CN108048815B - 用于确定临近催化化学气相沉积中催化剂的热形变的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供用于确定临近催化化学气相沉积中催化剂的热变形的装置及方法，所述装置包括：在竖直方向上设置的上下加热器；用于控制它们升降的电机；设置在下加热器表面上的用于安放基底的样品台；在样品台和上加热器之间的水平导轨；在水平导轨上的用于安放催化剂的载板，所述载板和样品台之间是用于临近催化化学气相沉积的反应区；设置在样品台与载板之间的光栅尺；用于检测催化剂是否与基底接触的短路检测装置和用于控制样品台升降的控制装置，其中上下加热器用于对反应区提供适合二维材料生长的温度。通过利用本发明的装置和方法，可以确定和判断催化剂在不同温度下随时间的热形变量，解决催化剂在高温下的形变对生长所导致的问题。

Description

用于确定临近催化化学气相沉积中催化剂的热形变的装置和 方法

技术领域

本发明涉及纳米材料沉积技术领域，尤其涉及用于确定或判断临近催化化学气相沉积中催化剂的热形变的装置和方法。

背景技术

目前通常利用化学气相沉积(CVD)技术大面积生长二维材料，已经从实验室阶段开始走入工业化生产阶段。可以说该技术的发展和进步是二维材料得以推广和应用的基石。

普通的CVD技术对于在有催化性的基底上生长二维材料还是能够胜任的，但是如果要在无催化性的基底上生长依赖催化剂的二维材料如石墨烯等，则很难获得质量好的石墨烯膜，所以普通的CVD技术是不能满足这样的无催化功能的基底的要求，因而需要在基底临近的地方引入催化剂对二维材料前驱体进行催化，得到二维材料的活性物质扩散到基底材料上成核、生长，由此需要利用临近催化化学气相沉积技术，即在基底临近的地方引入催化剂对二维材料前驱体进行催化，得到活性物质扩散到基底或已有材料层上成核、生长，在本文中将这种方法称为临近催化化学气相沉积。然而，在生长温度下，催化剂会因为热效应而变形如膨胀、软化，其热变形量可以达到微米量级，而在临近催化化学气相沉积中，催化剂和基底之间的距离本身也在微米量级，如果催化剂和基底接触到，基底会被污染，沉积的材料也将受到破坏，所以如何确定或判断催化剂和基底的距离成了充分实现临近催化化学气相沉积的关键问题。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供用于确定或判断临近催化化学气相沉积中催化剂的热变形的装置和方法。

在一方面，本发明提供用于确定临近催化化学气相沉积中催化剂的热变形的装置，所述装置包括：

设置在竖直方向上的彼此相对的上加热器和下加热器；

电连接至所述上加热器和下加热器的用于控制它们在所述竖直方向上升降的电机；

设置在所述下加热器表面上的样品台，其用于安放在所述临近催化化学气相沉积期间生长二维材料的基底；

设置在所述样品台和所述上加热器之间的水平导轨；

设置在所述水平导轨上并且具有一个或多个用于安放催化剂的穿孔的载板，所述载板和所述样品台之间为用于临近催化化学气相沉积的反应区；

设置在所述样品台与所述载板之间的用于测量基底与催化剂之间的距离的光栅尺；

设置在所述样品台与所述载板之间的用于检测所述载板上的催化剂是否与所述样品台上的基底发生接触的短路检测装置；和

电连接至所述短路检测装置和所述电机的控制装置，

其中所述上加热器和所述下加热器用于对所述反应区提供适合所述二维材料生长的温度。

优选地，所述载板的穿孔为用于安放圆帽形催化剂的圆形孔。

优选地，所述装置还包括设置在所述竖直方向上的用于限定所述上加热器在升降过程中的位置的光电二极管。

优选地，所述装置还包括用于控制所述水平导轨在水平方向上运动的传动装置。

优选地，所述短路检测装置是万用表或电流表；所述控制装置是计算机。

在另一方面，本发明提供一种利用上述装置来确定临近催化化学气相沉积中催化剂的热变形的方法，所述方法包括：

a)通过电机使样平台上升，直至所述样平台与所述载板上的催化剂接触从而在所述短路检测装置中检测到短路信号，将此时记为时间零点并且光栅尺读数设为零；

b)通过电机使样品台向下移动，在光栅尺的读数为5微米时开启上加热器和下加热器以使反应区达到进行临近催化化学气相沉积所需的温度，保持该温度直至在所述短路检测装置中检测到短路信号，即表明催化剂的热变形为5微米，记录此刻的时间；

c)以光栅尺的读数每次增加5微米来重复步骤b)，直至达到所需的总反应时间，其中在达到所需的总反应时间但未检测到短路信号的情况下，通过电机使样品台向上移动，直至检测到短路信号，记录此时光栅尺的读数为催化剂的最大变形，并确定催化剂达到所述最大变形的时间；

d)重复步骤a)-c)以获得多组数据，利用这些数据绘制催化剂热形变随时间变化的曲线和/或通过拟合得到催化剂热形变随时间变化的方程，将所述曲线和/或方程输入到所述控制装置中，从而在临近催化化学气相沉积中实现自动控制基底和催化剂之间的距离而不发生接触。

优选地，所述方法通过将所述装置放置在真空环境中进行。

优选地，所述电机是步进电机，并且所述上加热器和下加热器的位置通过所述步进电机与所述光栅尺和所述光电二极管配合地进行调整，优选地经所述调整后，所述催化剂和所述基底之间的间隔距离为20微米～100微米。

优选地，所述基底是无催化活性的基底如硅片或六方氮化硼，所述二维材料是石墨烯类材料或过渡金属二硫化物材料。

优选地，所述载板的材料包含钨，所述催化剂为金属铜、铂或铑。

利用本发明的装置和方法，通过检测催化剂和基底之间是否短路来判断它们两者是否接触，再结合光栅尺的示数来确定催化剂的形变量，可以解决临近催化化学气相沉积中催化剂在高温下的形变对生长导致的问题，如污染基底，破坏沉积的材料等。而且，通过多次实验得到催化剂在不同温度下随时间的热形变量，再将这些数据进行拟合得到样品台的运动方程，通过样品台的运动可以使得在实践中催化剂和样品之间距离自动保持在合适的范围而不发生上述问题。

附图说明

图1是根据本发明一个实施方案的用于确定临近催化化学气相沉积中催化剂的热形变的装置的示意图。

图2是根据本发明一个实施方案使用的圆帽形催化剂的示意图。

图3是根据本发明一个实施方案的用于确定临近催化化学气相沉积中催化剂的热形变的方法的流程图。

具体实施方式

在本文中，临近催化化学气相沉积定义为：高温沉积区或反应区有基底以及悬浮在基底上方的催化剂，该悬浮的催化剂与基底之间的间隔距离非常近(例如小于约100微米)，利用悬浮催化剂将二维材料前驱体催化分解得到活跃基团，活跃基团通过热运动到达下方的基底上而沉积成膜。该工艺技术可以在不具备催化性的衬底上生长石墨烯以及其他依赖催化剂的二维材料。

在临近催化化学气相沉积期间，在生长温度下，催化剂会因为热效应而膨胀、软化，其尺度可以达到微米量级，而催化剂和基底之间的距离也是微米量级，所以如何确定催化剂和基底的距离成了关键的问题。

本发明解决了确定临近催化化学气相沉积催化剂热变形的问题，通过检测催化剂和样品台之间是否短路来判断两者之间是否接触，再结合光栅尺的示数来判断出催化剂的形变量。通过多次实验得到催化剂在不同温度下随时间的热形变量，再将这些数据进行拟合得到样品台的运动方程，通过样品台的运动可以使得在临近催化化学气相沉积中催化剂和样品之间距离保持在合适的范围。

本发明提供的用于确定临近催化化学气相沉积中催化剂的热变形(量)的装置包括：

设置在竖直方向上的彼此相对的上加热器和下加热器；

电连接至所述上加热器和下加热器的用于控制它们在所述竖直方向上升降的电机；

设置在所述下加热器表面上的样品台，其用于安放在所述临近催化化学气相沉积期间生长二维材料的基底；

设置在所述样品台和所述上加热器之间的水平导轨；

设置在所述水平导轨上并且具有一个或多个用于安放催化剂的穿孔的载板，所述载板和所述样品台之间为用于临近催化化学气相沉积的反应区；

设置在所述样品台与所述载板之间的用于测量基底与催化剂之间的距离的光栅尺；

设置在所述样品台与所述载板之间的用于检测所述载板上的催化剂是否与所述样品台上的基底发生接触的短路检测装置；和

电连接至所述短路检测装置和所述电机的控制装置，

其中所述上加热器和所述下加热器用于对所述反应区提供适合所述二维材料生长的温度。

在本发明的装置中，设置在竖直方向上(例如可借助于电机轴或其他固定件)的彼此相对的加热器为彼此间隔开一定距离的上下两个加热器(例如但不限于为钽加热丝作为加热丝的加热器，也可以选用钨作为加热丝)，下加热器例如用于直接加热基底，上加热器用于直接加热悬浮在载板上的催化剂，由此在反应区中提供适合二维材料例如石墨烯在基底上生长的温度(例如在900℃～1200℃的范围内)。下加热器的表面上设置有样品台，其用于放置基底例如硅片、或表面有六方氮化硼覆层的基底等。优选地，该样品台为安装有内嵌导线的石英，所述样品台选材为石英，是因为它可以承受高达1000℃的高温，还可以作为阻隔材料阻隔加热器可能带来的粉尘污染；并且内嵌的导线可以用于连接基底、短路检测装置等。

在本发明的装置中，使用的电机优选为步进电机(例如可购自英飞凌公司)，其用于控制上下加热器在竖直方向上的运动。在本发明的装置中，上下加热器均可以在竖直方向上自由移动，既方便了载板和催化剂的拆卸，也可以精确的控制基底和催化剂的距离。载板和催化剂搭载在水平导轨上，可以在水平方向上移动。

在本发明的装置中，水平导轨沿着水平方向(即与样品台上表面平行的方向)安放，例如其可以直接通过固定件安装在本发明装置的支柱或支架上，或者通过本领域已知的其他方式设置在样品台和上加热器之间。优选地，该水平导轨连接有传动装置(例如滚轮)，使得其上设置的载板可以在水平方向上运动。

在本发明的装置中，用于安放或悬浮催化剂的载板设置在水平导轨上，例如可以通过诸如螺栓的固定件固定在水平导轨上或者直接放置在水平导轨上。优选地，所述载板具有穿孔，优选圆形小孔用于悬浮例如圆帽形催化剂。所述载板例如可以选用刚性较大、耐热性好、热膨胀率低的材料制成，优选地由金属钨制成。在本发明中，所述载板可以是尺寸为约40mm*约40mm*约2mm的金属板。

在本发明的装置中，用于测量样品台与水平导轨或载板下表面之间的间隔距离的光栅尺(例如雷尼绍1微米分辨率光栅尺)，该光栅尺更特别地还可以用于测量载板所悬浮的催化剂与样品台上的基底之间的距离。优选地，所述光栅尺测量精度为1微米。优选地，所述光栅尺和步进电机配合，从而可以对下加热器或样品台升降的位移进行精确控制。

在本发明的装置中，用于检测安放在所述载板上的催化剂是否与所述样品台上的基底接触的短路检测装置连接至所述载板和所述样品台。优选地，在本发明中，短路检测装置包括：电信号提供装置、检测短路装置和信号输出装置，其中所述电信号提供装置可以是一个简单的低压直流电源，也可以是一个有功率的信号源，优选为低压直流稳压电源，其正极连接在水平导轨或者载板上，负极连接在样品台或基底上。优选地，使用的短路检测装置是常规的万用表、电流表或者其他能检测短路信号的仪器，当悬浮催化剂与基底接触到时，检测电路被接通，该万用表或者电流表就会有示数或信号；此时信号输出装置可以将该示数或短路信号输出给控制装置如计算机等，然后该控制装置根据该短路信号控制样品台移动一段距离，从而消除催化剂与基底的接触。

在本发明的装置中，控制装置连接至所述短路检测装置和所述电机，从而控制样品台的升降。优选地，该控制装置可以是电脑。

优选地，本发明的装置还包括用于限定上加热器升降位置的光电二极管(例如LXD-BPW28)，该光电二极管配合步进电机，可以使上加热器下降至特定位置后停止下降。

优选地，在本发明装置中，光栅尺、短路检测装置、控制装置和下加热器的电机(例如步进电机)组成一个闭环检测控制系统，从而实现自动确定或判断临近催化化学气相沉积中催化剂的热变形，更优选地其确定精度可以达到约1微米。

本发明提供的利用上述装置来确定临近催化化学气相沉积中催化剂的热变形的方法包括：

a)通过电机使样平台上升，直至所述样平台与所述载板上的催化剂接触从而在所述短路检测装置中检测到短路信号，将此时记为时间零点并且光栅尺读数设为零；

b)通过电机使样品台向下移动，在光栅尺的读数为5微米时开启上加热器和下加热器以使反应区达到进行临近催化化学气相沉积所需的温度，保持该温度直至在所述短路检测装置中检测到短路信号，即表明催化剂的热变形为5微米，记录此刻的时间；

c)以光栅尺的读数每次增加5微米来重复步骤b)，直至达到所需的总反应时间，其中在达到所需的总反应时间但未检测到短路信号的情况下，通过电机使样品台向上移动，直至检测到短路信号，记录此时光栅尺的读数为催化剂的最大变形，并确定催化剂达到所述最大变形的时间；

d)重复步骤a)-c)以获得多组数据，利用这些数据绘制催化剂热形变随时间变化的曲线和/或通过拟合得到催化剂热形变随时间变化的方程，将所述曲线和/或方程输入到所述控制装置中，从而在临近催化化学气相沉积中实现自动控制基底和催化剂之间的距离而不发生接触。

在本发明方法中，优选地，上加热器和下加热器的位置通过所述步进电机与所述光栅尺和所述光电二极管配合地进行调整。例如，优选地经所述调整后，所述催化剂和所述基底之间的间隔距离为20微米～100微米。

在本发明方法中，优选地，基底是无催化活性的基底如硅片或六方氮化硼，所述二维材料是石墨烯类材料或过渡金属二硫化物材料。

在本发明方法中，优选地，催化剂为金属铜、铂或铑，更优选为铜。更优选地，这些金属催化剂为圆帽形催化剂，之所以将催化剂做成圆帽形，是为了增加其刚性。这样的圆帽形催化剂可以容易地安放或悬浮在载板的圆孔中。在临近催化化学气相沉积期间，催化剂在上下加热器提供的反应区的高温下会软化，而圆帽形性质可以增加这些催化剂的内部刚性，减小其整个结构在竖直方向上的变形。由于是临近催化，所以催化剂和基底之间的距离本就很近，例如在约100微米以下，因而可以防止催化剂在长时间高温作用下变形太严重而与基底发生接触。在临近催化中，防止催化剂严重变形而导致与基底接触很重要，采用这样的特定性质的催化剂可以进一步有效地减小变形，产生特别的效果。

在本发明方法中，通过启动上下加热器升高反应区的温度，在达到生长温度后，向腔室内通入前驱体，前驱体达到催化剂表面后被催化分解为活性物质，活性物质会有一部分在催化剂表面被吸附，一部分会脱吸附，在它与别的激元复合成气体分子之前会有一段自由扩散的距离，如果在这段距离之内能到达基底，在基底上被吸附成核，那么就可以在基底上慢慢长大成膜。这里的扩散距离即载板或水平导轨与样品之间的距离，更确切地是基底与催化剂表面之间的具体，通常在微米量级。在本发明方法中，按照实际需求，通过电机和光栅尺的配合可以达到自动控制样品台的移动，从而使得基底和催化剂之间具有合适的距离。

在本发明方法中，优选地，将所述装置置于例如不锈钢腔室的高真空(例如真空度可达10^-6Pa)环境中进行临近催化化学气相沉积，即本发明的方法也在高真空环境下完成。

下面结合具体实施例及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1是根据本发明一个实施方案的用于确定临近催化化学气相沉积中催化剂的热形变的装置的示意图。如图1所示，本发明的装置主要包括：设置在竖直方向上的上加热器和下加热器；用于控制它们升降的电机；设置在下加热器表面上的用于安放基底的样品台；在样品台和上加热器之间水平导轨；在水平导轨上的用于悬浮圆帽形催化剂的载板，所述载板和所述样品台之间为用于临近催化化学气相沉积的反应区；用于测量样品台与水平导轨之间的距离的光栅尺；用于检测催化剂是否与基底接触的短路检测装置和用于控制样品台升降的控制装置。

更具体地，例如，水平导轨例如通过诸如螺栓的固定件安装在真空腔室的壁上，该水平导轨可以为但不限于不锈钢材质，所述真空腔室也可以为但不限于为不锈钢材质。优选地，存在两个水平导轨，分别固定在真空腔室的两侧壁上，两个导轨之间具有例如约3～5厘米的空隙，该空隙用于架放载板，所述载板的宽度例如为约4～6厘米以便安放在两个导轨上。优选地，载板材质可以为金属钨材料，其优点是钨材料的熔点高，从而使得其在生长温度下形变量小。在载板上例如通过钻孔机挖有一个或多个例如约1～3厘米直径的穿孔或圆孔，用于安放例如圆帽形的催化剂，其中该圆帽形催化剂直接放置在载板的圆孔内即可。用于生长二维材料例如石墨烯的基底直接安放在样品台上。该样品台通过诸如螺栓的固定件与下加热器连接，优选地，该样品台材质为石英。优选地，下加热器分由两部分组成，即内部的加热丝(该加热丝优选为钽)和作为中空结构的圆柱形陶瓷体外部。更优选地，作为加热丝的钽丝盘绕陶瓷体内部，两者组成下加热器。优选地，下加热器的下方有用于将其连接至电机轴的凹槽(例如具有内螺纹的凹槽)。电机轴可以为不锈钢材质。与下加热器一样，优选地，本发明装置的上加热器，可以由两部分组成，即内部的加热丝(该加热丝优选为钽)和作为中空结构的圆柱形陶瓷体外部。更优选地，作为加热丝的钽丝盘绕陶瓷体内部，两者组成下加热器。优选地，上加热器的下方有用于将其连接至电机轴的凹槽(例如具有内螺纹的凹槽)。本发明的装置包括短路检测装置例如万用表或电流表，其一个连接端通过例如金属连接线连接(例如通过焊接)在水平导轨上，而另一个连接端通过例如石英样品台镶嵌的金属导线连接至基底。本发明的装置包括电连接至所述短路检测装置和所述电机的控制装置例如电脑，其还可以连接光栅尺。任选地，本发明的装置包括光栅尺。该光栅尺可以为两部分组成，即标尺光栅和光栅读数头。光栅读数头连接在所述装置的活动部(在图示装置中为样品台)，标尺光栅连接在导轨下表面。优选地，本发明的装置包括用于限定上加热器的位置，特别是下降的最低位置的光电二极管或其他限位装置。优选地，光电二极管通过螺纹连接件安装在真空腔室壁上，并且优选地通过真空法兰密封。

图2是根据本发明一个实施方案使用的圆帽形催化剂的示意图。如图2所示，本发明优选使用的催化剂为经过冲压变形得到的圆帽形催化剂，其中该圆帽形催化剂的帽沿部分的厚度可以例如为约0.1mm且直径可以例如为约30mm，帽沿下方部分高度可以例如为约2mm且直径可以例如为约20mm。

图3是根据本发明一个实施方案的用于确定临近催化化学气相沉积中催化剂的热形变的方法的流程图。如图3所示，在准备好之后，首先将时间和光栅尺调零(即此时在未开始反应之前催化剂与基底接触)；然后，开始加热至反应温度并开始计时，接着将样品台下降5微米；通过短路检测装置判断短路信号是否触发；如果触发短路信号(即“是”)，则记录此刻的时间，并继续下移样品台重复前面的步骤；如果未触发短路信号，则此时需判断是否已达到总反应时间；如果未达到总反应时间，则继续进行直至反应结束；如果已达到总反应时间，则使样品台向上移动直至触发短路信号，并记录此时光栅尺读数和达到这个距离的时间，并结束反应。备选地，该时间也可以通过以下方式获得：将样品台和催化剂之间的距离设置为该光栅尺读数，重新进行加热反应，并记录达到触发短路的时间。

在一个具体所述方案中，本发明的方法如下进行：

1)将载板安装在水平导轨上；

2)将圆帽形催化剂悬浮在载板的圆孔里；

3)将基底安放在下加热器的样品台上；

4)降下上加热器并通过光电二极管定位；

5)打开检测电源以及所有外围电路；

6)先将下加热器上升，使得样品和悬浮催化剂接触，从而使得短路检测装置有信号，将此时光栅尺的读数记为零点且时间为零；

7)将样品台下降5微米后，开始加热，加热到1050℃。如果悬浮催化剂因为热膨胀和软化导致形变超过5微米，那么此时短路检测装置会检测到信号，记下此刻的加热时间。之后，控制装置会控制样品台再往下移动5微米，经过一段时间后，如果又有短路信号，再次记下此刻的加热时间，如此重复，如果有短路信号就下移样品台，并且记录时间。等达到了最够长的时间(正常反应所需要的时间)，将样品台上移使得有短路信号产生，读出此时光栅尺的读数，此读数就是正常实验时由于高温导致悬浮催化剂形变的最大量。

8)多次重复以上步骤，得到一系列的热形变量随时间变化的数据。

9)对于这些数据有两种利用方式，第一种：可以将数据绘成曲线，和/或可以拟合得到一个函数，在正式的生长反应中，可以将函数输入到控制装置中，使得样品台随着函数规律移动，从而可以使得悬浮的催化剂和基底一直保持在一个固定的距离。第二种：直接将样品台固定在一个最大形变距离处，这样的方法可以确保在正常的时间长度内悬浮催化剂不会和基底接触到，但是在生长的过程中，悬浮催化剂和基底的距离在一直变小。针对两钟方法的适用范围不同，如果形变最大距离本来就很小的时候，可以选用第二种方法，因为这种微小的形变不会影响催化效果。如果形变距离很大的时候，就需要采用第一种方法，这是因为既不能让催化剂和基底的初始距离太大导致催化效果大打折扣，也不能让催化剂和基底碰上，所以在需要采用样品台随时调整的方案。

实施例1

本实施例旨在获取铜圆帽形催化剂热形变量随时间变化的数据。

首先将上加热器上移，下加热器下移，使得留出足够的空间(大约100微米)便于操作。将载板安装在水平导轨上。然后将铜圆帽形催化剂悬浮在载板的圆孔里。将作为基底的具有300纳米氧化层的硅片(苏州研材微纳科技有限公司)放在下加热器的样品台上。降下上加热器。打开短路检测装置的电源以及所有外围电路。先将下加热器上升，使得基底和催化剂接触，从而使得短路检测装置有信号，将此时光栅尺的读数记为零点。

将样品台下降5微米后开始加热，加热到1050℃，保持该温度不变。如果悬浮催化剂因为热膨胀和软化导致形变超过5微米，那么此时短路检测装置会检测到信号，上位机控制样品台往下移动5微米，记下此刻的加热时间。经过一段时间后，如果又有短路信号，那么继续控制样品台往下移动5微米，记下此刻的加热时间，如此重复，如果有短路信号就下移样品台，并且记录时间。等达到了最够长的时间(大约为2小时)，将样品台上移使得有短路信号产生，读出此时光栅尺的读数，此读数就是一定时长下由于高温导致悬浮催化剂形变的最大尺寸。

重复多次以上的实验，得到一系列的热形变量随时间变化的数据，提供在下表1中。

表1

实施例2

本例旨在获取圆帽形催化剂热形变量在不同温度下随时间变化的数据。

首先将上加热器上移，下加热器下移，使得留出足够的空间便于操作。将载板安装在水平导轨上。然后将圆帽形悬浮催化剂安放在载板的圆孔里。将基底放在下加热器的样品台上。降下上加热器。打开检测电源以及所有外围电路。先将下加热器上升，使得样品和悬浮催化剂接触，从而使得短路检测装置有信号，将此时光栅尺的读数记为零点。再将样品台下降5微米。

开始加热，加热到1000℃，此时温度保持不变。重复实例1中的步骤可以得到在1000℃下，圆帽形催化剂热形变量随时间的变化。

再将温度设定到1010℃，重复以上实验，可以得到在1010℃下，圆帽形催化剂热形变量随时间的变化。

以此类推，得到不同温度下(例如1000℃，1010℃，1020℃，1030℃，1040℃)的热形变量随时间变化的数据，提供在下表2-6中。

表2

表3

表4

表5

表6

实施例3

本实施例旨在说明如何处理和利用获得的数据来解决问题。

对于通过以上实例获取数据有两种利用方式，第一种：将数据绘成曲线后，可以拟合得到一个函数，在正式的生长实验中，可以将函数输入到上位机中，使得样品台随着函数规律移动，从而可以使得悬浮的催化剂和基底一直保持在一个固定的距离。第二种：直接将样品台固定在一个最大形变距离处，这样的方法可以确保在正常的时间长度内悬浮催化剂不会和基底接触到，但是在生长的过程中，悬浮催化剂和基底的距离在一直变小。

针对两种方法的适用范围不同：例如，对于在1050℃下，实验时长为2小时的参数下，形变量达到了33微米(参见表1)，而正常生长实验能够允许的基底和催化剂之间的距离为30微米，那么就需要采用第一种方法，这是因为既不能让催化剂和基底的初始距离太大导致催化效果大打折扣，也不能让催化剂和基底碰上，所以需要采用样品台随时调整的方案。又例如，对于在1000℃下，在实验时长120分钟内仅仅只变化了11微米(参见表2)，而正常生长实验能够允许的基底和催化剂之间的距离有30微米，那么此时的形变量不足以影响实验的效果，那么可以选用第二种方法，直接设定距离为30微米，不移动下加热器。对于表3-6中的数据，可以相应地类似处理和利用，由此可以实现确定和判断催化剂在不同温度下随时间的热形变量，解决催化剂在高温下的形变对生长所导致的问题。

以上已对本发明进行了详细描述，但本发明并不局限于本文所描述具体实施方式。本领域技术人员理解，在不背离本发明范围的情况下，可以作出其他更改和变形。本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (13)

1.一种用于确定临近催化化学气相沉积中催化剂的热变形的装置，所述装置包括：

设置在竖直方向上的彼此相对的上加热器和下加热器；

电连接至所述上加热器和下加热器的用于控制所述上加热器和下加热器在所述竖直方向上升降的电机；

设置在所述下加热器表面上的样品台，其用于安放在所述临近催化化学气相沉积期间生长二维材料的基底；

设置在所述样品台和所述上加热器之间的水平导轨；

设置在所述水平导轨上并且具有一个或多个用于安放催化剂的穿孔的载板，所述载板和所述样品台之间为用于临近催化化学气相沉积的反应区；

设置在所述样品台与所述载板之间的用于测量基底与催化剂之间的距离的光栅尺；

设置在所述样品台与所述载板之间的用于检测所述载板上的催化剂是否与所述样品台上的基底发生接触的短路检测装置；和

电连接至所述短路检测装置和所述电机的控制装置，

其中所述上加热器和所述下加热器用于对所述反应区提供适合所述二维材料生长的温度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述载板的穿孔为用于安放圆帽形催化剂的圆形孔。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设置在所述竖直方向上的用于限定所述上加热器在升降过程中的位置的光电二极管。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于控制所述水平导轨在水平方向上运动的传动装置。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述短路检测装置是万用表或电流表；所述控制装置是计算机。

6.一种利用权利要求1所述的装置来确定临近催化化学气相沉积中催化剂的热变形的方法，所述方法包括：

a)通过电机使样平台上升，直至所述样平台与所述载板上的催化剂接触从而在所述短路检测装置中检测到短路信号，将此时记为时间零点并且光栅尺读数设为零；

b)通过电机使样品台向下移动，在光栅尺的读数为5微米时开启上加热器和下加热器以使反应区达到进行临近催化化学气相沉积所需的温度，保持该温度直至在所述短路检测装置中检测到短路信号，即表明催化剂的热变形为5微米，记录此刻的时间；

c)以光栅尺的读数每次增加5微米来重复步骤b)，直至达到所需的总反应时间，其中在达到所需的总反应时间但未检测到短路信号的情况下，通过电机使样品台向上移动，直至检测到短路信号，记录此时光栅尺的读数为催化剂的最大变形，并确定催化剂达到所述最大变形的时间；

d)重复步骤a)-c)以获得多组数据，利用这些数据绘制催化剂热形变随时间变化的曲线和/或通过拟合得到催化剂热形变随时间变化的方程，将所述曲线和/或方程输入到所述控制装置中，从而在临近催化化学气相沉积中实现自动控制基底和催化剂之间的距离而不发生接触。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过将所述装置放置在真空环境中进行。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电机是步进电机，所述装置还包括设置在所述竖直方向上的用于限定所述上加热器在升降过程中的位置的光电二极管，并且所述上加热器和下加热器的位置通过所述步进电机与所述光栅尺和所述光电二极管配合地进行调整。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述催化剂和所述基底之间的间隔距离为20微米～100微米。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基底是无催化活性的基底，所述二维材料是石墨烯类材料或过渡金属二硫化物材料。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述无催化活性的基底是硅片。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述无催化活性的基底是六方氮化硼。

13.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述载板的材料为金属钨，所述催化剂为金属铜、铂或铑。