CN108698015B

CN108698015B - 石墨烯合成装置和使用其的石墨烯合成方法

Info

Publication number: CN108698015B
Application number: CN201680082905.5A
Authority: CN
Inventors: 元栋观
Original assignee: Haesung DS Co Ltd
Current assignee: Haesung DS Co Ltd
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2036-07-26
Also published as: KR101812208B1; JP2019511446A; CN108698015A; JP6726292B2; WO2017159929A1; DE112016006601T5; US20190070578A1; DE112016006601B4; KR20170107248A; US10882748B2

Abstract

公开了一种石墨烯合成装置，包括：腔室；加热单元，其设置在腔室内；热转换单元，其设置为比加热单元更靠近腔室的中心部分；和催化剂，其被放置在热转换单元上，其中催化剂形成为细长金属。

Description

石墨烯合成装置和使用其的石墨烯合成方法

技术领域

本发明的实施例涉及石墨烯合成装置和使用其的石墨烯合成方法，更具体地，涉及能够合成石墨烯线的石墨烯合成装置以及使用该石墨烯合成装置的石墨烯合成方法。

背景技术

石墨烯是一种材料，其中碳以六角形的形态彼此连接以形成蜂窝状二维平面结构。石墨烯的特征在于非常薄且透明并且具有非常高的导电性。目前将具有上述特征的石墨烯应用于触摸板、透明显示器或柔性显示器的尝试较多。

通过引入包含碳的气体，借助化学气相沉积(CVD)方法在金属催化剂的表面上合成石墨烯。

为了合成石墨烯，需要石墨烯合成装置保持高温环境。由于包含碳的气体在高温条件下离解，因此可以在金属催化剂的表面上形成石墨烯。

发明内容

技术问题

本发明的实施例旨在提供一种能够合成石墨烯线的石墨烯合成装置以及使用该石墨烯合成装置的石墨烯合成方法。

技术方案

根据本发明的一实施例，石墨烯合成装置包括：腔室；加热单元，其设置在腔室内；热转换单元，其设置为比加热单元更靠近腔室的中心部分；和催化剂，其被设置在热转换单元上，其中催化剂由细长金属形成。

有益效果

根据本发明的一实施例，可以容易地合成石墨烯被涂敷在具有细长电线状的催化剂上而成的石墨烯线。

除了上述效果之外，本发明的效果可以从以下参考附图的描述中得出。

附图说明

图1是示意性地示出本说明书中提及的石墨烯的立体图。

图2是示意性地示出根据本发明的一实施例的石墨烯合成装置的截面的横截面图。

图3是示意性地示出根据本发明的另一实施例的石墨烯合成装置的截面的横截面图。

图4是示意性地示出根据本发明的一实施例的热转换单元的立体图。

图5是示意性地示出根据本发明的另一实施例的石墨烯合成装置的横截面图。

图6示意性地示出了根据本发明的另一实施例的石墨烯合成装置的一部分。

图7是根据本发明的一实施例的石墨烯合成方法的示意性流程图。

图8是根据本发明另一实施例的石墨烯合成方法的示意性流程图。

具体实施方式

本发明的一实施例公开了石墨烯合成装置，包括：腔室；加热单元，其设置在腔室内；热转换单元，其设置为比加热单元更靠近腔室的中心部分；和催化剂，其被设置在热转换单元上，其中催化剂由细长金属形成。

在本实施例中，石墨烯合成装置还可以包括设置在腔室中的石英，其中石英布置在加热单元和热转换单元之间。

在本实施例中，石英可以沿垂直于地面的方向或平行于地面的方向布置。

在本实施例中，催化剂可以具有电线状，并且催化剂可以缠绕布置在热转换单元的表面上。

在本实施例中，热转换单元可以将来自加热单元的辐射热转换为传导热，并且传导热可以被直接传递到被布置在热转换单元的表面上的催化剂。

在本实施例中，热转换单元可以包括石墨。

在本实施例中，热转换单元可以具有圆柱形或矩形柱形。

在本实施例中，热转换单元可以包括：第一表面；与第一表面相对的第二表面；和孔，其从第一表面贯穿到第二表面。

在本实施例中，在孔中可以设置有驱动单元，并且驱动单元可以配置为将热转换单元顺时针或逆时针旋转。

在本实施例中，石墨烯合成装置还可以包括：第一旋转单元，其设置在热转换单元的一侧；第二旋转单元，其设置在热转换单元的另一侧。

在本实施例中，在第一旋转单元的表面上可以缠绕布置有具有电线状的催化剂，并且在第二旋转单元的表面上可以缠绕布置有供合成石墨烯的具有电线状的催化剂。

另外，本发明的另一实施例公开石墨烯合成方法，包括：准备腔室，在腔室内部包括热转换单元和加热单元，所述加热单元设置为比热转换单元更靠近边缘部分；通过从加热单元供应辐射热来进行加热；将反应气体供应到腔室内部，在热转换单元的表面上设置有由细长金属形成的催化剂。

在本实施例中，在进行加热之后，热转换单元可以将由加热单元供应的辐射热转换为传导热，以升高催化剂的温度。

在本实施例中，石墨烯合成方法还可以包括，在进行加热之前，通过注入气氛气体或非反应性气体进行清洗。

在本实施例中，在准备腔室时，可以在腔室中还包括布置在加热单元和热转换单元之间的石英。

在本实施例中，在准备腔室时，可以在腔室中还包括设置在热转换单元的一侧的第一旋转单元和设置在热转换单元的另一侧的第二旋转单元。

在本实施例中，石墨烯合成方法还可以包括在进行加热和供应的同时将催化剂从第一旋转单元加载到热转换单元。

在本实施例中，石墨烯合成方法还可以包括在进行加热和供应的同时将位于热转换单元的表面上并且合成有石墨烯的催化剂卸载到第二旋转单元。

具体实施例

由于本发明允许各种改变和许多实施例，因此将在附图中示出特定实施例并且在说明书中对其进行详细描述。通过结合附图参考详细后述的实施例，本发明的效果和特征以及实现它们的方法会变得明确。然而，本发明并不限于以下公开的实施例，并且能够实现为多种形态。

在下文中，将通过参考附图来对本发明的实施例进行详细描述。在参考附图进行说明时，将相同的附图标记赋予相同或相应的元件，且省略重复描述。

在下面的实施例中，术语“第一”、“第二”等仅用于将一个元件与另一个元件区分开，而不是用于限定。

在下面的实施例中，单数的表述旨在也包括复数的表述，除非上下文另有明确说明。

在下面的实施例中，术语“包括”或“具有”等表示说明书中记载的特征或元件的存在，但不预先排除存在或添加一个或多个其他特征或部件的可能性。

在下面的实施例中，当膜、区域或元件等部分被称为位于另一部分“上侧”或“上”时，不仅包括直接形成在另一部分上的情况，而且还包括其它膜、区域或元件等夹在中间的情况。

为了便于解释，在附图中可夸大或缩小元件的大小。换句话说，由于为了便于解释而在附图中任意地示出了元件的尺寸和厚度，因此以下实施例并不限于此。

当可不同地实施某个实施例时，可以与所描述的顺序不同地执行特定的工艺顺序。例如，两个连续描述的工艺可以基本上被同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行。

图1是示意性地示出本发明中提及的石墨烯的立体图。

本说明书中使用的术语“石墨烯”表示多个碳原子彼此共价键合，因此形成多环芳族分子的石墨烯形成为膜状。以共价键连接的碳原子构建六元环作为基本重复单元。可以进一步包括五元环和/或七元环。因此，石墨烯膜包括彼此共价键合的碳(C)原子(通常为sp2键)的单层。石墨烯膜可以具有各种结构，并且结构可以根据石墨烯中包含的五元环和/或七元环的含量而变化。

石墨烯膜可以如图所示以单层形成，或者通过堆叠多个单层而形成多层。通常，石墨烯的侧表面的末端部分可以由氢(H)原子饱和。

石墨烯是二维平面结构的纳米材料，并且可以具有各种物理特性、化学特性、电学特性或光学特性。特别地，石墨烯的电荷迁移率可以为硅(Si)的约100倍和铜(Cu)的约150倍，并且允许的电流密度为铜(Cu)的约100倍。

此外，由于石墨烯是二维平面结构的纳米材料，因此可以通过改变石墨烯的形状来使用石墨烯。

图2是示意性地示出根据本发明的一实施例的石墨烯合成装置1000的截面的横截面图。

根据本实施例的石墨烯合成装置1000可以包括腔室100、设置在腔室100中的热转换单元110、加热单元130和催化剂200。

作为选择性实施例，腔室100可以是六面体。

本实施例是腔室100如图2所示为六面体的情况，腔室100的截面被示出为矩形。然而，腔室100的形状不限于此，例如，除了六面体之外，腔室100可以设置为其他多面体、多边形柱、多边形椎体或球体。

可以提供能够产生辐射热的任何热源作为设置在腔室100中的加热单元130。

作为选择性实施例，加热单元130可以设置在腔室100的三个或更多个表面中的每个表面上或仅设置在其中一个表面上。

在根据本实施例的石墨烯合成装置1000中，尽管图2示出了加热单元130设置在腔室100的面向彼此的内表面的每个上，但加热单元130的位置和数量不限于此，并且一个或两个或更多个加热单元130可以位于腔室100中的任何位置。

例如，加热单元130可以是诸如能够产生热量的灯、电加热器或等离子体产生装置的装置。

作为选择性实施例，当加热单元130设置为灯时，加热单元130可以包括卤素灯。多个卤素灯可以以一定间隔彼此分开布置。卤素灯可以发射近红外光、中红外光和/或可见光。

加热单元130还可以包括未示出的窗口。窗口可以设置成围绕卤素灯的外周，或者设置在沿一个方向彼此平行设置的卤素灯的一侧。窗口可以包括透明材料，例如石英。窗口可以保护卤素灯并且可以提高光效率。

根据本实施例的石墨烯合成装置1000可以包括设置在腔室100中的热转换单元110。热转换单元110可以将由加热单元130供应的辐射热转换为传导热。

作为选择性实施例，如图2所示，热转换单元110可以在腔室100中位于腔室100的中心部分处。

换句话说，热转换单元110可以位于腔室100中的中心部分处并且位于设置在腔室100的面向彼此的两个内表面上的加热单元130之间。

由于热转换单元110位于两个或更多个加热单元130之间，因此可以更有效地获得从加热单元130发射出的辐射热。

当然，图2中所示的实施例仅是本发明的石墨烯合成装置1000的一实施例，并且加热单元130和热转换单元110的位置不限于此。

换句话说，作为选择性实施例，热转换单元110可以位于腔室100的中心部分处，并且多个加热单元130在热转换单元110周围围绕热转换单元110就位，从而向热转换单元110提供辐射热。

作为选择性实施例，热转换单元110可以由任何可以通过辐射热升高温度的材料形成。

例如，热转换单元110可以包括黑体。在一些实施例中，热转换单元110可以包括涂有石墨或氧化膜的金属。由于热转换单元110形成为黑体，因此可以降低反射率并且可以增加辐射热的吸收率。

热转换单元110可以是中空管型，并且多个孔110h可以形成在热转换单元110的表面中。孔110h促进用于合成石墨烯的气体的流动，因此可以在设置在热转换单元110上的催化剂200上均匀地合成石墨烯。

催化剂200可以设置在热转换单元110的外部。换句话说，催化剂200可以位于热转换单元110和加热单元130之间。

作为选择性实施例，催化剂200可以设置在热转换单元110的表面上。

作为选择性实施例，催化剂200可以包括细长的金属。换句话说，如图2中所示，作为具有细长电线状的金属的催化剂200可以设置在热转换单元110的表面上。

当催化剂200设置在热转换单元110的表面上时，根据本实施例的石墨烯合成装置1000具有有效地接收由热转换单元110从辐射热转换的传导热的有利效果。

换句话说，有益效果在于，由于具有细长电线状的催化剂200有效地接收传导热，因此温度容易升高至石墨烯的合成温度，因此可以容易地合成石墨烯。

在对石墨烯合成方法的实施例的描述中详细描述了石墨烯合成方法。

作为选择性实施例，催化剂200可以由具有足以承受石墨烯合成过程的高温的高熔点的任何金属形成。

例如，催化剂200可以包括铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、铬(Cr)镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、铑(Rh)、硅(Si)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)、铀(U)、钒(V)、钯(Pd)、钇(Y)、锆(Zr)、锗(Ge)、黄铜、青铜、白铜和不锈钢中的至少一种金属或合金。然而，本发明不限于此，并且可以使用任何具有高熔点的金属或合金。

在根据本实施例的石墨烯合成装置1000中，如图2所示，具有电线状的催化剂200可以布置成以一定间隔缠绕在热转换单元110的表面上。

由于催化剂200以一定间隔设置在热转换单元110的表面上，因此可以在大面积上有效地合成石墨烯。

根据本实施例的石墨烯合成装置1000还可以包括设置在腔室100中的石英120。由于石英120由透明且具有高熔点的晶体形成，所以石英120可以使从加热单元130供应的辐射热透过。石英120可以位于热转换单元110周围，并且设置成与腔室100的内壁接合，以保持真空状态。

此外，由于石英120布置在热转换单元110和腔室100的内壁之间，因此可以防止供应用于合成石墨烯的材料的残余物积聚在腔室100的内壁上。石英120布置在热转换单元110和腔室100的内壁之间，因此供应用于合成石墨烯的材料(气体)的残余物可积聚在石英120的内壁上，而不是石英120的内壁上。当石英120的内壁被污染时，仅需要更换石英120，因此可以使石墨烯合成装置1000的维护和修理变得容易。

可以设置至少两个石英120。尽管图2示出了设置两个石英120，但本发明不限于此，并且可以设置三个或更多个石英120。

1个或2个以上的石英120可以设置在腔室100中，且可位于腔室100中的中部边缘部分处。

作为选择性实施例，石英120可以布置在热转换单元110和加热单元130之间。换句话说，石英120可以布置在作为金属的催化剂200和加热单元130之间。

作为一个实施例，如图2所示，当存在两个石英120时，热转换单元110可以布置在两个石英120之间。此外，每个石英120可以布置在热转换单元110和加热单元130之间。

作为选择性实施例，如图2所示，当存在两个石英120时，两个石英120可以布置成面向彼此。

作为选择性实施例，每个石英120可以设置为板状。

当每个石英120以板状设置时，如图2所示，石英120的截面示出为矩形，但石英120的形状不限于此。

换句话说，每个石英120可以形成为具有圆柱形状或矩形柱形状，而不是板状。

石英120可以相对于地面沿竖直或水平方向设置。

如图2中所示，在根据本实施例的石墨烯合成装置1000中，石英120可以相对于地面沿竖直方向设置。

在根据本实施例的石墨烯合成装置1000中，如图2所示，两个石英120可以相对于地面沿竖直方向面向彼此而位于腔室100中的边缘部分处，并且热转换单元110可以设置在面向彼此的两个石英120之间。

然而，图2中所示的石墨烯合成装置1000仅仅是本发明的一个实施例，而石英120旨在保持腔室100的真空状态，因此可设置成不限于相对于地面沿竖直方向还是水平方向。

根据本实施例的石墨烯合成装置1000还可以包括气体供应单元140和排放单元150。

气体供应单元140可以包括多个喷嘴，并且可以将包含碳的气体供应到腔室100的内部。

包含碳的气体是用于形成石墨烯的反应气体，并且作为选择性实施例，可以使用甲烷(CH₄)作为气体。

当然，包含碳的气体不限于此，并且选自一氧化碳(CO)、乙烷(C₂H₆)、乙烯(CH₂)、乙醇(C₂H₅)、乙炔(C₂H₂)、丙烷(CH₃CH₂CH₃)、丙烯(C₃H₆)、丁烷(C₄H₁₀)、戊烷(CH₃(CH₂)₃CH₃)、戊烯(C₅H₁₀)、环戊二烯(C₅H₆)、己烷(C₆H₁₄)、环己烷(C₆H₁₂)、苯(C₆H₆)、甲苯(C₇H₈)等包含碳原子的组当中的一种或多种气体可以使用作为气体。

下面详细描述使用上述包含碳的气体合成石墨烯的方法。

气体供应单元140不仅可以将包含碳的气体，还可以将气氛气体供应到腔室100的内部。气氛气体可以包括诸如氦气或氩气的惰性气体以及诸如氢气的非反应性气体，以保持铜电线200a的清洁表面。

在本实施例中，描述了气体供应单元140供应包含碳的气体和气氛气体两者的情况，但是本发明不限于此。例如，分别设置供应包含碳的气体的气体供应单元和供应气氛气体的气体供应单元，因此可以将包含碳的气体和气氛气体单独地供应到腔室100的内部。

排放单元150将在用于合成石墨烯之后在腔室100中剩余的残余气体排出。

排放单元150可以如图2所示设置在面向气体供应单元140的表面处，以最大化排出效果。然而，这是示例性的，并且排放单元150的布置结构和数量不限于如图所示，并且可以以各种方式实现。

图3是示意性地示出根据本发明另一实施例的石墨烯合成装置2000的截面的横截面图。在图3中，与图2中的附图标记相同的附图标记表示相同的元件，并且为了简单起见，省略了对其的重复描述。

石墨烯合成装置2000可以包括腔室100，设置在腔室100中的热转换单元110-1、加热单元130和催化剂200。此外，石墨烯合成装置2000还可以包括石英120，其被设置为保持腔室100的真空状态或防止腔室100被污染；并且还可以包括气体供应单元140、排放单元150、减压单元(未示出)和门(未示出)。

在根据本实施例的石墨烯合成装置1000中，尽管图3示出了加热单元130设置在腔室100的两个面向彼此的内表面中的每一个上的实施例，但加热单元130的位置和数量不限于此，并且一个或两个或更多个加热单元130可以位于腔室100中的任何位置。

作为选择性实施例，设置在腔室100中的热转换单元110-1可以设置在腔室100的中心部分。换句话说，相对于加热单元130设置在腔室100的内表面上，也就是说，在腔室100内部的边缘处，热转换单元110-1可以相对地设置在腔室100的中心部分处。

如图3所示，在根据本实施例的石墨烯合成装置2000中，热转换单元110-1可以布置在设置在两个内表面上的加热单元130之间。

由于热转换单元110-1位于两个或更多个加热单元130之间，因此具有有效地接收从加热单元130发出的辐射热的有利效果。

作为选择性实施例，热转换单元110-1可以具有柱形状。

作为选择性实施例，类似于图2中所示的石墨烯合成装置1000的热转换单元100，可以形成为具有圆截面的圆柱形状。

作为另一个选择性实施例，热转换单元110-1可以为具有矩形截面的矩形柱形状，类似于图3所示的石墨烯合成装置2000的热转换单元100-1。

尽管在图2和图3的实施例中，热转换单元100和100-1分别示出为圆柱形状和矩形柱形状，但本发明不限于此，并且可以采用具有一定高度的任何柱形状作为热转换单元，不论其形状如何。

作为选择性实施例，可通过辐射热升高温度的任何材料可用于热转换单元110。

例如，热转换单元110可以包括涂有石墨或氧化膜的金属。

催化剂200可以设置在热转换单元110-1的外部。换句话说，催化剂200可以位于热转换单元110-1和加热单元130之间。

作为选择性实施例，催化剂200可以设置在热转换单元110-1的表面上。

作为选择性实施例，催化剂200可以包括细长金属。换句话说，如图3所示，细长电线状的催化剂200可以设置在热转换单元110-1的表面上。

作为选择性实施例，催化剂200可以由具有足以耐受石墨烯合成过程的高温的任何高熔点金属形成。

图4是示意性地示出根据本发明的一实施例的热转换单元110的立体图。在图4中，与图2中的附图标记相同的附图标记表示相同的元件，并且为了简单起见，省略了对其的重复描述。

作为选择性实施例，热转换单元110可以具有圆柱形状，但是本发明不限于此，并且可以采用具有一定高度的任何柱形状作为热转换单元110，而不管其形状如何。换句话说，热转换单元110可以具有图3中所示的矩形柱形状，或任何其他形状。

热转换单元110可以包括第一表面100a、与第一表面100a相对的第二表面100b、以及从第一表面100a贯穿到第二表面100b的孔H。

作为选择性实施例，在孔H中可以包括驱动单元300。

作为选择性实施例，热转换单元110可以借助驱动单元300而顺时针或逆时针旋转。尽管图4示出了热转换单元110逆时针旋转，但本发明不限于此，并且热转换单元110可以顺时针或逆时针旋转。

驱动单元300可以通过电机旋转，但是本发明不限于此，并且可以采用能够提供动力以旋转热转换单元110的任何装置。尽管图4示出了驱动单元300具有包括在孔H中的特定形状，但是本发明不限于此。

催化剂200可以设置在热转换单元110的外部。

作为选择性实施例，催化剂200可以位于热转换单元110的表面上。

作为选择性实施例，具有细长电线状的催化剂200可以布置成缠绕在热转换单元110的表面上。

由于关于热转换单元110和催化剂200的其他描述已经在上面参考图1至图3而呈现，因此省略其描述。

图5是示意性地示出根据本发明另一实施例的石墨烯合成装置3000的横截面图。在图5中，与图2和图4中的附图标记相同的附图标记表示相同的元件，并且为了简单起见，省略了对其的重复描述。

石墨烯合成装置3000可以包括腔室100、设置在腔室100中的热转换单元110、加热单元130和催化剂200。此外，石墨烯合成装置3000还可以包括石英120，其保持腔室100的真空状态或防止腔室100被污染。石墨烯合成装置3000还可以包括气体供应单元140、排放单元150、减压单元(未示出)和门(未示出)。

作为选择实施例，热转换单元110可以包括孔H，并且驱动单元300可以被包括在孔H中。作为选择实施例，驱动单元300可以顺时针或逆时针旋转热转换单元110。

作为选择性实施例，催化剂200可以具有细长电线状，并且具有电线状的催化剂200可以布置成缠绕在热转换单元110的表面上。

作为选择实施例，根据本实施例的石墨烯合成装置3000还可以包括第一旋转单元400和第二旋转单元500。

第一旋转单元400可以设置在热转换单元110的一侧，第二旋转单元500可以设置在热转换单元110的另一侧。换句话说，第一旋转单元400和第二旋转单元500可以相对于热转换单元110位于相对两侧。

在根据本实施例的石墨烯合成装置3000中，如图5所示，热转换单元110可以位于腔室100的中心部分，第一旋转单元400可以位于热转换单元110的上部，第二旋转单元500可以位于热转换单元110的下部。

第一旋转单元400和第二旋转单元500的结构和材料不受限制，并且可以采用能够围绕旋转轴旋转的任何结构和材料。第一旋转单元400和第二旋转单元500可以顺时针或逆时针旋转。

如图5所示，石墨烯合成之前的催化剂200可以缠绕在第一旋转单元400周围。作为选择性实施例，细长电线状的催化剂200可以缠绕在第一旋转单元400周围。用于供合成石墨烯之前的催化剂200缠绕的第一旋转单元400和用于供合成石墨烯的热转换单元110可以设置在如图5所示的相同的腔室中。然而，本发明不限于此，并且可以进行各种修改，例如，第一旋转单元400可以设置在单独的腔室中，或者仅可以将由第一旋转单元400提供的催化剂200提供给腔室100的内部。

当第一旋转单元400与热转换单元110设置在同一腔室100中时，如图5所示，可以减少石墨烯合成过程中的污染。第一旋转单元400可以与加热单元130的区域分开布置，使得从加热单元130发出的辐射热可以尽可能少地供应。

通过缠绕在第一旋转单元400周围而提供的催化剂200可以在第一旋转单元400和热转换单元110同时旋转的同时从第一旋转单元400移动到热转换单元110。

作为选择性实施例，如图5所示，石墨烯合成后的催化剂200'可以布置成缠绕在第二旋转单元500周围。

当在位于石墨烯合成装置3000中的热转换单元110的表面上的催化剂200上合成有石墨烯时，在第二旋转单元500和热转换单元110同时旋转的同时石墨烯合成后的催化剂200'可以从热转换单元110移动到第二旋转单元500。稍后描述详细的石墨烯合成过程。

图6示意性地示出了根据本发明的另一实施例的石墨烯合成装置的一部分。参考图6，在根据一实施例的石墨烯合成装置中，催化剂200可以位于热转换单元110内部。在这种情况下，催化剂200可以布置成缠绕在位于热转换单元110内部的驱动单元300周围。热转换单元110可以吸收从加热单元130发出的辐射热，并且可以将吸收的辐射热传递到驱动单元300。在这种状态下，驱动单元300可以将来自热转换单元110的热量转换成传导热并将转化的热传递给催化剂200。热转换单元110可以设置成圆柱形状，并且热转换单元110可以具有贯穿圆柱侧壁的孔110h。孔110h可以提供用于促进气体的流动。

图7是根据本发明的实施例的石墨烯合成方法的示意性流程图。图8是根据本发明的另一实施例的石墨烯合成方法的示意性流程图。在以下描述中，参考图7和图8详细描述石墨烯合成方法。

下面描述的石墨烯合成方法使用上述石墨烯合成装置1000和3000(参见图2和图5)。在图7中，与图2和图5中的附图标记相同的附图标记表示相同的元件，并且为了简单起见，省略了对其的重复描述。

首先，参考图2和图7，在根据实施例的石墨烯合成方法中，可以执行准备腔室100的操作S10。

腔室100可在其中包括加热单元130和热转换单元110。热转换单元110可以位于腔室100的中心部分处，并且加热单元130可以相对于热转换单元110位于腔室100的边缘部分处。

催化剂200可以布置在热转换单元110和加热单元130之间。作为选择性实施例，催化剂200可以位于热转换单元110的表面上。

催化剂200可以设置为细长电线状。

换句话说，在根据本实施例的石墨烯合成方法中，由于催化剂200设置在热转换单元110的表面上，即使当催化剂200设置为电线状而并非薄的形状时，也可以在作为金属的催化剂200上有效地合成石墨烯。

作为选择性实施例，石英120可以设置在腔室100中。石英120可以保持腔室100的真空状态。

作为选择性实施例，石英120可以设置在热转换单元110和加热单元130之间。

接下来，通过使用真空泵(未示出)将腔室100中的气体通过减压单元(未示出)排出到外部。腔室100的内部可以具有低于大气压力的压力状态，例如，约数百托至约10^-6托。

如上所述，腔室100的内部可以通过石英120被保持在真空状态。

接下来，参考图2和图6，可以执行对供应辐射热的加热单元130进行加热的操作S30。

作为选择性实施例，加热单元130可以包括灯并可将辐射热供应到腔室100的内部。

热转换单元110的温度可以通过从加热单元130发出的辐射热来升高。

作为选择性实施例，热转换单元110可以包括黑体(石墨)，并且可以将辐射热转换为传导热。

当通过热转换单元110将辐射热转换为传导热时，可以容易地将热传递给位于热转换单元110的表面上的催化剂200，并且可以将催化剂200有效地加热至用于石墨烯合成的温度。换句话说，将腔室100的内部加热到用于石墨烯合成的足够温度。

催化剂200可以由金属形成，并且由于催化剂200具有高反射率，所以催化剂200可以反射由加热单元130供应的大部分辐射热。在这种情况下，由于催化剂200不容易被加热，可能需要长时间才能达到用于石墨烯合成的温度。

另外，当催化剂200被设置为与薄的形状不同的细长电线状时，用于接收热的面积减小，因此可能难以控制温度。

相反，在根据本实施例的石墨烯合成方法中，如上所述，由于热转换单元110将辐射热转换为传导热，并且热容易被传递到具有电线状并且位于热转换单元110的表面上的催化剂200，所以可以容易地控制温度。

接下来，参考图2和图6，可以执行通过气体供应单元140供应包含碳的气体(即，反应气体)的操作S50。

作为选择性实施例，可以供应甲烷(CH₄)气体作为包含碳的气体。

通过从腔室100的内部接收能量，包括碳的反应气体被分解成石墨烯合成所需的状态。

作为选择性实施例，当将甲烷(CH₄)气体用作反应气体时，甲烷(CH₄)气体在腔室100中离解成碳(C)和氢(H)。

当反应气体通过构成高温环境的腔室100的内部时，反应气体接触设置在热转换单元110外部的催化剂200的表面。由于在上述过程中分解的反应气体被经表面活化的催化剂200吸收，所以石墨烯晶体生长。

换句话说，随着石墨烯晶体在催化剂200的表面上生长，可以合成具有一定厚度的石墨烯涂层膜。

作为选择性实施例，如上所述，由于腔室100内部的温度在几秒至几分钟的较短时间内快速升高至足以用于石墨烯合成的温度，因此可以通过快速热CVD在作为金属的催化剂200的表面上沉积石墨烯涂层膜。

尽管在本实施例中，描述了在通过加热单元130和热转换单元110对催化剂200加热之后供应包含碳的气体的方法，但是本发明不限于此。

作为选择性实施例，通过在高温的腔室100内部在作为金属的催化剂200的表面上合成石墨烯之后将其冷却，可以将石墨烯涂层膜稳定化。

图8是根据本发明另一实施例的石墨烯合成方法的示意性流程图。在图8中，与图2和图6中的附图标记相同的附图标记表示相同的元件，并且为了简单起见，省略了对其的重复描述.

参考图8，首先，可以执行准备腔室100的操作S10，然后，可以执行注入气氛气体和/或非反应气体的清洁操作S20。

换句话说，可以通过气体供应单元140注入气氛气体，例如，诸如氦气或氩气的惰性气体和/或诸如氢气的非反应性气体以保持金属薄板的表面清洁。

接下来，通过依次执行加热操作S30和供应反应气体的供气操作S50，可以在催化剂200的金属表面上合成石墨烯。

虽然未在附图中示出，但是在制备腔室100的操作S10中，根据另一实施例的石墨烯合成方法还可以在腔室100中包括第一旋转单元400和第二旋转单元500。

作为选择性实施例，第一旋转单元400可以布置在热转换单元110的一侧，第二旋转单元500可以布置在热转换单元110的另一侧。换句话说，第一旋转单元400和第二旋转单元500可以相对于热转换单元110位于相对两侧。

第一旋转单元400和第二旋转单元500的结构和材料不受限制，并且可以针对两者采用能够围绕旋转轴旋转的任何结构和材料。第一旋转单元400和第二旋转单元500可以顺时针或逆时针旋转。

作为选择性实施例，在石墨烯合成之前的催化剂200可以布置成缠绕在第一旋转单元400周围。此外，在石墨烯合成之后的催化剂200'可以布置成缠绕在第二旋转单元500周围。

如上所述，可以在腔室100中执行加热操作S30和供气操作S50的同时执行装载操作，其中加热单元130、在表面上布置有催化剂200的热转换单元110、石英120、第一旋转单元400和第二旋转单元500布置在腔室100中。

在装载操作中，通过旋转第一旋转单元400和热转换单元110，将具有电线状并缠绕在第一旋转单元400周围的催化剂200移到热转换单元110。

换句话说，在将作为金属的催化剂200从第一旋转单元400移动到热转换单元110的同时，可以在作为金属的催化剂200的表面上合成石墨烯。

在这种情况下，由于连续供应新的催化剂200并在热转换单元110的表面上合成石墨烯，因此可以合成大量的石墨烯。

此外，可以在执行加热操作S30和供气操作S50的同时执行卸载操作。

在卸载操作中，通过旋转第二旋转单元500和热转换单元110，可以将在热转换单元110中合成有石墨烯的催化剂200'移到第二旋转单元500。

因此，由于合成有石墨烯的催化剂200'被从热转换单元110移离，所以新的催化剂200连续地被提供到热转换单元110的表面上以合成石墨烯，因此可以有效地合成大量石墨烯。

虽然以上示出并说明了本发明的优选实施例，但是本发明并限于上述特定的实施例，显然本领域普通技术人员能够在不脱离由所附权利要求限定的本发明的要点的情况下进行各种变形实施，且这些变形实施不应理解成独立于本发明的技术精神和展望。

Claims

1.一种石墨烯合成装置，包括：

腔室；

加热单元，其设置在所述腔室内；

热转换单元，其设置为比所述加热单元更靠近所述腔室的中心部分；和

催化剂，其设置在所述热转换单元的表面上，

其中所述催化剂由细长金属形成，并且其中所述催化剂具有电线状，且间隔地缠绕布置在所述热转换单元的表面上；

其中，所述热转换单元包括：

第一表面；

第二表面，其与所述第一表面相对；和

孔，其从所述第一表面贯穿到所述第二表面；

其中，所述热转换单元将来自所述加热单元的辐射热转换为传导热，并且

所述传导热被直接传递到被布置在所述热转换单元表面上的所述催化剂。

2.根据权利要求1所述的石墨烯合成装置，还包括设置在所述腔室中的石英，

其中所述石英布置在所述加热单元和所述热转换单元之间。

3.根据权利要求2所述的石墨烯合成装置，其中所述石英沿与地面垂直的方向或与所述地面平行的方向布置。

4.根据权利要求1所述的石墨烯合成装置，其中所述热转换单元包括石墨。

5.根据权利要求1所述的石墨烯合成装置，其中所述热转换单元具有圆柱形或矩形柱形。

6.根据权利要求1所述的石墨烯合成装置，其中在所述孔中设置有驱动单元，并且

所述驱动单元被配置为将所述热转换单元顺时针或逆时针旋转。

7.根据权利要求1所述的石墨烯合成装置，还包括：

第一旋转单元，其设置在所述热转换单元的一侧；和

第二旋转单元，其设置在所述热转换单元的另一侧。

8.根据权利要求7所述的石墨烯合成装置，其中在所述第一旋转单元的表面上缠绕布置有具有电线状的所述催化剂，并且

在所述第二旋转单元的表面上缠绕布置有供合成石墨烯的具有电线状的催化剂。

9.一种石墨烯合成方法，包括：

准备腔室，在所述腔室中包括热转换单元和加热单元，所述加热单元设置为比所述热转换单元更靠近边缘部分，其中，所述热转换单元包括：

第一表面；

第二表面，其与所述第一表面相对；和

孔，其从所述第一表面贯穿到所述第二表面；

通过从所述加热单元供应辐射热来进行加热；和

将反应气体供应到所述腔室的内部，

其中在所述热转换单元的表面上间隔地布置有由细长金属形成的催化剂，并且其中所述催化剂具有电线状；

其中，在进行所述加热之后，所述热转换单元将由所述加热单元供应的辐射热转换为传导热，以升高所述催化剂的温度。

10.根据权利要求9所述的石墨烯合成方法，还包括：在进行所述加热之前，通过注入气氛气体或非反应性气体进行清洗。

11.根据权利要求9所述的石墨烯合成方法，其中在所述腔室中还包括布置在所述加热单元和所述热转换单元之间的石英。

12.根据权利要求9所述的石墨烯合成方法，其中，在所述腔室中还包括设置在所述热转换单元的一侧的第一旋转单元和设置在所述热转换单元的另一侧的第二旋转单元。

13.根据权利要求12所述的石墨烯合成方法，还包括在进行所述加热和所述供应的同时将所述催化剂从所述第一旋转单元装载到所述热转换单元。

14.根据权利要求12所述的石墨烯合成方法，还包括在执行所述加热和所述供应的同时将位于所述热转换单元的表面上并且合成有石墨烯的催化剂卸载到所述第二旋转单元。