CN108545725B - 一种石墨烯制备装置及应用该装置图案化生长石墨烯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯制备装置及应用该装置图案化生长石墨烯的方法，该装置包括：下工作台支架、加热器A、下工作台、夹具、上工作台、加热器B、上工作台调节机构、加热器C、进气法兰、排气法兰（10）、腔体外层、腔体保温层、腔体内层、进样门；利用该装置的石墨烯生长方法为：装置下方载片负载液体金属催化剂，装置上方工作台装载生长基底和图案化模板，催化剂载片、基底和生长环境独立控制加热温度，利用低压或常压化学气相沉积过程在基底上生长完整连续或图案化的石墨烯层；本装置和方法可以在多种非金属基底上低温生长图案化石墨烯薄膜，避免了转移、光刻、微加工等复杂器件制备工序，有利于简单石墨烯功能材料和器件的批量生产。

Description

一种石墨烯制备装置及应用该装置图案化生长石墨烯的方法

技术领域

本发明涉及石墨烯制备领域，特别是一种直接在基底上制备图案化石墨烯的生长装置及其应用。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以 SP² 杂化轨道组成六角蜂窝状晶格的二维碳纳米材料，其自 2004年 被 Geim 和 Novoselov 开创性研究以来，因具有优异的电学、力学、热学和光学等特性，已受到科学界极大的关注。

但是在实际使用中，石墨烯电子器件通常需要像电路一样加工成各种平面图案，才能加以利用。现有报道的图案化石墨烯主要有三类方法：一是生长转移光刻法，即先基于化学气相沉积法在具有催化性的铜、镍等金属衬底上制备完整石墨烯层，之后将石墨烯层转移到非金属基底，再经过电子束光刻、紫外光刻等微纳加工技术将石墨烯层刻蚀成所需图案。如专利ZL201310141227.3，其先以化学气相沉积法在铜箔上生长石墨烯，之后用化学腐蚀法将石墨烯转移到柔性透明基底上，再用超短脉冲激光将石墨烯加工成预设的阵列图案。二是基底预先图案化处理法，即先制备一个图案化的基底，然后在图案化的基底上进行生长，再通过转移技术获得图案化石墨烯薄膜，如专利ZL201510079472.5，首先通过光刻技术获得图案化硅基底，再在图案化硅基底上沉积100 nm ～ 500 nm 的铜薄膜，之后在图案化的铜薄膜上进行生长，最后用化学腐蚀法将图案化石墨烯转移到其他基底上。三是通过将氧化石墨烯分散在溶液或者其他溶剂中，借助打印、印刷等技术形成图案再进行还原处理；如专利ZL201710086475.0,其采用凹版印刷工艺，将Hummers法制得的氧化石墨烯油墨印刷在柔性衬底上，烘干得到氧化石墨烯薄膜，再将氧化石墨烯薄膜通过热退火、激光照射或化学试剂还原，制得图案化石墨烯导电薄膜。

上述方法中，第一类方法先化学气相沉积生长、转移、再图案化加工，在后续平面微加工过程中，不可避免的对原子层厚的石墨烯带来离子轰击、掺杂很多不可控的破坏。第二类方法先用微纳加工手段制备图案化基底，再化学气相沉积生长和转移，过程中虽然避免了图案化时对石墨烯的直接微加工工艺，但是图案化基底制备环节的微加工工艺以及转移工艺同样难以规避。目前虽已经发展了一系列转移方法，如基底刻蚀法、干转移法、电化学鼓泡法、卷对卷转移法，但复杂的转移工艺通常还是会导致石墨烯层的褶皱、空穴掺杂和金属蚀刻残留物等，大大降低石墨烯的质量。因此这两类方法都有工艺环节复杂、成本高，会对石墨烯性能带来不可控影响的缺点。第三类方法通过氧化还原石墨烯构造图案化石墨烯器件，常将石墨烯微片作为电子墨水溶质，没有利用石墨烯的大范围平面结构和本征性能，应用很受限制。

发明内容

针对上述石墨烯图案化制备方法的缺陷，本发明提供了一种图案化石墨烯生长装置及其配套技术方案，在化学气相沉积过程中一次性得到图案化的石墨烯层， 大大简化和方便了石墨烯功能器件构建；该装置中用于安装生长基底的上工作台、用于安装催化金属床的下工作台及外腔体三部分各具有独立的加热机构，可以独立控制各部分加热温度和上下工作台间间距。利用该装置，在催化金属床表面滴加液态金属作为增强催化剂，在金属蒸汽辅助下催化分解甲烷等碳源进行石墨烯生长。石墨烯生长基底下表面安装图案化掩膜，可以在化学气相沉积同时生成图案化的石墨烯层。

为实现上述发明目的，本发明首先提供了一种石墨烯制备装置，包括中空腔体19，所述中空腔体外壳由外至内依次为腔体外层11、腔体保温层12和腔体内层13；

所述中空腔体19沿横轴线的一侧设有进气法兰9，与进气法兰9对应的中空腔体的另一侧设有排气法兰10，与排气法兰10所在的中空腔体19面垂直的一面处连有相匹配的进样门14；腔体外层11与进样门14之间有铜垫片15；

所述中空腔体19内部沿纵轴线设有对应的上工作台5和下工作台3，上工作台5内设有加热器B 6，上工作台5并通过上工作台调节机构7与中空腔体内壁相连；上工作台5沿下工作台3的表面设有夹具4；下工作台3内部设有加热器A 2，下工作台3通过下工作台支架1与中空腔体内壁相连；

与下工作台支架1对应的中空腔体19的腔体保温层12内设有加热器C 8，与上工作台调节机构7对应的中空腔体19的腔体保温层12内也设有加热器C 8。

进一步，本申请所提供的石墨烯生长装置中，所述夹具4由上至下设依次设有上部机构4B和下部机构4A，上部机构4B和下部机构4A均为卡槽式夹持机构。上部夹持机构组成的夹持空间用于夹持石墨烯生长基底，下部夹持机构组成的夹持空间用于夹持图案化模板。

进一步，本申请所提供的石墨烯生长装置中，所述下工作台3和上工作台5的材质为石英、氧化铝、氧化锆中的至少一种。

进一步，本申请所提供的石墨烯生长装置中，所述上工作台调节机构7的材质为金属钨或钼，用于调节下工作台3与上工作台5之间的距离。

进一步，本申请所提供的石墨烯生长装置中，所述腔体外层11的材质为不锈钢，腔体保温层12的材质为多孔氧化铝，腔体内层13的材质为氧化铝陶瓷；所述进样门14的材质为不锈钢。

本申请所提供的石墨烯生长装置中，加热器A 2、加热器B 6、加热器C 8该三个加热器分别由独立电路控制，加热温度范围均为室温到1200℃。

此外，本发明还提供了与上述石墨烯制备装置相匹配的沉积辅助装置：载片16、石墨烯生长基底17和图案化掩膜模板18。

本发明同时提供了利用所述石墨烯制备装置图案化生长石墨烯的方法，具体制备步骤如下：

(1)开启进样门14，在下工作台3上表面水平放置载片16，载片16上滴加适量液态金属；

(2)在夹具4的上部空间插入石墨烯生长基底17，由夹具的上部机构4B固定；在夹具4的下部空间插入图案化掩膜模板18，由夹具的下部机构4A固定；

(3)关闭进样门14，将石墨烯生长装置抽真空后充入惰性气体，气体压强维持0.1%atm ~1 atm；所述惰性气体包括氮气、氩气、氢气中的至少一种；

(4)控制加热器A2、加热器B6、加热器C8的温度，按照生长需要使其保持在室温到1200 ℃之间；

(5)向石墨烯生长装置内通入碳源或碳源与氢气的混合气（该混合气体对二者体积比是否存在要求），进行生长5～90分钟，在石墨烯基底上生长出图案化的石墨烯薄膜；所述碳源包括甲烷、乙烯、乙炔中的至少一种；

(6)停止加热，在真空状态下冷却到室温，或通入高流量（大于200 sccm）氩气快速冷却到室温，取出石墨烯和基底，即获得图案化生长的石墨烯。

进一步，本发明所提供的利用所述石墨烯制备装置图案化生长石墨烯的方法中，步骤（1）所滴加的液态金属包括金属镓、镓铟合金、镓铟锡合金中的至少一种，载片上液态金属的滴加量约为0.01 ~ 2 毫升每平方厘米；所述载片16的材质包括但不限于金属钨箔或钼箔。

进一步，本发明所提供的利用所述石墨烯制备装置图案化生长石墨烯的方法中，步骤（2）所述石墨烯生长基底17包括但不限于氧化铝基片、石英基片、硅片或玻璃基片；所述图案化掩膜模板18是使用石英或钨、钼、钽等难熔金属箔制作，厚度为5-50 微米。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果体现在：

（1）现有以催化剂为基底的化学气相沉积法制备出的石墨烯，必须经过转移过程，复杂的转移工艺通常导致薄膜上的皱纹，空穴和金属蚀刻残留物，大大降低石墨烯的质量。本发明无需任何转移技术，直接在基底材料上进行生长，在简化石墨烯制备工艺的同时保持了石墨烯原有的最佳性质。

（2）本发明通过引入难熔金属箔片使液态催化剂均匀分布，不但可以实现对催化剂量的控制，还可以保证在基底上形成分布均匀的石墨烯薄膜。同时通过引入上工作台调节机构7调节下工作台3、上工作台5之间的间距，进而可以实现对石墨烯层数的调控，能得到不同层数的石墨烯。

（3）本发明在石墨烯生长过程中通过使用难熔金属网格等模板直接生成图案化石墨烯，避免了光刻、微加工等。

（4）无论是液体催化剂还是承载液体催化剂的难熔金属(钨\钼等)均可重复利用。

（5）由于一些催化性粒子在较低温度下也可以分解碳源生成碳原子，通过调节本装置加热器A2、加热器B6、加热器C8的温度，可以在多种基底上以较低的温度沉积生长石墨烯。

附图说明

图1 为石墨烯制备装置正视图。

图2 为石墨烯制备装置上工作台部件示意图。

图3 为石墨烯制备装置侧视图。

图4 为石墨烯制备装置安装样品和沉积辅助装置后的正视图。

图5为实施例1中实验组获得的的拉曼光谱。

图6为实施例2中实验组获得的的拉曼光谱。

图7为实施例3中实验组获得的的拉曼光谱。

图8为实施例4中实验组获得的的拉曼光谱。

图9为实施例5中实验组获得的的拉曼光谱。

图10为实施例6中实验组获得的的拉曼光谱。

图11为实施例7中实验组获得的的拉曼光谱。

图12为实施例8中实验组获得的样品实物图及镂空图案化模板示意图；

其中，图12A为实验组获得的样品实物图；图12B为实验组所用镂空图案化模板示意图。

图13为实施例8中实验组获得的的拉曼光谱。

图14为实施例9中实验组获得的样品实物图及镂空图案化模板示意图；

其中，图14A为实验组获得的样品实物图，图14B为实验组所用镂空图案化模板示意图。

图15为实施例9中实验组获得的的拉曼光谱。

图16为实施例10中实验组所用镂空图案化模板实物图、镂空图案化模板的光学显微镜图及样品的光学显微镜图；

其中，图16A为实验组所用镂空图案化模板实物图，图16B为实验组所用镂空图案化模板的光学显微镜图，图16C实验组获得的样品的光学显微镜图。

图17为实施例10中实验组获得的的拉曼光谱。

其中：1、下工作台支架；2、加热器A；3、下工作台；4、夹具；4A、下部机构；4B、上部机构；5、上工作台；6、加热器B；7、上工作台调节机构；8、加热器C；9、进气法兰；10、排气法兰；11、腔体外层；12、腔体保温层；13、腔体内层；14、进样门；15、铜垫片；16、载片；17、石墨烯生长基底；18、图案化掩膜模板；19、中空腔体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细说明，但本发明并不限于以下实例。下述实施例中所述方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例所涉及的试剂和仪器：

主要测试仪器：

拉曼光谱仪：HORIBA JY Labram HR Evolution；

光学显微镜：NIKON Eclipse Lv100NO；

主要试剂及材料：

钨片（纯度为99.99%）购自南京化学试剂有限公司；

镓（纯度99.99%）购自南京化学试剂有限公司

其余所需试剂均来自阿尔法西化学有限公司。

具体实施方式

实施例1

1.石墨烯制备装置

石墨烯生长装置，设计如图1-图4所示：包括中空腔体19，所述中空腔体19外壳由外至内依次为腔体外层11、腔体保温层12和腔体内层13；

所述中空腔体19沿横轴线的一侧设有进气法兰9，与进气法兰9对应的中空腔体19的另一侧设有排气法兰10，与排气法兰10所在的中空腔体19面垂直的一面处连有相匹配的进样门14；腔体外层11与进样门14之间有铜垫片15；

所述中空腔体19内部沿纵轴线设有对应的上工作台5和下工作台3，上工作台5内设有加热器B 6，上工作台5并通过上工作台调节机构7与中空腔体19内壁相连；上工作台5沿下工作台3的表面设有夹具4；所述夹具4由上至下设依次设有上部机构4B和下部机构4A，上部机构4B和下部机构4A均为卡槽式夹持机构；下工作台3内部设有加热器A 2，下工作台3通过下工作台支架1与中空腔体19内壁相连；

与下工作台支架1对应的中空腔体19的腔体保温层12内设有加热器C 8，与上工作台调节机构7对应的中空腔体19的腔体保温层12内也设有加热器C 8；

本实施例中，加热器A 2、加热器B 6、加热器C 8该三个加热器分别由独立电路控制，加热温度范围均为室温到1200℃。

本实施例中，中腔体外层11的材质采用304不锈钢，腔体保温层12的材质为陶瓷纤维（产品型号：SYGX-421），腔体内层13的材质为氧化铝陶瓷（99瓷），进样门14的材质为304不锈钢，下工作台3和上工作台5的材质为氧化铝陶瓷（99瓷），上工作台调节机构7的材质为金属钼。

本实施例还包括与石墨烯制备装置相匹配的沉积辅助装置：载片16和石墨烯生长基底17，其中，载片16的材质为钨箔（20 mm × 20 mm × 0.01 mm）石墨烯生长基底17为石英基片（10 mm × 10 mm × 1 mm）。

以下实施例均使用上述石墨烯制备装置。

2.石墨烯生长

在生长装置的夹具的上部机构4B固定一10 mm × 10 mm × 1 mm的石英基片，下工作台（3）垂直正对位置放置20 mm × 20 mm × 0.01 mm钨箔，钨箔表面滴加2 ml 液态镓。通过调节上工作台调节机构（7）使上下工作台间距15 mm，将腔体抽真空至0.1 Pa，然后导入氩气（纯度99.9%），保持腔体内气压至100 Pa。加热器C 设为1050 ℃，导入2 sccm甲烷，生长25分钟。之后停止加热，通入500 sccm氮气冷却到室温。

3.石墨烯生长质量检测

图5为本实施实例获得石墨烯样品的拉曼光谱图，从谱图上可以看到特征明显的石墨烯G峰和2D峰，从峰强对比可以看出，石墨烯的原子层数大约2-3层。对石英上石墨烯层进行多点导电性测量，方阻6.5千欧，表明石墨烯层有很好的连通性和覆盖性。

实施例2

1、石墨烯生长

制备装置同实施例1，夹具4的上部机构4B固定一10 mm × 10 mm × 1 mm 石英基片，下工作台3放置20 mm × 20 mm × 0.01 mm钨箔，钨箔表面滴加2 ml 液态镓。通过调节上工作台调节机构7使上下工作台间距15 mm，将腔体抽真空至0.1 Pa，然后导入氩气（纯度99.9%），保持腔体内气压至0.3 atm。加热器C设为1050 ℃，导入1 sccm甲烷，生长15分钟。之后停止加热，通入500 sccm氮气冷却到室温。

2、石墨烯生长质量检测

图6为本实施实例获得石墨烯样品的拉曼光谱图，从谱图上可以看到特征明显的石墨烯G峰和2D峰，从峰强对比可以看出，石墨烯的原子层数主要为1-2层。对石英上石墨烯层，进行多点导电性测量，方阻9.8千欧，表明石墨烯层有很好的连通性和覆盖性。

实施例3

1、石墨烯生长

制备装置同实施例1，夹具4的上部机构4B固定一10 mm × 10 mm × 1 mm 石英基片，下工作台3放置20 mm × 20 mm × 0.01 mm 钨箔，钨箔表面滴加1 ml 液态镓。通过调节上工作台调节机构7使上下工作台间距15 mm，将腔体抽真空至0.1 Pa，然后导入氩气（纯度99.9%），保持腔体内气压至0.3 atm。加热器C 设为1050 ℃，导入1 sccm甲烷，生长5分钟。之后停止加热，通入500 sccm氮气冷却到室温。

2、石墨烯生长质量检测

图7为本实施实例获得石墨烯样品的拉曼光谱图，从谱图上可以看到特征明显的石墨烯G峰和2D峰，从峰强对比可以看出，该石墨烯层主要为单原子层石墨烯构成。对石英上石墨烯层进行多点导电性测量，测得方阻11.2千欧，表面石墨烯层有很好的连通性和覆盖性。

实施例4

1、石墨烯生长

制备装置同实施例1，夹具4的上部机构4B固定一10 mm × 10 mm × 1 mm 氧化铝蓝宝石基片，下工作台3放置20 mm × 20 mm × 0.01 mm 钨箔，钨箔表面滴加5 ml 液态镓。通过调节上工作台调节机构7使上下工作台间距10 mm，将腔体抽真空至0.1 Pa，然后导入氩气（纯度99.9%），保持腔体内气压至0.1 atm。加热器A 设为1050 ℃，加热器B 设为900 ℃，导入5 sccm甲烷，生长60分钟 。之后停止加热，通入500 sccm氮气冷却到室温。之后停止加热，通入500 sccm氮气冷却到室温。

2、石墨烯生长质量检测

图8为本实施实例获得石墨烯样品的拉曼光谱图，从谱图上可以看到特征明显的石墨烯G峰和2D峰，从峰强对比可以看出，生长得到的为多原子层的纳米石墨烯。对石墨烯层进行多点导电性测量，方阻5.1千欧，表明石墨烯层有很好的连通性和覆盖性。

实施例5

1、石墨烯生长

制备装置同实施例1，夹具4的上部机构4B固定一10 mm × 10 mm × 1 mm 石英基片，下工作台3放置40 mm × 40 mm × 0.01 mm钨箔，钨箔表面滴加5 ml 液态镓。通过调节上工作台调节机构7使上下工作台间距10 mm，将腔体抽真空至0.5 Pa，然后导入氩气（纯度99.9%），保持腔体内气压至0.5 atm。加热器A 设为1050 ℃，加热器B 设为500 ℃，导入5 sccm甲烷，生长60分钟。之后停止加热，通入500 sccm氮气冷却到室温。

2、石墨烯生长质量检测

图9为本实施实例获得石墨烯样品的拉曼光谱图，从谱图上可以看到特征明显的石墨烯G峰和2D峰，从峰强对比可以看出，为多原子层的纳米石墨烯。对石墨烯层进行多点导电性测量，方阻3.5千欧。

实施例6

1、石墨烯生长

制备装置同实施例1，夹具4的上部机构4B固定一10 mm × 10 mm × 2 mm硼硅玻璃基片，下工作台3放置40 mm × 40 mm × 0.01 mm 钨箔，钨箔表面滴加5 ml 液态镓。通过调节上工作台调节机构7使上下工作台间距20 mm，将腔体抽真空至0.1 Pa，然后导入氩气（纯度99.9%），保持腔体内气压至0.6 atm。加热器A 设为1020 ℃，加热器B 设为400 ℃,导入1 sccm甲烷，生长50分钟。之后停止加热，通入500 sccm氮气冷却到室温。

2、石墨烯生长质量检测

图10为本实施实例获得石墨烯样品的拉曼光谱图，从谱图上可以看到特征明显的石墨烯G峰和2D峰，从峰强对比可以看出，为多原子层的纳米石墨烯。对石墨烯层进行多点导电性测量，方阻5.9千欧。

实施例7

1、石墨烯生长

制备装置同实施例1，夹具4的上部机构4B固定一10 mm×10 mm×1 mm 石英基片，下工作台3放置20 mm × 20 mm × 0.01 mm钨箔，钨箔表面滴加5 ml 液态镓。通过调节上工作台调节机构7使上下工作台间距10 mm，将腔体抽真空至0.1 Pa，然后导入氩气（纯度99.9%），保持腔体内气压至1 atm。加热器A 设为1050 ℃，加热器B 设为500 ℃，导入3sccm甲烷，生长90分钟。之后停止加热，通入500 sccm氮气冷却到室温。

2、石墨烯生长质量检测

图11为本实施实例获得石墨烯样品的拉曼光谱图，从谱图上可以看到特征明显的石墨烯G峰和2D峰，从峰强对比可以看出，为多原子层的纳米石墨烯。对石墨烯层进行多点导电性测量，方阻3.8千欧，表明石墨烯层有很好的连通性和覆盖性。

实施例8

1、石墨烯生长

制备装置同实施例1，此外，本实施例中沉积辅助装置还包括图案化掩膜模板18，其形状为矩形镂空，材质是钨箔，厚度0.01mm。

（1）开启进样门14，在下工作台3上垂直正对位置表面水平放置载片16（20 mm ×20 mm × 0.01 mm 钨箔），载片16上滴加2 ml 液态镓；

（2）在夹具4的上部空间（即上工作台5表面）插入石墨烯生长基底17（10 mm × 10mm × 1 mm 石英基片），由夹具的上部机构4B固定；在夹具4的下部空间插入图案化掩膜模板18，由夹具的下部机构4A固定；

（3）调节上工作台调节机构7使上下工作台间距15 mm；关闭进样门14，将石墨烯生长装置抽真空至0.1 Pa，然后通入纯度为99.9%的氩气，保持腔体内气压为0.4 atm（具体实施中，气体压强维持0.1% atm ~1 atm均可）；

在具体实施中，惰性气体可以选择氮气、氩气、氢气中的一种或多种，均可实现发明之目的；

（4）加热器A 设为1050 ℃，加热器B 设为800 ℃（具体实施中，按照生长需要分别控制加热器A、B、C的温度在室温到1200 ℃之间）；

（5）向石墨烯生长装置内通入2 sccm甲烷（碳源），生长40分钟；

具体实施中，可以向装置内通入碳源或碳源与氢气的混合气，进行生长5～90分钟，在石墨烯基底上生长出图案化的石墨烯薄膜；所述碳源包括甲烷、乙烯、乙炔中的至少一种；

（6）停止加热，通入500 sccm氮气冷却到室温，取出石墨烯和基底，即获得图案化生长的石墨烯；

具体实施中，可在真空状态下冷却到室温，或通入高流量（大于200 sccm）氩气快速冷却到室温。

2、石墨烯生长质量检测

图12 A为本实施实例获得图案化石墨烯薄膜的照片，在图片中部能看到明显的矩形石墨烯图案，图12B为矩形镂空的掩膜模板示意图。

图13曲线a、b、c 分别为在图12A样品的位置1、位置2、位置3处测得的拉曼光谱，从谱图上可以看到在位置1和位置3处没有石墨烯特征峰，位置2有特征明显的石墨烯G峰和2D峰。类似的多点扫描测量表明，模板遮挡的位置都没有明显石墨烯沉积，模板镂空位置有显著石墨烯沉积。

实施例9

1、石墨烯生长

制备装置同实施例8，夹具4的上部机构4B固定一10 mm × 10 mm × 1 mm石英基片，下工作台3放置20 mm × 20 mm × 0.01 mm厚钨箔，钨箔表面滴加2 ml 液态镓，在夹具4的下部空间插入镂空锯齿状的掩膜模板18，镂空锯齿状的掩膜模板18的材质是钨箔，厚度0.01mm，由夹具的下部机构4A固定。通过调节上工作台调节机构7使上下工作台间距10mm，将腔体抽真空至0.1 Pa，然后导入氩气（纯度99.9%），保持腔体内气压至0.4 atm。加热器A 设为1050 ℃，加热器B 设为900 ℃，导入2 sccm甲烷，生长45分钟 。

2、石墨烯生长质量检测

图14 A为本实施实例获得图案化石墨烯薄膜的照片，在图片中能看到两个三角形石墨烯图案，图14B为三角形镂空的掩膜模板示意图。

图15曲线a、b、c、d 分别为在图14A样品的位置1、位置2、位置3、位置4处测得的拉曼光谱，从谱图上可以看到在位置1和位置3处没有石墨烯特征峰，位置2、位置4有特征明显的石墨烯G峰和2D峰。类似的多点扫描测量表明，模板遮挡的位置都没有明显石墨烯沉积，模板镂空位置有显著石墨烯沉积。

实施例10

1、石墨烯生长

制备装置同实施例8，夹具4的上部机构4B固定一10 mm × 10 mm × 1 mm石英基片，下工作台3放置20 mm × 20 mm × 0.01 mm厚钨箔，钨箔表面滴加1 ml 液态镓，在夹具4的下部空间插入镂空掩膜模板18，镂空掩膜模板18的材质是钨箔，厚度0.01mm，由夹具的下部机构4A固定。通过调节上工作台调节机构7使上下工作台间距15 mm，将腔体抽真空至0.1 Pa，然后导入氩气（纯度99.9%），保持腔体内气压至0.4 atm。加热器A 设为1050 ℃，加热器B 设为900 ℃，导入1 sccm甲烷，生长35分钟 。

2、石墨烯生长质量检测

图16 A为本实施实例中实验组所用的镂空图案化模板实物图，图16B为本实施实例中实验组所用镂空图案化模板实物图的光学显微镜图，图16C为本实施实例中实验组获得的样品的光学显微镜图。

图17曲线a、b、c、d 分别为在图16C样品的位置1、位置2、位置3、位置4处测得的拉曼光谱，从谱图上可以看到在位置4有特征明显的石墨烯G峰和2D峰，位置1、位置2和位置3处没有石墨烯特征峰。类似的多点扫描测量表明，模板遮挡的位置都没有明显石墨烯沉积，模板镂空位置有显著石墨烯沉积。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，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方式而已，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)

1.一种石墨烯制备装置，包括中空腔体（19），其特征在于，所述中空腔体（19）外壳由外至内依次为腔体外层（11）、腔体保温层（12）和腔体内层（13）；

所述中空腔体（19）沿横轴线的一侧设有进气法兰（9），与进气法兰（9）对应的中空腔体（19）的另一侧设有排气法兰（10）；与排气法兰（10）所在的中空腔体（19）面垂直的一面处连有相匹配的进样门（14）；腔体外层（11）与进样门（14）之间设有铜垫片（15）；

所述中空腔体（19）内部沿纵轴线设有对应的上工作台（5）和下工作台（3），上工作台（5）内设有加热器B（6）并通过上工作台调节机构（7）与中空腔体（19）内壁相连；上工作台（5）沿下工作台（3）的表面设有夹具（4）；下工作台（3）内部设有加热器A（2），并通过下工作台支架（1）与中空腔体（19）内壁相连；

与下工作台支架（1）对应的中空腔体（19）的腔体保温层（12）内和与上工作台调节机构（7）对应的中空腔体（19）的腔体保温层（12）内均设有加热器C（8）；

所述夹具（4）由上至下依次设有上部机构（4B）和下部机构（4A），上部机构（4B）和下部机构（4A）均为卡槽式夹持机构。

2.根据权利要求1所述的石墨烯制备装置，其特征在于，所述下工作台（3）和上工作台（5）的材质为石英、氧化铝、氧化锆中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的石墨烯制备装置，其特征在于，所述上工作台调节机构（7）的材质为金属钨或钼。

4.根据权利要求1所述的石墨烯制备装置，其特征在于，所述腔体外层（11）的材质为不锈钢，腔体保温层（12）的材质为多孔氧化铝，腔体内层（13）的材质为氧化铝陶瓷。

5.根据权利要求1所述的石墨烯制备装置，其特征在于，所述进样门（14）的材质为不锈钢。

6.一种利用如权利要求1~5任一所述石墨烯制备装置图案化生长石墨烯的方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)开启进样门（14），在下工作台（3）上表面水平放置载片，载片上滴加液态金属；

2)在夹具（4）的上部空间插入石墨烯生长基底，由夹具的上部机构（4B）固定；在夹具（4）的下部空间插入图案化掩膜模板，由夹具的下部机构（4A）固定;

3)关闭进样门（14），将石墨烯生长装置抽真空后充入惰性气体，气体压强维持0.1%atm ~1 atm；

4)分别控制加热器A（2）、加热器B（6）、加热器C（8）的温度，使其保持在室温到1200℃之间；

5)向石墨烯生长装置内通入碳源或碳源与氢气的混合气，进行生长5～90分钟；所述碳源包括甲烷、乙烯、乙炔中的至少一种；

6)停止加热，在真空状态下冷却到室温，或通入氩气冷却到室温，即获得图案化生长的石墨烯。

7.根据权利要求6所述利用石墨烯制备装置图案化生长石墨烯的方法，其特征在于，步骤1）所述液态金属包括金属镓、镓铟合金、镓铟锡合金中的至少一种。

8.根据权利要求6所述利用石墨烯制备装置图案化生长石墨烯的方法，其特征在于，步骤1）所述载片包括金属钨箔或钼箔；步骤2）所述石墨烯生长基底为氧化铝基片、石英基片、硅片、玻璃基片中的至少一种；所述图案化掩膜模板材质为石英、钨、钼、钽中的至少一种，厚度为5-50 微米。

9.根据权利要求6所述利用石墨烯制备装置图案化生长石墨烯的方法，其特征在于，步骤3）所述惰性气体包括氮气、氩气、氢气中的至少一种。

Images