CN108070903A - 一种对衬底加电调控薄膜材料生长的装置 - Google Patents

一种对衬底加电调控薄膜材料生长的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对衬底加电调控薄膜材料生长的装置。该装置为在现有的化学气相沉积反应装置的基础上增加衬底通电系统；所述衬底通电系统包括导电线路、金属极板、插头和电源；所述金属极板位于CVD反应腔内；所述插头和电源位于CVD反应腔外；所述金属极板通过所述导电线路与所述插头和电源相连。利用该装置可对导电衬底加正负静电荷或电流，对绝缘衬底进行极化从而在其表面可控地产生静电荷，从而达到调控任意生长衬底的电势、吸附性、电子能态和催化活性。利用该装置及生长方法，可以在薄膜材料制备过程中方便地控制其单晶大小、均匀度、掺杂浓度、层数、层间堆垛方式及扭转角度、手性、洁净度等。

Description

一种对衬底加电调控薄膜材料生长的装置
技术领域
本发明涉及一种对衬底加电调控薄膜材料生长的装置。
背景技术
二维材料因在厚度方向的量子限域效应而具有很多独特的性能，因此有许多很有前景的应用。典型的二维材料有石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼等等，他们在厚度方向仅有一个或几个原子层厚。
对二维薄膜材料在单晶大小、掺杂浓度、层数、层间层间堆垛方式及扭转角度、手性、洁净度等方面的调控十分重要，因为这些方面直接影响其电学、光学和化学性质从而决定其在各方面的应用。
化学气相沉积法(CVD)在各种制备技术中脱颖而出，可以制备多种二维材料，CVD法是将衬底放置在反应腔中，并加热到高温，并向反应腔内通入反应物前驱体和辅助气体，反应前驱体会在衬底或在衬底附近上经过如下步骤：吸附、脱附、反应裂解、成核、外延长大和连接成膜。
在这些过程中，衬底经常起到催化反应的角色，前驱体的吸附和脱附与其裂解速度直接相关；前驱体裂解后形成的活性自由基在衬底上的吸附直接影响二维材料的成核密度，从而影响单晶大小；含掺杂原子的自由基的吸附和脱附与掺杂浓度相关；衬底的电子能态与催化活性和过程相关，从而影响二维材料的层数；衬底的电子态与其和二维材料之间的能量传递有关，从而影响二维材料层间的层间堆垛方式及扭转角度和手性；衬底对杂质团簇和颗粒物的吸附则影响着二维材料的洁净程度。
传统的CVD提供能量的方式有热能传递、激发等离子体、激光加热等。并不能对衬底的吸附性能、电子能态和催化活性等进行调控。因此对二维材料的结构调控能力十分有限。
发明内容
本发明的目的是一种对衬底加电调控薄膜材料生长的装置。
本发明提供的化学气相沉积反应装置，为在现有的化学气相沉积反应装置的基础上增加衬底通电系统；
所述衬底通电系统包括导电线路、金属极板、插头和电源；
所述金属极板位于CVD反应腔内；
所述插头和电源位于CVD反应腔外；
所述金属极板通过所述导电线路与所述插头和电源相连。
上述装置中，所述插头的作用是在保证CVD反应腔真空的情况下(漏率<10-4Pa·m3/s)向CVD反应腔的金属极板上引入导电接头，达到在低压高温下的反应衬底上通电的目的。所述插头具体可为真空密封插头。
所述衬底为导电衬底时，所述金属极板的个数为一个，所述导电衬底位于所述金属极板正对面，且与所述金属极板相互绝缘形成对电极；该金属极板与导电衬底的放置方式可为金属极板向上拱起放置或与导电衬底平行放置；
所述导电衬底通过所述导电线路与所述插头和电源相连；
或者，所述导电衬底和金属极板分别通过导电线路与插头与电源的两极相连。
具体的，所述导电衬底为金属衬底或半导体衬底；
所述金属衬底具体为铜箔片、镍箔片或铜镍合金；
所述半导体衬底为硅或锗或其对应的掺杂半导体。
所述衬底为绝缘衬底时，所述改进的化学气相沉积反应装置还包括绝缘隔板，且所述绝缘隔板和所述金属极板的个数均为两个；
两个金属极板在所述CVD反应腔内相对平行放置，且每个所述金属极板均被所述绝缘隔板完全覆盖；
所述衬底置于其中任意一个绝缘隔板上；
所述金属极板分别通过导电线路与所述插头和电源的两极相连。
该金属极板与绝缘衬底的放置方式可为金属极板向上拱起放置或与绝缘衬底平行放置；其中，金属极板向上拱起放置可提供更大的气体流动空间和反应空间；金属极板与绝缘衬底平行放置可提供更均匀的电场和电荷分布
具体的，构成所述绝缘隔板的材料为石英或氧化铝；
所述绝缘衬底为云母、二氧化硅、氮化硼、钛酸锶、氧化铪或玻璃。
所述电源提供电压的峰值范围为0.01V～300V；电压信号可以是持续恒压或脉冲电压。
所述金属极板为铜箔或铜片；
所述CVD反应腔可为各种化学气相沉积装置中常用的反应腔，其材质可为石英等各种常见材质。所述CVD反应腔的形状可为各种常见的形状，如管式或箱式；为方便放置衬底、接通电路和快速抽拉升温降温，该CVD反应腔的结构可为内外套管的结构；所述CVD反应腔设有气体入口和出气口，气流方向与衬底平行或垂直或与衬底成任意夹角；
所述装置还可包括与所述插头配合使用的挡板，其作用是可向CVD反应腔中提供导电接头并保持CVD反应腔的真空(漏率<10-4Pa·m3/s)。
所述改进的化学气相沉积反应装置还包括反应气体管理系统、排气管理系统、加热系统和中枢控制系统；
所述反应气体管理系统具体包括外部气路、球阀、流量计、流量控制中枢和管道，并与所述CVD反应腔的气体入口相连；
所述排气管理系统具体包括尾气管、真空泵、阀门和抽速控制中枢，并与所述CVD反应腔的出气口相连；
所述加热系统环绕所述CVD反应腔，用于为反应腔加热，提供能量。
更具体的，所述装置还可优选为具有如下结构的装置：所述装置由石英套管、衬底通电系统、反应气体管理系统、排气管理系统、加热系统和中枢控制系统组成；
所述石英套管的管壁具有中空腔；
所述衬底通电系统包括导电线路、金属极板、插头和电源；
所述金属极板位于所述中空腔内；所述金属极板的个数为1个或两个；
具体的，所述金属极板为1个且所述衬底为导电衬底时，所述金属极板位于所述导电衬底的正对面；该金属极板与导电衬底的放置方式可为金属极板向上拱起放置或与导电衬底平行放置；
所述导电衬底通过所述导电线路与所述插头和电源相连；
或者，所述导电衬底和金属极板分别通过导电线路与插头与电源的两极相连；
所述金属极板为2个且所述衬底为绝缘衬底时，每个金属极板均以平行于所述石英套管轴向的角度相对放置；该金属极板与绝缘衬底的放置方式可为金属极板向上拱起放置或与绝缘衬底平行放置；
所述插头和电源位于所述石英套管外；
所述金属极板通过所述导电线路与所述插头和电源的两极相连；
所述反应气体管理系统具体包括外部气路、球阀、流量计、流量控制中枢和管道，并与所述石英套管的气体入口相连；所述排气管理系统具体包括尾气管、真空泵、阀门和抽速控制中枢，并与所述石英套管的出气口相连；所述加热系统环绕所述石英套管，用于为石英套管加热，提供能量。
另外，上述本发明提供的化学气相沉积反应装置在制备薄膜材料或控制薄膜生长中的应用，也属于本发明的保护范围。
本发明还提供了一种制备薄膜材料的方法，该方法包括如下步骤：将所述化学气相沉积反应装置中的衬底通电系统进行通电后，再进行化学气相沉积，沉积完毕得到所述薄膜材料。
所述衬底为导电衬底时，根据需要可仅将导电衬底经导电线路和真空密封插头与电源两极相连，对衬底施加电流，也可将导电衬底和上文所述金属极板分别接电源两极，形成电容器对衬底加电荷；
所述衬底为绝缘衬底时，两金属极板经导电线路和真空密封插头与电源两极相连，通电后在绝缘衬底上感应出静电荷。
另外，按照该方法制备得到的薄膜材料，也属于本发明的保护范围。
本发明在现有化学气相沉积装置的基础上，采用特有的衬底通电系统的设计，能够方便地对衬底附加合适的电荷调控衬底表面的电场、吸附能力、电子能态和催化活性等，从而控制二维薄膜材料的单晶大小、均匀度、掺杂浓度、层数、层间堆垛方式及扭转角度、手性、洁净度等等，且该调控过程可根据不同条件可以进行任意调整，具有重要的应用价值。
附图说明
图1为实施例1金属衬底上生长薄膜的装置结构示意图。
图2为实施例1金属衬底上生长薄膜的装置中反应腔及衬底通电系统的结构示意图。
图3为实施例2绝缘衬底上生长薄膜的装置中反应腔及衬底通电系统的结构示意图。
图4为实施例2绝缘衬底上生长薄膜装置中通电后，绝缘衬底电极化表面产生电荷示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
实施例1、金属衬底上加电装置及制备薄膜材料的过程
在本实施例中，二维薄膜材料的可控制备装置如图1所示，该装置100包括CVD反应腔110、衬底通电系统120、反应气体管理系统130、排气管理系统140和加热系统150和中枢控制系统160。
为方便放置衬底、接通电路和快速抽拉升温降温，本实施例中采用内外套管结构的CVD反应腔110。如图2所示，111和112分别为大石英管和石英套管，均为石英材质，大石英管111的外径50mm，内径44mm，长1800mm；石英套管112的外径为42mm，内径38mm，长350mm；导电衬底113与导电线路116相连经真空密封插头118连至电源120的一极；与导电衬底113相对的金属极板115同样与导电线路116相连，经真空密封插头118连至电源120的另一极；同时导电衬底113位于金属极板115的正对面，且与金属极板115相互绝缘形成对电极。该实施例中所用导电衬底113和金属极板115均为铜箔。
图2的上半部分为石英套管112、导电衬底113、石英隔板构成的中空腔114和金属极板115的放大的侧视图，A和B分别为两种放置方式，其中：A中金属极板115为向上拱起放置，提供更大的气体流动空间和反应空间；B中金属极板115与导电衬底113平行，提供更均匀的电场和电荷分布。图2中具有真空密封插头118的挡板117的作用是向反应室提供导电接头并保持真空(漏率<10-4Pam3/s)。
本实施例中，加热系统150的长度为1200mm，为石英管111提供高温，石英套管112的左端为主要反应室。
利用该装置在金属衬底上制备二维薄膜材料的过程如下：在制备前将导电衬底113和金属极板115放置于石英套管112的左端，并连接好电路，石英套管112左端送入恒温区中，通过打开外部通电系统120给衬底通电，按照常规化学气相沉积的方法进行化学气相沉积，沉积完毕即在该导电衬底113上得到目标二维薄膜材料。
实施例2、绝缘衬底上加电装置及制备薄膜材料的过程
在本实施例中，二维薄膜材料的可控制备装置中反应腔及衬底通电系统如图3所示。该装置其他部分如CVD反应腔、反应衬底通电系统、反应气体管理系统、排气管理系统和加热系统和中枢控制系统等如图1所示。
为方便放置衬底、接通电路和快速抽拉升温降温，本实施例中采用内外套管结构的CVD反应腔300。如图3所示，301和302分别为大石英管和石英套管，均为石英材质，大石英管301的外径50mm，内径44mm，长1800mm；石英套管302的外径为42mm，内径38mm，长350mm。
两个金属极板303和305被两个绝缘隔板304完全覆盖，金属极板303和305与导电线路相连，分别经真空密封插头313连至电源310的一极相连；绝缘衬底306放置于绝缘隔板304内侧，与两金属极板303和305绝缘；因此，当对两极板施加电压时，会产生静电场，绝缘衬底306会在电场中极化，从而在表面感应出电荷(如图4所示)。该实施例所用绝缘衬底为二氧化硅片；所用金属极板303和305均为铜箔。
由于该绝缘隔板304的材质也可为石英，故可将其与CVD反应腔中石英套管连为一体形成位于石英套管的管壁上的两个中空腔；相应的，绝缘衬底306此时可放置于位于石英套管内下管壁上中空腔外。图3中A和B分别为金属极板的放置方式，其中：A中金属极板115为向上拱起放置，提供更大的气体流动空间和反应空间；B中金属极板115与绝缘衬底113平行，提供更均匀的电场和电荷分布。
图3中具有真空密封插头313的挡板312，作用是向反应室提供导电接头并保持真空(漏率<10-4Pa·m3/s)。
本实施例中，加热系统150的长度为1200mm，为石英管111提供高温，石英套管112的左端为主要反应室。
利用该装置在金属衬底上制备二维薄膜材料的过程如下：在制备前将金属极板303，绝缘隔板304、金属极板305和绝缘衬底306放置于石英套管302的左端，并连接好电路，石英套管302左端送入恒温区中，通过打开外部通电系统310给衬底通电，按照常规化学气相沉积的方法进行化学气相沉积，沉积完毕即在该反应绝缘衬底306上得到目标二维薄膜材料。

Claims (10)

1.一种改进的化学气相沉积反应装置，其特征在于：在现有的化学气相沉积反应装置的基础上增加衬底通电系统；
所述衬底通电系统包括导电线路、金属极板、插头和电源；
所述金属极板位于CVD反应腔内；
所述插头和电源位于CVD反应腔外。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述衬底为导电衬底时，所述金属极板的个数为一个，所述导电衬底位于所述金属极板正对面，且与所述金属极板相互绝缘形成对电极；
所述导电衬底通过所述导电线路与所述插头和电源相连；
或者，所述导电衬底和金属极板分别通过导电线路与插头与电源的两极相连。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述导电衬底为金属衬底或半导体衬底；
所述金属衬底具体为铜箔片、镍箔片或铜镍合金；
所述半导体衬底具体为硅或锗或其对应的掺杂半导体。
4.根据权利要求1-3中任一所述的装置，其特征在于：所述衬底为绝缘衬底时，所述改进的化学气相沉积反应装置还包括绝缘隔板，且所述绝缘隔板和所述金属极板的个数均为两个；
两个金属极板在所述CVD反应腔内相对平行放置，且每个所述金属极板均被所述绝缘隔板完全覆盖；
所述衬底置于其中任意一个绝缘隔板上；
所述金属极板分别通过导电线路与所述插头和电源的两极相连。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：构成所述绝缘隔板的材料为石英或氧化铝；
所述绝缘衬底为云母、二氧化硅或玻璃。
6.根据权利要求1-5中任一所述的装置，其特征在于：所述电源提供电压的峰值范围为0.01V～300V；
所述金属极板为铜箔或铜片；
所述CVD反应腔为管式或箱式；
所述CVD反应腔设有气体入口和出气口，气流方向与衬底平行或垂直或与衬底成任意夹角；
所述改进的化学气相沉积反应装置还包括反应气体管理系统、排气管理系统、加热系统和中枢控制系统；
所述反应气体管理系统具体包括外部气路、球阀、流量计、流量控制中枢和管道，并与所述CVD反应腔的气体入口相连；
所述排气管理系统具体包括尾气管、真空泵、阀门和抽速控制中枢，并与所述CVD反应腔的出气口相连；
所述加热系统环绕所述CVD反应腔。
7.根据权利要求1-6中任一所述的装置，其特征在于：所述装置由石英套管、衬底通电系统、反应气体管理系统、排气管理系统、加热系统和中枢控制系统组成；
所述石英套管的管壁具有中空腔；
所述衬底通电系统包括导电线路、金属极板、真空密封插头和电源；
所述金属极板位于所述中空腔内；所述金属极板的个数为1个或两个；
具体的，所述金属极板为1个且所述衬底为导电衬底时，所述金属极板位于所述导电衬底的正对面；
所述导电衬底通过所述导电线路与所述插头和电源相连；
或者，所述导电衬底和金属极板分别通过导电线路与插头与电源的两极相连；
所述金属极板为2个且所述衬底为绝缘衬底时，每个金属极板均以平行于所述石英套管轴向的角度相对放置；
所述插头和电源位于所述石英套管外；
所述金属极板通过所述导电线路与所述插头和电源的两极相连；
所述反应气体管理系统具体包括外部气路、球阀、流量计、流量控制中枢和管道，并与所述石英套管的气体入口相连；
所述排气管理系统具体包括尾气管、真空泵、阀门和抽速控制中枢，并与所述石英套管的出气口相连；
所述加热系统环绕所述石英套管。
8.权利要求1-7中任一所述改进的化学气相沉积反应装置在制备薄膜材料或控制薄膜生长中的应用。
9.一种制备薄膜材料的方法，包括如下步骤：将权利要求1-7中任一所述化学气相沉积反应装置中的衬底通电系统进行通电后，再进行化学气相沉积，沉积完毕得到所述薄膜材料。
10.权利要求9所述方法制备得到的薄膜材料。
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