CN113382960A

CN113382960A - 用于在基底上制造石墨烯层的系统和方法

Info

Publication number: CN113382960A
Application number: CN202080008619.0A
Authority: CN
Inventors: 菲利普·萨里
Original assignee: 280 Co
Current assignee: 280 Co
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2021-09-10
Also published as: WO2020187896A1; EP3894353A1; US20220098042A1

Abstract

提供了一种用于在基底(104，204)上制造石墨烯层(212)的制造方法，该制造方法包括以下步骤：提供压力在0.5‑2巴范围内的用于化学气相沉积的气体环境，该气体环境具有一定比例的氢气、第一惰性气体和第二气体的组成；将基底预加热至第一温度；将基底的第一区域加热到第二温度，第二温度高于第一温度，其中，第一区域具有小于1毫米的第一宽度；使得通过化学气相沉积在第一区域上形成石墨烯层；使第一区域冷却；以及重复上述步骤以在基底上形成石墨烯层。

Description

用于在基底上制造石墨烯层的系统和方法

技术领域

本公开总体涉及石墨烯材料；更具体地说，涉及一种用于在基底上制造石墨烯层的系统和方法。

背景技术

石墨烯是一种碳的同素异形体，石墨烯以碳原子排列在六方晶格上的平面二维片存在，类似于蜂窝状结构。自从发现石墨烯并且认识到其独特的光电性能以来，利用各种石墨烯生产技术对石墨烯材料的生产取得了迅速的进展，以使得石墨烯能够应用于商业应用。由于石墨烯优越的光学、热学和电学性能，石墨烯越来越多地被用作半导体材料以取代传统使用的硅和锗。石墨烯有可能用于电子工业的新型应用领域，如智能手机屏幕和电动汽车。此外，石墨烯的多功能性使其适用于从电子学到光学、传感器和生物装置的广泛的应用领域。

石墨烯的制备方法多种多样，例如，微机械剥离、化学剥离、碳化硅外延生长、化学气相沉积等。由于通过化学气相沉积的方法制备的石墨烯质量比通过其他方法制备的石墨烯质量相对较高，化学气相沉积是一种被广泛采用的方法。然而，因为现有的化学气相沉积方法是在低压条件下进行的(例如为0.0001bar)，使用现有的化学气相沉积方法的生长速率相当小。在用于在基底顶部形成石墨烯的现有的化学气相沉积方法中，石墨烯的生长被限制于小的簇或岛。此外，这种化学气相沉积方法不适合于制造具有均匀厚度的石墨烯片。具有非均匀表面的石墨烯片在例如电阻、透射率的性能上表现出变化，并因此不适合用于电子应用。

具有大的横向尺寸的石墨烯片在许多光电和生物医学应用领域中的应用是理想的，并且由于石墨烯片横跨多个应用领域的工业适用性，对石墨烯片的需求正在增加。现有的方法缺乏连续生产关于物理性质和电学性质没有差异的、大的均匀的石墨烯片的能力。此外，由于石墨烯在基底上的生长速度慢，现有的方法不具备大规模生产石墨烯材料的能力。

因此，鉴于本领域中存在的上述挑战，存在需要解决并优选克服现有的已知方法中的上述缺陷，以使用化学气相沉积在基底上制造大的均匀的石墨烯层，而不改变石墨烯层的物理性质和电性质。

发明内容

本公开寻求提供一种用于在基底上制造石墨烯层的方法和系统。在一方面，本公开的实施例提供了一种用于在基底上制造石墨烯层的方法，包括以下步骤：

-提供压力在0.5-2巴范围内的用于化学气相沉积的气体环境，该气体环境具有以下气体的组成：

-氢气，

-第一气体，其中，第一气体在化学气相沉积条件下是惰性的，以及

-第二气体，

其中，氢气/第二气体的气体比为从1:1至100:1，第一气体的分压力为总气体压力的75％-90％，并且第二气体和氢气的混合物的分压力为总气体压力的10％-25％，

-将基底预加热到第一温度；

-将基底的第一区域加热到第二温度，第二温度高于第一温度，其中，第一区域具有小于1毫米的第一宽度；

-使得通过化学气相沉积在第一区域上形成石墨烯层；

-使第一区域冷却；

-将基底的第二区域加热到第二温度，其中，第二区域与第一区域相邻；

-使得通过化学气相沉积在第二区域上形成石墨烯层，其中，第二区域具有小于1mm的第二宽度；以及

-使第二区域冷却。

在另一方面，本公开的实施例提供了一种用于在基底上制造石墨烯层的系统，该系统包括

-生长腔室，生长腔室用于提供具有0.5-2bar的压力范围的用于化学气相沉积的气体环境，

-在涂覆之前用于基底的第一辊子，

-第一加热装置，第一加热装置用于将未被涂覆的基底加热到第一温度；

-第二加热装置，第二加热装置用于将在反应区中的基底的一区域加热到第二温度，以通过化学气相沉积在基底的该区域上形成石墨烯层，第二温度高于第一温度，其中，该区域具有小于1mm的宽度，

-第二辊子，第二辊子用于接收涂覆有石墨烯层的基底，以及

-用于将基底从第一辊子转移到反应区以及从反应区转移到第二辊子的装置。

本公开的实施例基本上消除了、或至少部分地解决了现有已知方法中的上述缺点，以使用化学气相沉积在基底上制造大的均匀的石墨烯层，而不改变石墨烯陈个的物理和电性质。

根据附图和结合所附权利要求解释的说明性实施例的详细说明，本公开的其他方面、优点、特征和目的将变得显而易见。

应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，本公开的特征易于以各种不同的组合方式进行组合。

附图说明

当结合附图进行阅读时，上文的发明内容以及下文的说明性实施例的详细说明被更好地理解。出于说明本公开的目的，在附图中示出了本公开的示例性构造。然而，本公开不限于本文中所公开的特定的方法和手段。此外，本领域技术人员应当理解附图不是按比例绘制的。在任何可能的情况下，相似的元件用相同的数字来表示。

现在将参照以下附图仅以示例的方式来描述本公开的实施例，其中：

图1是根据本公开的实施例的系统的示意图；

图2是根据本公开的实施例的在基底上形成石墨烯层的系统的示意图；

图3是示出根据本公开的实施例的用于在基底上制造石墨烯层的方法的步骤的流程图，以及

图4A和图4B是根据本公开的实施例的在基底上形成石墨烯层的步骤的示意图。

在附图中，加下划线的数字用于表示加下划线的数字所在的项目或与加下划线的数字相邻的项目。未加下划线的数字涉及由将未加下划线的数字链接到项目的线所标识的项目。当数字未加下划线并且伴随有相关联的箭头时，未加下划线的数字用于标识箭头所指向的通用项目。

具体实施方式

以下详细描述示出了本公开的实施例和可实施本公开的实施例的方式。虽然已经公开了执行本公开的一些方式，但是本领域技术人员应当意识到，用于执行或实行本公开的其它的实施例也是可行的。

在一方面，本公开的实施例提供了一种用于在基底上制造石墨烯层的方法，包括以下步骤：

-提供压力在0.5-2巴范围内的用于化学气相沉积的气体环境，该气体环境具有以下组成：

-氢气，

-第二气体，

-将基底预加热到第一温度；

-使得通过化学气相沉积在第一区域上形成石墨烯层；

-使第一区域冷却；

-使第二区域冷却。

该方法在基底上产生均匀的石墨烯层。使用本方法制造的石墨烯层具有均匀的物理性能，例如石墨烯的高导电性、高抗拉强度和高的表面积与体积比。实际上，虽然上述方法的描述仅提及第一区域和第二区域，典型地，重复该方法n次，直到获得足够尺寸的被涂覆的基底。本方法基于石墨烯层一次在小尺寸区域上的生长，即在具有小于1毫米的宽度的区域中的生长，这也可以定义为石墨烯的“逐线”生长。这使得能够在0.5-2巴的压力范围内实施化学气相沉积，这比先前使用在低压条件(例如0.0001巴)下进行化学气相沉积的方法高出几个数量级。0.5-2巴的压力范围增加了石墨烯层在基底上的生长速率。术语“均匀”意味着具有小于+/-10％的均匀性变化，并且可选地，在石墨烯层的物理性质中具有小于+/-3％的均匀性变化。

第一气体在化学气相沉积条件下是惰性的。第一气体可以通过增加石墨烯在基底上的沉积速率来作为共催化剂(co-catalyst)，通过增强表面反应速率来增加石墨烯在基底上的沉积速率。可以选择第一气体和第二气体的分压力条件，以生产适合于多种应用的具有理想的成核密度和区域尺寸(domain size)的石墨烯层。通过本方法制造的石墨烯层可用于制造能够用于光电装置、电动汽车、生物医疗装置等中的透明电极。

气体环境具有至少三种不同气体的组成，即氢气、惰性的第一气体和第二气体，第二气体形成碳源。下面给出了第二气体的一些例子。在组成中，氢气/

第二气体的气体比为从1:1至100:1，第一气体的分压力为总气体压力的75％-90％，并且第二气体和氢气的混合物的分压力为总气体压力的10％-25％。

实际上，第一气体的分压力可以从总气体压力的75％、77％、79％、80％、83％、85％或88％到总气体压力的79％、80％、83％、85％、88％或90％。第二气体和氢气的混合物的分压力可以从总气体压力的10％、12％、14％、16％、17％、18％、20％、21％、22％或23％到总气体压力的12％、14％、16％、17％、18％、20％、21％、22％、23％、24％或25％。氢气/第二气体的气体比可以从1:1、2:1、5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、30:1、35:1、40:1、45:1、50:1、55:1、60:1、65:1、70:1、75:1或80:1到5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、30:1、35:1、40:1、45:1、50:1、55:1、60:1、65:1、70:1、75:1、80:1、85:1、90:1、95:1或100:1。在另一个实施例中，氢气的分压力可以是总气体压力的7.5％-17％，即，例如从总气体压力的7.5％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％或15％到9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％或17％。类似地，第二气体的分压力可以是总气体压力的2.5％-8％，即，从总气体压力的2.5％、3％、4％、5％、6％或7％到4％、5％、6％、7％或8％。选择分压力以提高石墨烯层的生长速率，并帮助形成石墨烯晶粒的六边形形状，而没有不规则结构。

当使用15w和450nm的蓝光激光器时，一个特别合适的参数组合是：第一温度为800℃-870℃，第二温度小于1100℃，激光扫描速度为1.4cm/s至2cm/s，并且H₂的气体分压力为总气体压力的13％-15％，第二气体的气体分压力为总气体压力的4％-6％，第一气体的气体分压力为总气体压力的79％-83％。

石墨烯的“逐线”生长，从第一区域开始，然后是相邻的第二区域，并且进一步地在基底上的具有<1mm的第一区域和第二区域使得能够以快的速率生长大的石墨烯层。当第二(以及另外的)区域被加热到第二温度并因此石墨烯层在该区域上生长时，使得第一(和前面的)区域冷却，即该方法是连续的。以间歇的方式运行该方法当然也是可能的，但是因为连续的方法的效率而优选连续的方法。

在基底上的第一区域上形成石墨烯层之后的冷却过程有利于蚀刻弱形成的碳键，从而有助于保持所形成的石墨烯层的完整性。冷却可以通过简单地使涂覆后的基底冷却来进行，或者可以使用冷却装置(例如风扇)来加速和/或调节冷却。

在实施例中，第二气体选自由烷烃、芳香族化合物(aromatic)、烯属烃基(alkylene)、酮、醚、酯、醇、醛、苯酚和有机酸组成的群组。在实施例中，第二气体具有碳源并包含碳。因此，根据实施例，第二气体是选自由甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔、丙炔、苯、萘和蒽组成的群组的碳源气体。碳源气体在化学气相沉积反应条件下在生长腔室中分解以产生用于形成石墨烯层的纯碳原子。

根据另一个实施例，第一气体选自由氢、氩、氙、氦和氮组成的群组。第一气体可作为用于形成表面结合碳的共催化剂，并且第一气体还可用于通过蚀刻除去弱碳键来控制石墨烯的晶粒形状和尺寸。

根据又一实施例，第一温度在500℃至900℃的范围内。在第一温度下预加热基底，并且该预加热为石墨烯的形成准备基底。第一温度可以是从500℃、520℃、550℃、570℃、600℃、620℃、650℃、680℃、700℃、720℃、750℃、780℃、800℃、820℃、850℃或870℃到550℃、570℃、600℃、620℃、650℃、680℃、700℃、720℃、750℃、780℃、800℃、820℃、850℃、870℃、880℃或900℃。

根据又一实施例，第二温度在750℃至1200℃的范围内，假如即使当第一温度在750℃至900℃之间时，第二温度也高于第一温度。比第一温度高的第二温度通过化学气相沉积引起了石墨烯的形成。第二温度可以是从750℃、770℃、800℃、820℃、850℃、880℃、900℃、920℃、950℃、970℃、1000℃、1050℃、1080℃、1100℃或1120℃到800℃、820℃、850℃、880℃、950℃、970℃、1000℃、1050℃、1080℃、1100℃、1020℃、1150℃、1180℃或1200℃。

实际上，第二温度T2高于第一温度T1，典型地至少高20℃或30℃。实际上，选择第一温度T1使得几乎达到在基底上形成石墨烯的条件(该条件除了取决于温度外，还取决于气体的分压力等)。预加热后，将基底加热至第二温度T2，在第二温度下，在基底上形成石墨烯。

根据实施例，基底选自由镍、钴、铁、铂、金、铝、铬、铜、镁、锰、钼、铑、硅、钽、钛、钨、铀、钒、锆、黄铜、青铜和不锈钢组成的群组。基底可以是任何合适的形式，但优选为片状的形式，并且最优选地具有0.01mm-0.5mm的厚度。

根据又一实施例，基底为连续的带的形式。当将该方法应用到第一区域上并且此后依次连续地重复应用到每个相邻的区域上时，就形成了连续的被涂覆的基底带。在一个实施例中，第一区域和每个相邻的区域是矩形的形式，矩形的长度取决于基底的宽度，并且矩形的宽度小于1mm。基底的宽度基本上可以由生长腔室的尺寸任意限制。作为示例，基底的宽度可以从例如1cm至10cm、50cm、100cm或更大的任何合适的范围中选择。作为示例，第一区域因此可以是例如50cm的长度和小于1mm的宽度。在另一实施例中，第一区域和每个相邻的区域的形状为圆形，具有小于1mm的直径。

根据又一实施例，基底的第一区域的第一宽度(W1)和基底的第二区域的第二宽度(W2)基本上相同。第一宽度和第二宽度也可以独立地从低于1mm的任何合适的范围中选择，例如从0.001mm、0.005mm、0.01mm、0.025mm、0.05mm、0.07mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm或0.8mm到0.01mm、0.025mm、0.05mm、0.07mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或0.95mm选择。

在实施例中，在使基底经受化学气相沉积之前，基底在900℃至1100℃范围内的温度下被清洗。在另一实施例中，基底在大于1100℃的温度下清洗。

-生长腔室，生长腔室用于提供具有0.5-2巴的压力范围的用于化学气相沉积的气体环境，

-在涂覆之前用于基底的第一辊子，

-第二辊子，第二辊子用于接收涂覆有石墨烯层的基底，以及

如上所述用于该方法的相同的实施例和变型比照适用于该系统。

基底作为用于制造石墨烯层的催化剂。由于起催化作用的基底对碳氢化合物气体源的催化活性，起催化作用的基底有助于在大面积上生长连续的高质量石墨烯层。因此，当气体混合物与起催化作用的基底的上表面相互作用时，在基底的顶部形成石墨烯层。

根据实施例，第一加热装置和第二加热装置独立地选自由电阻式装置、电磁式装置和感应式加热装置组成的群组。在一个实施例中，通过在第一辊子和第二辊子之间施加电流来预加热基底，即，第一加热装置是基于电的。在又一实施例中，第一加热装置和第二加热装置独立地选自感应加热器、蓝光激光加热器和红外激光加热器。因此，在一个实施例中，加热装置包括红外激光源。在另一个实施例中，热量由发射红外光束的激光器件产生。在又一实施例中，使用450nm的蓝色激光器作为第二加热装置。

在实施例中，加热装置设置在生长腔室外部以提高系统的安全性。来自加热装置的热量可以通过光纤例如光缆传输到生长腔室以加热基底。替代地，来自加热装置的热量可以通过窗口提供。

根据实施例，该系统还包括用于对涂覆有石墨烯层的基底进行冷却的装置。这种装置可以是任何合适的冷却装置，例如风扇或热交换器。

在实施例中，第一区域可以是矩形的形式，矩形的长度取决于基底的宽度。具有不超过1mm的宽度的石墨烯层导致小尺寸的生长，这使得能够使用0.5巴至2巴范围内的压力，并且提高了石墨烯层的生长速率。石墨烯层因此“逐线”地形成，以形成大的均匀的石墨烯层。在另一实施例中，基底的第一区域和第二区域的尺寸被确定为任何任意的形式，并且可以不限于特定的明确限定的几何形状，如矩形或圆。

作为“逐线”生长石墨烯的示例，通过用激光扫描基底的表面以便以受控的方式将基底的第一区域加热到第二温度来生长石墨烯层。由于基底表面被激光加热，碳源气体在被激光加热的区域中分解。实际上，在所述加热区域中形成化学气相沉积反应条件，以产生用于形成石墨烯层的纯碳原子。在实施例中，使用红外激光器或蓝光激光器来加热表面。优选地，光束从生长发生的同一侧引导到表面。扫描可以是对表面的连续扫描，以在该方法结束时形成大的均匀的区域。在生长过程中，基底可以被构造成在扫描期间移动。替代地，基底可以是固定不动的，并且激光器可以被构造成扫描表面。进一步地，基底可以被构造成移动，并且激光器可以被构造成同时进行扫描。作为扫描的替代方案，激光束可以被布置为带，带的尺寸被设定为宽度小于1mm、但长度例如与石墨烯层的基底的宽度或石墨烯层的目标宽度相同。

作为逐线地生长的替代方案，加热可以布置成点，即逐点地生长。每个点将紧挨着相邻的前一个点，以实现大面积地生长。

在实施例中，从第一辊子，基底没有被涂覆，并且包含石墨烯层的基底、即被涂覆的基底由第二辊子收集。因此，基底通过以辊子到辊子的方式布置在生长腔室中的石墨烯沉积区域中，该石墨烯沉积区域沿着从第一辊子到第二辊子的基底移动方向横向延伸。第一辊子和第二辊子可以沿逆时针方向旋转。

在实施例中，使用第一辊子移动待加热的基底的第一区域或第二区域，以改变被加热的区域及该被加热的区域相对于第二加热装置的位置，第二加热装置保持固定不动。在另一个实施例中，第二加热装置被布置成移动而基底保持固定不动。

在实施例中，该系统包括多个腔室，基底移动通过多个腔室以产生石墨烯层。因此，将起催化作用的基底从第一腔室提供到第二腔室中。第二腔室是化学气相沉积腔室，优选地，第二腔室包括用于使来自第一腔室的起催化作用的基底连续流入的入口，和用于使具有新形成的石墨烯层的起催化作用的基底连续流出的出口。具有新形成的石墨烯层的起催化作用的基底被收集在第三腔室中。

在实施例中，系统包括冷却腔室，冷却腔室仅包含惰性气体，惰性气体在化学气相沉积条件下是惰性的，惰性气体不含碳，用于在基底上形成石墨烯层之后冷却基底。

在实施例中，该系统还包括用于清洗和预加热基底的前腔室。该系统还可以包括两个以上的辊子(例如三、四、五或六个辊子)，辊子将基底用电馈送入生长腔室。因此，能够同时送入例如两条、三条或四条平行的基底带并涂覆这些基底带。

因此，本系统的优点与以上结合本方法的公开的优点相同，并且以上结合本方法列出的实施例比照适用于本系统。

实验部分

石墨烯层的制造如下。

反应器总压力保持在正常大气压，即约1,013巴。在所有测试中，其上制造有石墨烯层的基底(由铜制成)的宽度为15mm，基底的厚度为0.01mm。测试不同的第一温度，即预加热温度T1，预加热温度T1的范围从550℃到870℃，如下表1所示。预加热是用如下加热元件进行的，加热元件由电阻加热式电阻器组成，电阻器布置在由石英制成的管内，并且基底通过该管。通过使激光束在基底上扫描来执行加热到第二温度T2。使用的激光是在450nm的15W蓝色激光。激光束聚焦在1mm²以下的区域(并且宽度小于1mm)上。

由于在任何给定时刻扫描区域的小尺寸，不能测量T2的精确温度。但在所有测试中T2都在1085℃以下，因为铜基底没有熔化。T2的有效温度除了受激光的性质和聚焦的影响外，还受激光的扫描速度的影响。测试了从1.2cm/s到4.5cm/s的激光扫描速度(详情见表1)。

此外，还测试了不同的气体分压力。H₂的气体分压力的范围为总气体压力的8％至15％，并且所测试的碳源气体(即第二气体)压力的范围为总气体压力的0.7％至6％。详情在表1中示出。碳源气体为甲烷，并且惰性气体为氩气。

表1

该方法的最佳参数确定为：T1为800℃-870℃，激光扫描速度为1.4cm/s至2cm/s，H₂的气体分压力为总气体压力的13％-15％，碳源气体(第二气体)的气体分压力为总气体压力的4％-6％，以及惰性气体(第一气体)的气体分压力为总气体压力的79％-83％。这些是上述测试10、11和12。

利用这些范围内的参数，在基底上形成了具有高可能性生长石墨烯的区域。这一结论是通过测试基底的氧化性以及与对照样品相比较在这些样品的静滴测试中观察到较高的接触角而得出的。用于评估材料疏水性的静滴测试是按照在如下文献中所解释的进行的：“无支撑式平方毫米的单层石墨烯的接触角测量”，Prydatkoet等，自然通讯，第9卷，文章编号4185(2018)。对照样品为氧化铜基底，并且被石墨烯涂覆的基底未被氧化。

用超出上述范围的参数生产的样品没有证据表明存在石墨烯，即在这些条件下不能制造出石墨烯。

附图的详细说明

参照图1，示出了根据本公开的实施例的系统100的示意图。如图所示，系统100包括生长腔室102、基底104、第一辊子106、第二辊子108和热源110，热源110作为第二加热装置。

参照图2，示出了根据本公开的实施例的系统200的示意图，系统200在基底204上形成石墨烯层212。如图所示，系统200包括生长腔室202、基底204、第一辊子206、第二辊子208和热源210，热源210作为第二加热装置。

参照图3，示出了根据本公开的实施例的用于在基底上制造石墨烯层的方法的步骤的流程图。在步骤S1，提供具有0.5-2巴的压力范围的用于化学气相沉积的气体环境。气态环境具有第一气体和第二气体的组成。第一气体在化学气相沉积条件下是惰性的。在步骤S2，将基底预加热到第一温度。在步骤S3，将基底的第一区域加热到第二温度，第二温度高于第一温度。第一区域具有小于1mm的第一宽度(W1)。在步骤S4，通过化学气相沉积使得在第一区域上形成石墨烯层。在步骤S5，使第一区域冷却，第一区域包含石墨烯层。在步骤S6，将基底的第二区域加热到第二温度，第二区域与第一区域相邻。在步骤S7，通过化学气相沉积使得在第二区域上形成石墨烯层。第二区域具有小于1mm的第二宽度(W2)。在步骤S8，使第二区域能够冷却，第二区域包含石墨烯层。例如，步骤S5和S6可以同时进行，进一步的步骤也可以同时进行，即，当第一区域冷却时，第二区域可以被涂覆。

图4A是说明在基底404的顶部形成石墨烯层的示例。步骤S4A.1示出了生长过程的开始。激光束410用于将基底404加热到第二温度。激光束410的直径被构造成小于1mm。石墨烯立即开始在加热区域形成。激光束被构造成以恒定的速度向箭头所示的方向移动。速度被选择成为石墨烯生长赋予足够的时间。生长速率取决于使用的基底和分压力。步骤S4A.2示出了激光束410轻微地(例如0.5mm)向上移动(相对于图)的时刻。在步骤S4A.1期间加热的区域中形成了石墨烯412。步骤S4A.3示出了激光束410向上移动(例如5mm)的时刻。形成了约1mm×5mm的石墨烯带414。

图4B示出了将激光束410构造成带的形式的设置。在示例图(S4B.1)中，带的宽度小于1mm，并且长度为10mm。激光带被构造成以恒定的速度向箭头所指示的方向移动。速度被选择成为石墨烯生长赋予足够的时间。生长速率取决于使用的基底和分压力。在步骤S4B.2中，带410移动了1mm，并且在S4B.1期间的用激光条纹加热的区域中形成了石墨烯412。步骤S5B.3示出了激光带410移动5mm之后的时刻。因此，形成了4×10mm的均匀石墨烯层。替代地，将表面的第一区域(即，第一带410的表面)加热(步骤S4b.1)至第二温度，在第一区域中生长石墨烯，并将其冷却从而形成石墨烯层412。之后，将第二区域(在S4B.2中与第一区域相邻的带410)加热到第二温度，在第二区域中生长石墨烯。

在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，可以对前述的本公开的实施例进行修改。用于描述和要求保护本公开的诸如“包括”、“包含”、“含有”、“具有”、“是”等表述旨在以非排他的方式来解释，即也允许存在未明确描述的项目、部件或元件。除非前面另有说明，否则例如“可以”和“可”用于表示可选特征。提及单数也被解释为涉及复数。

Claims

1.一种用于在基底(104，204)上制造石墨烯层(212)的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：

-提供压力在0.5-2巴范围内的用于化学气相沉积的气体环境，所述气体环境具有以下气体的组成

-氢气，

-第一气体，其中，所述第一气体在化学气相沉积条件下是惰性的，以及

-第二气体，

其中，氢气/第二气体的气体比为从1:1至100:1，所述第一气体的分压力为总气体压力的75％-90％，并且所述第二气体和氢气的混合物的分压力为总气体压力的10％-25％，

-将所述基底预加热到第一温度；

-将所述基底的第一区域加热到第二温度，所述第二温度高于所述第一温度，其中，所述第一区域具有小于1毫米的第一宽度；

-使得通过化学气相沉积在所述第一区域上形成石墨烯层；

-使所述第一区域冷却；

-将所述基底的第二区域加热到所述第二温度，其中，所述第二区域与所述第一区域相邻；

-使得通过化学气相沉积在所述第二区域上形成石墨烯层，其中，所述第二区域具有小于1mm的第二宽度；以及

-使所述第二区域冷却。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述第二气体是碳源气体，所述碳源气体选自由甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔、丙炔、苯、萘和蒽组成的群组。

3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其中，所述第一气体选自由氩、氙、氦和氮组成的群组。

4.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所述第一温度在500℃至900℃的范围内。

5.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所述第二温度在750℃至1200℃的范围内。

6.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所述基底(104，204)选自由镍、钴、铁、铂、金、铝、铬、铜、镁、锰、钼、铑、硅、钽、钛、钨、铀、钒、锆、黄铜、青铜和不锈钢组成的群组。

7.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，第一加热通过电阻加热进行。

8.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所述第一宽度和所述第二宽度基本相同。

9.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所述基底(104，204)为连续带的形式。

10.一种用于在基底(104，204)上制造石墨烯层(212)的系统(100，200)，所述系统包括

-生长腔室(102，202)，所述生长腔室用于提供具有0.5-2巴的压力范围的用于化学气相沉积的气体环境，

-在涂覆之前用于所述基底的第一辊子(106，206)，

-第一加热装置，所述第一加热装置用于将未被涂覆的基底加热到第一温度；

-第二加热装置(110，210)，所述第二加热装置用于将在反应区中的所述基底的一区域加热到第二温度，以通过化学气相沉积在所述基底的所述区域上形成石墨烯层，所述第二温度高于所述第一温度，其中，所述区域具有小于1mm的宽度，

-第二辊子(108，208)，所述第二辊子用于接收涂覆有所述石墨烯层的所述基底，以及

-用于将所述基底从所述第一辊子转移到所述反应区以及从所述反应区转移到所述第二辊子的装置。

11.根据权利要求10所述的系统(100，200)，所述系统还包括用于使涂覆有所述石墨烯层的所述基底冷却的装置。

12.根据权利要求10或11所述的系统(100，200)，其中，所述第一加热装置和所述第二加热装置独立地选自由电阻式加热装置、电磁式加热装置和感应式加热装置组成的群组。

13.根据权利要求12所述的系统(100，200)，其中，所述第一加热装置和所述第二加热装置独立地选自电阻式加热器、蓝色激光加热器和红外激光加热器。