很小的区域。这样的冷壁系统有很好的抑制粉尘污染作用。升温到生长温度之后，进行2小时的退火工艺。然后引入环硼氮烷在基底铜箔上进行第一层六方氮化硼的生长，生长时间大约为40分钟。生长第一层材料时，基底铜完全可以起到催化剂的作用，不需要引入悬浮铜箔。在生长第一层完成后，基底铜箔因为完全被六方氮化硼覆盖，已经失去了催化剂的功能，而后续要生长的材料，非常依赖于催化剂，所以在生长第二层材料之前，利用本发明的传动装置，将悬浮于基底铜箔的上方5mm的铜箔圆环带缓慢地传送进高温反应区。引入高温区的悬浮铜箔在生长温度1000℃下，会因为温度临近于铜的熔点蒸发出铜蒸汽，这些铜蒸汽可以作为气态的催化剂，对后续的材料生长起到很好的催化作用。甲烷在气态催化剂的作用下充分裂解，不仅在悬浮铜箔上会有石墨烯生成，在基底铜箔上，也会有石墨烯沉积。在基底铜箔沉积完第二层石墨烯后，关闭甲烷进气，并将悬浮铜箔缓慢移动，将生长了石墨烯的悬浮铜箔完全移出高温反应区。进行腔体吹扫之后，开始引入六方氮化硼前驱体环硼氮烷。同样通过传动装置将没有长材料的铜箔传入到高温反应区，利用铜蒸汽进行第三层的六方氮化硼薄膜生长。经过一段时间生长之后悬浮铜箔和基底铜箔上都生长上了一层六方氮化硼。经过吹扫后，就可以继续生长。重复上述的步骤，可以生长任意多层的异质结。

Claims (16)

1.一种用于制备多层二维材料异质结的装置，所述装置包括：
1)CVD生长腔室，所述腔室底部载有基底铜箔，基底铜箔上方设有加热装置，从而在基底铜箔和加热装置之间形成高温生长区；
2)传动装置，所述传动装置设置在所述CVD生长腔室内，包括步进电机和传送带，所述传送带表面包裹有铜箔；
3)用于通入生长六方氮化硼所需的前驱体和生长石墨烯所需的碳源的入口，其中所述生长石墨烯所需的碳源选自乙烯、乙醇、甲烷，
其中，所述传送带与所述步进电机通过连接机构连接，从而所述传送带在步进电机的控制下旋转，包裹有铜箔的传送带穿过所述高温生长区。
2.根据权利要求1所述的装置，所述铜箔厚度均为15-40μm。
3.根据权利要求1所述的装置，所述铜箔厚度均为25μm。
4.根据权利要求1所述的装置，在所述高温生长区中，所述传送带与所述基底铜箔垂直距离为2-10mm。
5.根据权利要求1所述的装置，在所述高温生长区中，所述传送带与所述基底铜箔垂直距离为5mm。
6.根据权利要求1所述的装置，所述传送带为圆环状。
7.一种多层二维材料异质结的制备方法，所述方法包括以下步骤：
1)将基底铜箔载入到CVD生长腔室，升温到生长温度；
2)向CVD生长腔室通入生长六方氮化硼所需的前驱体，沉积到整个铜箔表面生长六方氮化硼薄膜；
3)停止向CVD生长腔室通入生长六方氮化硼所需的前驱体，利用传动装置将新铜箔缓慢移入到高温生长区，使其正对步骤2)生长的六方氮化硼薄膜；
4)向CVD生长腔室通入生长石墨烯所需的碳源，沉积到石墨烯覆盖整个六方氮化硼薄膜表面；
5)停止向CVD生长腔室供应生长石墨烯所需的碳源，同时供应生长六方氮化硼所需的前驱体，通过传动装置将新铜箔引入到高温生长区域，在石墨烯表面形成六方氮化硼薄膜；
IB179294C-OA1
6)重复步骤2)至步骤5)，得到多层六方氮化硼/石墨烯/六方氮化硼异质结。
8.根据权利要求7所述的制备方法，所述CVD生长腔室为真空。
9.根据权利要求7所述的制备方法，所述CVD生长腔室为高真空。
10.根据权利要求7所述的制备方法，所述CVD生长腔室为冷壁系统。
11.根据权利要求7所述的制备方法，所述生长石墨烯所需的碳源选自乙烯、乙醇、甲烷。
12.根据权利要求7所述的制备方法，所述生长石墨烯所需的碳源是甲烷。
13.根据权利要求7所述的制备方法，所述六方氮化硼所需的前驱体选自固体源氨硼烷，环硼氮烷。
14.根据权利要求7所述的制备方法，所述六方氮化硼所需的前驱体是环硼氮烷。
15.根据权利要求7所述的制备方法，所述生长的温度为800-1200℃。
16.根据权利要求7所述的制备方法，所述生长的温度为1000℃。
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