CN110255544A - 用于制造石墨烯的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于制造石墨烯的设备以及方法。所述方法包括：将固态铜熔化成铜熔液；接收铜熔液并使铜熔液在以幕帘方式向下流动时生成预设厚度和预设宽度的铜箔；在所生成的铜箔具有预设温度的预设位置处向铜箔供应生长石墨烯所需的各种气体，并通过化学气相沉积工艺在铜箔上生长石墨烯，从而形成石墨烯/铜箔叠层；支撑并载送石墨烯/铜箔叠层；以及接收所述石墨烯/铜箔叠层，并将石墨烯/铜箔叠层上的石墨烯转印到柔性衬底上。本发明的设备以及方法可避免在生长石墨烯之前清洗铜箔，并可利用铜熔液带来的高温来生长石墨烯，还可在生产线上同步进行铜箔的生成、石墨烯的生长和转印，从而有效降低制造成本、提高制造效率。

Description

用于制造石墨烯的设备及方法

技术领域

本发明涉及石墨烯制造领域，特别涉及用于制造石墨烯的设备及方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子依据六边形进行排布并相互连接而成的单层碳分子材料，其拥有超强的导电性、超高强度、超大比表面积，在半导体制造、新能源汽车、平板显示以及军用领域都有着巨大的应用前景。

但是现有技术中高品质的单层石墨烯通常是利用铜箔做催化剂在高温下在反应腔中生长石墨烯，其制作过程主要包括：对铜箔进行清洗处理，以去除铜箔表面的氧化层或其他不期望的杂质；将铜箔升温至800-1100℃；通入含碳的气体(包括甲烷、乙炔等)和氢气，并利用铜的催化能力在铜箔表面生长1到3个原子层的石墨烯；取出铜箔利用转印技术将石墨烯转移到柔性衬底上。

上述现有技术中的石墨烯制造方法在进入商业应用时成本很高，主要是由于以下原因：第一、目前的生产方法不是卷对卷的生产线产业化方法，铜箔在进入腔室加热到高温、生产石墨烯后进行冷却然后转印过程都是一片一片进行的，生长单层石墨烯的过程能耗非常高，生长节拍太慢；生长石墨烯成本太高。第二、铜箔在生长石墨烯前需要经过专门的化学处理以保证清洁的表面，导致工艺步骤增多。

因此，寻找一种步骤简单、成本较低且能适应生产线产业化的石墨烯的制造技术已成为业内亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明提出了一种用于制造石墨烯的设备，所述设备包括铜箔生成装置、石墨烯生长装置、支撑载送装置以及石墨烯转印装置；所述铜箔生成装置包括熔铜模块和铜箔生成模块；所述熔铜模块用于将固态铜熔化成铜熔液；所述铜箔生成模块用于从所述熔铜模块接收所述铜熔液并使所述铜熔液在以幕帘方式向下流动时生成预设厚度和预设宽度的铜箔；所述石墨烯生长装置用于在所生成的铜箔具有预设温度的预设位置处向所述铜箔供应生长石墨烯所需的各种气体，并通过化学气相沉积工艺在所述铜箔上生长石墨烯，从而形成石墨烯/铜箔叠层；所述支撑载送装置用于支撑所述石墨烯/铜箔叠层并将所述石墨烯/铜箔叠层载送至石墨烯转印装置；所述石墨烯转印装置用于接收由所述支撑载送装置所载送的所述石墨烯/铜箔叠层，并将所述石墨烯/铜箔叠层上的石墨烯转印到柔性衬底上。

在一实施例中，所述支撑载送装置包括支撑导向滚轮，所述支撑导向滚轮构造成支撑并载送所述石墨烯/铜箔叠层以防止所述石墨烯/铜箔叠层破裂。

在一实施例中，所述铜箔生成装置还包括温度控制器，所述温度控制器用于调节所述熔铜模块在其输出口输出的所述铜熔液的温度并控制所述铜熔液的粘滞系数，以便利用所述铜熔液的表面张力在所述铜熔液流出所述输出口并沿所述铜箔生成模块的下行流道以幕帘方式向下流动时形成所述铜箔。

在一实施例中，所述石墨烯生长装置包括反应腔、反应气体喷嘴以及生长控制装置；所述反应腔用于进行生长石墨烯的所述化学气相沉积工艺；所述反应气体喷嘴设置在所述反应腔中用于向所述铜箔的所述预设位置处喷射生长所述石墨烯所需的各种气体；所述生长控制装置用于通过控制所述反应腔的温度和压力以及由所述反应气体喷嘴喷出的各种气体的流量和压力来控制石墨烯生长；其中，生长所述石墨烯所需的各种气体包括甲烷、乙炔或乙烯中的任一种和氢气，所述铜熔液、所述铜箔、所述反应腔均处于真空或者氮气保护氛围中。

在一实施例中，所述铜箔的预设厚度在10-100微米的范围内，所述铜箔的预设宽度在0.1-2米的范围内，所述铜箔对应的所述预设温度在800-1000℃的范围内。

本发明还提供一种用于制造石墨烯的方法，所述方法包括：将固态铜熔化成铜熔液；接收所述铜熔液并使所述铜熔液在以幕帘方式向下流动时生成预设厚度和预设宽度的铜箔；在所生成的铜箔具有预设温度的预设位置处向所述铜箔供应生长石墨烯所需的各种气体并通过化学气相沉积工艺在所述铜箔上生长石墨烯，从而形成石墨烯/铜箔叠层；支撑并载送所述石墨烯/铜箔叠层；以及接收所述石墨烯/铜箔叠层，并将所述石墨烯/铜箔叠层上的石墨烯转印到柔性衬底上。

在一实施例中，通过支撑载送装置支撑并载送所述石墨烯/铜箔叠层，其中所述支撑载送装置包括支撑导向滚轮，所述支撑导向滚轮构造成支撑并载送所述石墨烯/铜箔叠层以防止所述石墨烯/铜箔叠层破裂。

在一实施例中，所述方法还包括：调节所述铜熔液的温度并控制所述铜熔液的粘滞系数，以便利用所述铜熔液的表面张力在所述铜熔液沿下行流道以幕帘方式向下流动时形成所述铜箔。

在一实施例中，通过石墨烯生长装置在所述铜箔上生长所述石墨烯，所述石墨烯生长装置包括用于进行生长石墨烯的所述化学气相沉积工艺的反应腔、设置在所述反应腔中用于向所述铜箔的所述预设位置处喷射生长所述石墨烯所需的各种气体的反应气体喷嘴以及用于通过控制所述反应腔的温度和压力以及由所述反应气体喷嘴喷出的各种气体的流量和压力来控制石墨烯生长的生长控制装置，其中生长所述石墨烯所需的各种气体包括甲烷、乙炔或乙烯中的任一种和氢气，所述铜熔液、所述铜箔、所述反应腔均处于真空或者氮气保护氛围中。

在一实施例中，所述铜箔的预设厚度在10-100微米的范围内，所述铜箔的预设宽度在0.1-2米的范围内，所述铜箔对应的所述预设温度在800-1000℃的范围内。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的用于制造石墨烯的设备和方法无需在生长石墨烯之前清洗铜箔，可直接从铜熔液里获得具备最清洁表面的铜箔；本发明可直接利用铜熔液带来的高温生长石墨烯，从而节约能源和降低制造成本；本发明还可在生产线上同步进行铜箔的生成、石墨烯的生长和转印，从而有效降低制造成本、提高制造效率。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1为本发明的用于制造石墨烯的设备的实施例的组成结构示意图；

图2为本发明的用于制造石墨烯的方法的实施例的流程图。

具体实施方案

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。除非上下文明确地另外指明，否则单数形式“一”和“所述”包括复数指代物。

参见图1，其显示了本发明的用于制造石墨烯的设备的实施例的组成结构示意图，用于制造石墨烯的设备1包括铜箔生成装置2、石墨烯生长装置3、支撑载送装置4和石墨烯转印装置5。为简化图示及说明，图1中并没有图示与设备1的各部件相关联的支撑平台或结构。

铜箔生成装置2包括熔铜模块20和铜箔生成模块22，熔铜模块20用于将固态铜熔化成铜熔液，熔铜模块20包括用于输出铜熔液的输出口200，输出口200可与所需生成的铜箔的宽度和厚度相对应，例如输出口200的宽度范围为0.1-2米，高度范围为1-5厘米，在输出口200处输出的铜熔液的宽度与输出口200的宽度相一致，并且铜熔液的流速为0.1-10毫米/秒，深度为10-100微米。熔铜模块20例如为铜熔炉，所述铜熔炉可形成温度高达1200-1400℃左右的铜熔液。所述铜熔液处于真空或者氮气保护氛围中。

铜箔生成模块22用于从熔铜模块20的输出口200接收温度范围为1150-1250℃的铜熔液，并使铜熔液在以幕帘方式向下流动时生成预设厚度和预设宽度的铜箔，铜箔生成模块22可包括或构造成用于供流出输出口200的铜熔液流经并发生由液态向固态转化形成铜箔10的下行流道。所述下行流道可构造成具有倾斜角为60-90度并由石英等耐高温材料制成的倾斜板材，所述倾斜板材上可开设容纳铜熔液流动的凹槽。在其他实施例中，也可以不设置专门的下行流道，而仅仅依赖铜熔液自身的重力来形成铜熔液幕帘从而在其向下流动的过程中冷却形成铜箔。在一实施例中，铜箔的预设厚度在10-100微米的范围内，铜箔的预设宽度在0.1-2米的范围内，铜箔的预设厚度和预设宽度仅是示例性的，并非以此为限，其也可根据实际情形进行调整。

铜箔生成装置2还包括温度控制器(未图示)，所述温度控制器可用于调节熔铜模块20内的铜熔液的温度，还特别用于调节熔铜模块20在其输出口200输出的铜熔液的温度(例如将输出口200输出的铜熔液的温度调节成在1150-1250℃的范围内，更具体地可调节为1200℃)并控制所述铜熔液的粘滞系数，以便利用铜熔液的表面张力在铜熔液流出输出口200并沿铜箔生成模块22的下行流道以幕帘方式向下流动时形成铜箔10。

石墨烯生长装置3用于在所形成铜箔10的具有预设温度的预设位置处向铜箔10供应生长石墨烯所需的各种气体，并通过化学气相沉积工艺在铜箔10上生长石墨烯，从而形成石墨烯/铜箔叠层12。在一实施例中，所述铜箔的所述预设温度在800-1000℃的范围内。生长所述石墨烯所需的各种气体包括甲烷、乙炔或乙烯中的任一种和氢气。在一实施例中，可使用甲烷和氢气生长石墨烯。

继续参见图1，石墨烯生长装置3包括用于进行化学气相沉积工艺以生长石墨烯的反应腔30、设置在反应腔30中用于向铜箔10喷射生长石墨烯所需的各种气体的反应气体喷嘴32以及用于通过控制反应腔30的温度和压力以及由反应气体喷嘴32喷出的各种气体的流量和压力来控制石墨烯生长的生长控制装置(未图示)，生长控制装置可集成到与用于制造石墨烯的设备1整体的整体工控系统，也可与所述设备1的其他部分的控制模块相独立。反应腔30处于真空或者氮气保护氛围中。在一实施例中，反应腔30在生长石墨烯时处于120-300℃的温度范围内。

支撑载送装置4用于接收石墨烯/铜箔叠层22并将石墨烯/铜箔叠层22载送至石墨烯转印装置5；支撑载送装置4包括多个支撑导向滚轮40，通过设计支撑导向滚轮40的数量、分布、距离输出口200的高度及支撑面积等使得支撑导向滚轮40构造成支撑并载送石墨烯/铜箔叠层12以防止石墨烯/铜箔叠层12破裂。

石墨烯转印装置5利用物理工艺或者化学工艺将石墨烯/铜箔叠层22上的石墨烯转印到柔性衬底上，所述柔性衬底例如为聚酰亚胺衬底等。石墨烯转印装置5包括贴合模块(未图示)，贴合模块用于将石墨烯/铜箔叠层22贴合在柔性衬底上(例如通过管对卷的方式)形成柔性衬底/石墨烯/铜箔结构，石墨烯转印装置5还可包括铜蚀刻槽和清洗槽，所述柔性衬底/石墨烯/铜箔结构(以管对卷的方式)依次通过铜蚀刻槽和清洗槽，可以获得清洁的石墨烯/柔性衬底的结构，石墨烯转印装置5还可设置将所获得的清洁的石墨烯/柔性衬底缠绕成卷的装置。当铜蚀刻槽中的铜离子浓度达到目标值时，可以置换新的蚀刻熔液，而旧的含有铜离子的蚀刻熔液可以通过金属活性较强的Al或者Fe把铜置换出来，从而实现铜回收。

参见图2，其示出了本发明的用于制造石墨烯的方法的实施例的流程图。如图2所示的方法60包括步骤S610，将固态铜熔化成铜熔液。在一实施例中，步骤S610可在图1所示的可为铜熔炉的熔铜模块20中进行，所述铜熔炉可形成温度高达1200-1400℃左右的铜熔液，更具体地可形成温度为1400℃左右的铜熔液。所述铜熔液处于真空或者氮气保护氛围中。

所述方法60还包括步骤S620，接收所述铜熔液并使所述铜熔液在以幕帘方式向下流动时生成预设厚度和预设宽度的铜箔。在一实施例中，步骤S620具体可包括调节铜熔液的温度特别是调节图1中所示的熔铜模块20的输出口200输出的铜熔液的温度，并控制所述铜熔液的粘滞系数，以便利用所述铜熔液的表面张力在所述铜熔液流出输出口200并沿如图1所示的下行流道以幕帘方式向下流动时形成所述铜箔。在一实施例中，所述铜箔的预设厚度在10-100微米的范围内，所述铜箔的预设宽度在0.1-2米的范围内。所述铜箔的预设厚度和预设宽度均为示例性的，在其他实施例中，所述铜箔的预设厚度和预设宽度可根据实际状况进行调整。

所述方法60还包括步骤S630，在所形成铜箔上确定具有预设温度的预设位置，并在所述预设位置处向所述铜箔供应生长石墨烯所需的各种气体。在一实施例中，所述铜箔对应的所述预设温度在800-1000℃的范围内，所述预设温度适合石墨烯的生长，从而可直接利用来自铜熔液的热量直接生长石墨烯，无需再借助其他加热装置提供额外的热量。

在一实施中，可通过如图1所示的石墨烯生长装置3来在铜箔上生长石墨烯，步骤S630中可通过图1中的设置在反应腔30中的反应气体喷嘴32向所述铜箔10的所述预设位置处喷射生长所述石墨烯所需的各种气体，生长所述石墨烯所需的各种气体包括甲烷、乙炔或乙烯中等适于生长石墨烯的含碳气体和氢气，所述反应气体喷嘴32喷射的各种气体的流量和压力与石墨烯生长需求相适应。

所述方法60还包括步骤S640，进行化学气相沉积工艺在所述铜箔上生长石墨烯，从而形成石墨烯/铜箔叠层。在一实施例中，步骤S640在如图1所示的石墨烯生长装置3的反应腔30中进行，由石墨烯生长装置3所包括的生长控制装置控制反应腔30的温度和压力以及由反应气体喷嘴32喷出的各种气体的流量和压力来控制石墨烯生长，所述铜熔液、所述铜箔、所述反应腔均处于真空或者氮气保护氛围中。

所述方法60还包括步骤S650，支撑并载送所述石墨烯/铜箔叠层。在一实施例中，通过支撑载送装置支撑并载送所述石墨烯/铜箔叠层，其中所述支撑载送装置包括支撑导向滚轮，所述支撑导向滚轮构造成支撑所述石墨烯/铜箔叠层以防止所述石墨烯/铜箔叠层破裂。

所述方法60还包括步骤S660，接收所述石墨烯/铜箔叠层，并利用物理工艺或者化学工艺将所述石墨烯/铜箔叠层上的所述石墨烯转印到柔性衬底上。在一实施例中，步骤S660可通过如图1所示的石墨烯转印装置5来进行，具体通过其贴合模块将石墨烯/铜箔叠层贴合在柔性衬底上(例如通过管对卷的方式)而形成柔性衬底/石墨烯/铜箔结构，然后将所述柔性衬底/石墨烯/铜箔结构(以管对卷的方式)依次通过石墨烯转印装置5的铜蚀刻槽和清洗槽，从而获得清洁的石墨烯/柔性衬底的结构。当铜蚀刻槽中的铜离子浓度达到目标值时，可以置换新的蚀刻熔液，而旧的含有铜离子的蚀刻熔液可以通过金属活性较强的Al或者Fe把铜置换出来，从而实现铜回收。

本发明的用于制造石墨烯的设备以及方法无需在生长石墨烯之前清洗铜箔，可直接从铜熔液里获得具备最清洁表面的铜箔；本发明可直接利用铜熔液带来的高温生长石墨烯，从而节约能源和降低制造成本；本发明还可在生产线上同步进行铜箔的生成、石墨烯的生长和转印，从而有效降低制造成本、提高制造效率。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (10)

1.一种用于制造石墨烯的设备，所述设备包括：

铜箔生成装置，其包括：

熔铜模块，其用于将固态铜熔化成铜熔液；以及

铜箔生成模块，其用于从所述熔铜模块接收所述铜熔液并使所述铜熔液在以幕帘方式向下流动时生成预设厚度和预设宽度的铜箔；

石墨烯生长装置，其用于在所生成的铜箔具有预设温度的预设位置处向所述铜箔供应生长石墨烯所需的各种气体，并通过化学气相沉积工艺在所述铜箔上生长石墨烯，从而形成石墨烯/铜箔叠层；

支撑载送装置，其用于支撑所述石墨烯/铜箔叠层并将所述石墨烯/铜箔叠层载送至石墨烯转印装置；以及

所述石墨烯转印装置，其用于接收由所述支撑载送装置所载送的所述石墨烯/铜箔叠层，并将所述石墨烯/铜箔叠层上的石墨烯转印到柔性衬底上。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述支撑载送装置包括支撑导向滚轮，所述支撑导向滚轮构造成支撑并载送所述石墨烯/铜箔叠层以防止所述石墨烯/铜箔叠层破裂。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述铜箔生成装置还包括温度控制器，所述温度控制器用于调节所述熔铜模块在其输出口输出的所述铜熔液的温度并控制所述铜熔液的粘滞系数，以便利用所述铜熔液的表面张力在所述铜熔液流出所述输出口并沿所述铜箔生成模块的下行流道以幕帘方式向下流动时形成所述铜箔。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述石墨烯生长装置包括：

反应腔，其用于进行生长石墨烯的所述化学气相沉积工艺；

反应气体喷嘴，其设置在所述反应腔中用于向所述铜箔的所述预设位置处喷射生长所述石墨烯所需的各种气体；以及

生长控制装置，其用于通过控制所述反应腔的温度和压力以及由所述反应气体喷嘴喷出的各种气体的流量和压力来控制石墨烯生长；

其中，生长所述石墨烯所需的各种气体包括甲烷、乙炔或乙烯中的任一种和氢气，所述铜熔液、所述铜箔、所述反应腔均处于真空或者氮气保护氛围中。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述铜箔的预设厚度在10-100微米的范围内，所述铜箔的预设宽度在0.1-2米的范围内，所述铜箔对应的所述预设温度在800-1000℃的范围内。

6.一种用于制造石墨烯的方法，所述方法包括：

将固态铜熔化成铜熔液；

接收所述铜熔液并使所述铜熔液在以幕帘方式向下流动时生成预设厚度和预设宽度的铜箔；

在所生成的铜箔具有预设温度的预设位置处向所述铜箔供应生长石墨烯所需的各种气体，并通过化学气相沉积工艺在所述铜箔上生长石墨烯，从而形成石墨烯/铜箔叠层；

支撑并载送所述石墨烯/铜箔叠层；以及

接收所述石墨烯/铜箔叠层，并将所述石墨烯/铜箔叠层上的石墨烯转印到柔性衬底上。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过支撑载送装置支撑并载送所述石墨烯/铜箔叠层，其中所述支撑载送装置包括支撑导向滚轮，所述支撑导向滚轮构造成支撑并载送所述石墨烯/铜箔叠层以防止所述石墨烯/铜箔叠层破裂。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：调节所述铜熔液的温度并控制所述铜熔液的粘滞系数，以便利用所述铜熔液的表面张力在所述铜熔液沿下行流道以幕帘方式向下流动时形成所述铜箔。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过石墨烯生长装置在所述铜箔上生长所述石墨烯，所述石墨烯生长装置包括用于进行生长石墨烯的所述化学气相沉积工艺的反应腔、设置在所述反应腔中用于向所述铜箔的所述预设位置处喷射生长所述石墨烯所需的各种气体的反应气体喷嘴以及用于通过控制所述反应腔的温度和压力以及由所述反应气体喷嘴喷出的各种气体的流量和压力来控制石墨烯生长的生长控制装置，其中生长所述石墨烯所需的各种气体包括甲烷、乙炔或乙烯中的任一种和氢气，所述铜熔液、所述铜箔、所述反应腔均处于真空或者氮气保护氛围中。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述铜箔的预设厚度在10-100微米的范围内，所述铜箔的预设宽度在0.1-2米的范围内，所述铜箔对应的所述预设温度在800-1000℃的范围内。