CN215161038U - 一种用于批量制备石墨烯薄膜的载具 - Google Patents

Abstract

本实用新型一实施方式提供了一种用于批量制备石墨烯薄膜的载具，包括多个支撑板、多个加热板和电极组件；其中，所述多个支撑板用于放置生长石墨烯的衬底，所述多个加热板用于对所述衬底进行加热处理，所述电极组件与所述多个加热板相连，所述多个支撑板与所述多个加热板交替地层叠设置。本实用新型一实施方式的载具，能够实现石墨烯生长衬底的批量放置和高效加热。

Description

一种用于批量制备石墨烯薄膜的载具

技术领域

本实用新型涉及载具，具体为一种石墨烯生长时用于承载和加热生长衬底的载具。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子构成的蜂窝状二维原子晶体，具有诸多优异的物理化学性质，例如极高的载流子迁移率、电导率、热导率、透光率以及良好的机械强度和化学稳定性等等，因此受到了学术界和产业界的广泛关注。相比于其他制备方法，化学气相沉积法具有制备石墨烯薄膜质量高、面积大、可控性好等优点，是目前石墨烯薄膜制备的主流方法。化学气相沉积法制备石墨烯的原理是将石墨烯生长所需的衬底，如金属、玻璃、蓝宝石等置于高温反应腔室内，然后通入碳源前驱体和载气，使其在衬底表面催化裂解、成核、最终拼接成膜形成石墨烯。

目前，石墨烯薄膜的大面积、低成本、批量化制备仍存在瓶颈。其原因在于一方面碳源裂解等过程需要克服很高的反应能垒，因此石墨烯的生长一般需要在高温下进行。常规的化学气相沉积装置是以管式炉为代表的热壁反应炉，通过电阻丝加热石英管壁的方式对整个反应腔室进行加热。这种加热方式的加热区域明显大于石墨烯生长衬底所占的区域，所以能耗较大，能量利用率较低。另一方面，目前热壁管式炉内石墨烯薄膜的生长多是单片生长，且石墨烯薄膜的面积受限于石英管管径的大小，因此石墨烯薄膜的生长效率、产能以及反应炉体的空间利用率较低。以上问题使得目前石墨烯薄膜制备的成本较高，产能较低，这无疑不利于石墨烯薄膜的规模化生产和商业化应用。

实用新型内容

本实用新型的一个主要目的在提供一种用于批量制备石墨烯薄膜的载具，包括多个支撑板、多个加热板和电极组件；其中，所述多个支撑板用于放置生长石墨烯的衬底，所述多个加热板用于对所述衬底进行加热处理，所述电极组件与所述多个加热板相连，所述多个支撑板与所述多个加热板交替地层叠设置。

根据本实用新型一实施方式，在所述支撑板和与其相邻的所述加热板之间设置有一定间隔。

根据本实用新型一实施方式，在所述多个支撑板和所述多个加热板之间设置有多个限位块，以使所述支撑板和与其相邻的所述加热板之间保持一定间隔。

根据本实用新型一实施方式，所述多个限位块包括多个第一限位块和多个第二限位块，所述多个第一限位块设置于所述多个支撑板之间，所述多个第二限位块设置于所述多个加热板之间。

根据本实用新型一实施方式，所述支撑板的一部分突出于所述加热板，使得中间夹设有所述加热板的两个所述支撑板能够相对设置，所述第一限位块设置于相对的两个所述支撑板之间；所述加热板的一部分突出于所述支撑板，使得中间夹设有所述支撑板的两个所述加热板能够相对设置，所述第二限位块设置于相对的两个所述加热板之间。

根据本实用新型一实施方式，所述支撑板为长方形板，所述支撑板的沿长度方向的两端突出于所述加热板，所述加热板的沿所述支撑板的宽度方向的两端突出于所述支撑板。

根据本实用新型一实施方式，所述多个支撑板通过至少一根支杆相固定；和/或，所述电极组件包括至少两根电极杆，所述多个加热板通过所述至少两根电极杆相固定。

根据本实用新型一实施方式，在所述支撑板上开设有一个或多个第一通孔，所述支杆依次穿过所述多个支撑板的所述第一通孔将所述多个支撑板固定在一起；和/或，在所述加热板上开设有一个或多个第二通孔，所述电极杆依次穿过所述多个加热板的所述第二通孔将所述多个加热板固定在一起。

根据本实用新型一实施方式，所述电极杆和所述加热板的材质为石墨。

根据本实用新型一实施方式，在所述支撑板上开设有凹槽或者设置有一根或多根限位柱，用以设置所述衬底；和/或，在所述加热板上开设有多个条形槽。

本实用新型一实施方式的载具，能够实现石墨烯生长衬底的批量放置和高效加热。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本实用新型的优选实施例的详细说明，本实用新型的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本实用新型的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1为本实用新型一实施方式的用于批量制备石墨烯薄膜的载具的结构示意图；

图2为本实用新型一实施方式的支撑板及第一限位块的结构示意图；

图3为本实用新型一实施方式的固定在一起的多个支撑板的结构示意图；

图4为本实用新型一实施方式的加热板及第二限位块的结构示意图；

图5为本实用新型一实施方式的固定在一起的多个加热板的结构示意图。

具体实施方式

体现本实用新型特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本实用新型能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本实用新型的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本实用新型。

参照图1，本实用新型一实施方式提供了一种用于批量制备石墨烯薄膜的载具，包括多个支撑板10、多个加热板20和电极组件，电极组件与多个加热板20相连，多个支撑板10与多个加热板20交替地层叠设置；其中，支撑板10用于放置生长石墨烯的衬底(以下简称“衬底”)，加热板20用于对衬底进行加热处理，电极组件用于为多个加热板20提供加热电流。

作业时，电极组件与电源相连，通过电极组件产生电流给加热板20加热，进而加热位于支撑板10上的衬底。

于一实施方式中，支撑板10与加热板20的数量相同，两者交替地层叠设置，且最上层(顶层)为支撑板10，最下层(底层)为加热板20，即，每一支撑板10的下方均设置有一加热板20，以对设置在支撑板10上的衬底进行加热处理。

于一实施方式中，多个支撑板10、多个加热板20保持水平设置，即，支撑板10、加热板20与竖直方向的夹角为90°。

于一实施方式中，在支撑板10和与其相邻的加热板20之间设置有一定间隔(间隙)，以避免支撑板10与加热板20的接触。一定间隔的设置可以有效避免在使用金属衬底(如铜箔)时，金属衬底与加热板20直接接触造成的短路和放电问题；同时，加热板20与支撑板10的分离，还可以避免衬底高温下与加热板20直接接触导致的化学反应、扩散、偏析等对加热板20发热功率和使用寿命的影响，能够提高加热板20的长期稳定性。

于一实施方式中，除最上层的支撑板10仅与其下方的一个加热板20相邻以外，每个支撑板10均具有上、下两个与其相邻的加热板20。

于一实施方式中，在多个支撑板10和多个加热板20之间设置有多个限位块，以使支撑板10和与其相邻的加热板20之间具有一定间隔。

参照图2、3所示，于一实施方式中，在支撑板10上开设有凹槽11，用于放置衬底，以使衬底能够在载具的移动过程中稳定地位于支撑板10上。

于一实施方式中，支撑板10上的凹槽11可以为开放式凹槽，其深度可以为0.2mm～2mm。

于一实施方式中，支撑板10可以为长方形板，凹槽11可以为长方形凹槽。

于另一实施方式中，在支撑板10上设置有一根或多根限位柱，可通过限位柱将衬底卡设于支撑板10上；限位柱可以为圆柱、方柱或L型立柱。

于一实施方式中，可通过一根或多根支杆12将多个支撑板10固定在一起，以增加载具整体的稳定性。支杆12的数量可以为2根或4根。

于一实施方式中，在支撑板10上开设有一个或多个第一通孔13，每根支杆12穿过多个支撑板10的第一通孔13将多个支撑板10固定在一起。

于一实施方式中，第一通孔13的数量可以为1个、2个或4个，第一通孔13可位于支撑板10的边缘。例如支撑板10为长方形，第一通孔13可设置于邻近直角的位置，可以是在四个直角附近各开设一个第一通孔13，也可以是仅在相对的(非相邻)两个直角附近各开设一个第一通孔13。

于一实施方式中，可通过螺母(例如石墨螺母)或垫块将多个支撑板10固定于支杆12上。

参照图1至3所示，于一实施方式中，在载具的层叠结构中，支撑板10的一部分突出于加热板20，使得中间夹设有一加热板20的两支撑板10的一部分能够相对设置(面对面设置)，在相对的两支撑板10之间设置有第一限位块14，以使两支撑板10保持一定的间距，可通过调整第一限位块14的厚度或高度来调节两支撑板10之间的距离，例如两支撑板10之间的距离可以为5～50mm。进一步地，支撑板10相对的两端均突出于加热板20，可在两支撑板10相对的两端之间分别设置第一限位块14。

于一实施方式中，在位于最下部的支撑板10的下部设置有第一限位块14，以使最下部的支撑板10与位于其下方的加热板20保持一定间隔。

于一实施方式中，在中间夹设有一加热板20的任意两支撑板10之间均设置有两第一限位块14，即，第一限位块14的数量n₁与支撑板10的数量m₁的关系为n₁＝(m₁-1)×2。

于一实施方式中，第一限位块14可设置于支撑板10突出于加热板20的部位。

于一实施方式中，在第一限位块14上开设有通孔，支杆12可依序穿过支撑板10、第一限位块14将多个支撑板10、多个第一限位块14固定在一起。

参照图1、5所示，于一实施方式中，电极组件包括至少两根电极杆21，电极杆21可用于提供加热电流并固定支撑多个加热板20。

参照图1、4、5所示，于一实施方式中，在加热板20上开设有一个或多个第二通孔23，每根电极杆21穿过多个加热板20的第二通孔23将多个加热板20固定在一起，其中，电极杆21的数量可以为2根或4根。

于一实施方式中，第二通孔23的数量可以为2个或4个，第二通孔23可位于加热板20的边缘。

于一实施方式中，加热板20包括加热区和固定区，固定区环绕加热区设置，第二通孔23开设于固定区。

于一实施方式中，加热区可以为圆形，固定区大致呈方形，固定区的数量与第二通孔23的数量相同，可以为2个或4个，在每一固定区开设有一第二通孔23。

于一实施方式中，在加热板20上设置有4个第二通孔23，4个第二通孔23的孔中心相连可形成一长方形，进一步为形成一正方形。

于一实施方式中，可通过螺母(例如石墨螺母)或垫块将多个加热板20固定于电极杆21上。

于一实施方式中，在加热板20上设置有多个条形槽22，用以提高加热板20的发热功率，降低加热板20的工作电压，提高石墨烯生长过程中的安全性。

于一实施方式中，条形槽22可设置于加热区，条形槽22的宽度可以为5～20mm，厚度可以为2～10mm。

于一实施方式中，在载具的层叠结构中，加热板20的一部分突出于支撑板10，使得中间夹设有一支撑板10的两加热板20的一部分能够相对设置(面对面设置)，在相对的两加热板20之间设置有第二限位块24，以使两加热板20保持一定的间距，可通过调整第二限位块24的厚度或高度来调节两加热板20之间的距离，例如两加热板20之间的距离可以为5～50mm。进一步地，加热板20相对的两端均突出于支撑板10，可在两加热板20相对的两端之间分别设置第二限位块24。

于一实施方式中，在中间夹设有一支撑板10的任意两加热板20之间均设置有两第二限位块24，即，第二限位块24的数量n₂与加热板20的数量m₂的关系为n₂＝(m₂-1)×2。

于一实施方式中，第二限位块24可设置于加热板20突出于支撑板10的部位。

于一实施方式中，在第二限位块24上开设有通孔，电极杆21依序穿过加热板20、第二限位块24将多个加热板20、多个第二限位块24固定在一起。

于一实施方式中，支撑板10为长方形板，加热板20包括圆形的加热区，支撑板10的长度方向的两端突出于加热板20，加热板20的沿支撑板10的宽度方向的两端突出于支撑板10。第一限位块14可设置于沿支撑板10长度方向的端部，第二限位块24可设置于沿支撑板10宽度方向的加热板20的端部。

于一实施方式中，支撑板10包括第一端部和第二端部，在载具中，第一端部和第二端部均突出于加热板20设置；加热板20包括第三端部和第四端部，在载具中，第三端部和第四端部均突出于支撑板10设置。

于一实施方式中，用于批量制备石墨烯薄膜的载具的制备方法包括：在多个第二限位块24的间隔作用下将多个加热板20的第三端部通过电极杆21固定在一起，类似地，在多个第二限位块24的间隔作用下将多个加热板20的第四端部通过电极杆21固定在一起，形成如图5所示的具有多个穿插空间的加热板载具；

在多个第一限位块14的间隔作用下将多个支撑板10的第一端部通过支杆12固定在一起，然后将多个支撑板10的多个第二端部分别穿过加热板载具的多个穿插空间，之后在多个第一限位块14的间隔作用下将多个支撑板10的第二端部通过支杆12固定在一起，形成用于批量制备石墨烯薄膜的载具。

于另一实施方式中，也可先形成图3所示的具有多个穿插空间的支撑板载具，再将一端固定的多个加热板20穿插入支撑板载具后固定。

其中，上述关于支撑板10、加热板20的“突出”结构的描述也可用投影来表示。例如，在载具的沿竖直方向(或垂直于支撑板10、加热板20的方向)的投影中，支撑板10的一部分突出于加热板20，且加热板20的一部分突出于支撑板10。或者，支撑板10包括在俯视观察时与加热板20重叠的第一区域以及不与加热板20重叠(突出)的第二区域，第一限位块14设置于第二区域，第一端部和第二端部位于第二区域；加热板20包括在俯视观察时与支撑板10重叠的第三区域以及不与支撑板10重叠(突出)的第四区域，第二限位块24设置于第四区域，第三端部和第四端部位于第四区域。

于一实施方式中，第二区域由两部分组成，第一区域夹设于第二区域的两部分之间；第四区域由两部分组成，第三区域夹设于第四区域的两部分之间。

于一实施方式中，第一限位块14和/或第二限位块24的设置使得支撑板10、加热板20之间的间距可调，有助于调控不同层衬底之间的载气传质情况，进而利于选择合适稳定的石墨烯生长工艺。

于一实施方式中，支杆12、电极杆21可以为竖直设置。

于一实施方式中，第一限位块14和/或第二限位块24可以是条形板或长方块，两者的材质均可以为石墨。

于一实施方式中，电极杆21的材质为导电材料，例如石墨。

于一实施方式中，支杆12的材质可以为石墨。

于一实施方式中，加热板20和/或支撑板10的材质可以为石墨。

本实用新型一实施方式的载具，可以批量放置和高效加热石墨烯生长衬底，实现石墨烯薄膜的批量制备。具体而言，一方面，相比于加热整个反应腔室，通过电极杆21对加热板20进行加热处理，进而直接加热衬底可以大幅提高升温速率和能量利用率，实现石墨烯生长衬底的快速升温；另一方面，支撑板10的叠层设置使得衬底能够多片叠层放置，可以实现单批次多片石墨烯的制备，提高了反应腔室的空间利用率，从而提高了石墨烯的产能，降低了石墨烯薄膜的制备成本。

除非特别限定，本实用新型所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。

本实用新型所描述的实施方式仅出于示例性目的，并非用以限制本实用新型的保护范围，本领域技术人员可在本实用新型的范围内作出各种其他替换、改变和改进，因而，本实用新型不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种用于批量制备石墨烯薄膜的载具，其特征在于，包括：

多个支撑板，用于放置生长石墨烯的衬底；

多个加热板，用于对所述衬底进行加热处理；以及

电极组件，与所述多个加热板相连；

其中，所述多个支撑板与所述多个加热板交替地层叠设置。

2.根据权利要求1所述的用于批量制备石墨烯薄膜的载具，其特征在于，在所述支撑板和与其相邻的所述加热板之间设置有一定间隔。

3.根据权利要求2所述的用于批量制备石墨烯薄膜的载具，其特征在于，在所述多个支撑板和所述多个加热板之间设置有多个限位块，以使所述支撑板和与其相邻的所述加热板之间保持一定间隔。

4.根据权利要求3所述的用于批量制备石墨烯薄膜的载具，其特征在于，所述多个限位块包括多个第一限位块和多个第二限位块，所述多个第一限位块设置于所述多个支撑板之间，所述多个第二限位块设置于所述多个加热板之间。

5.根据权利要求4所述的用于批量制备石墨烯薄膜的载具，其特征在于，所述支撑板的一部分突出于所述加热板，使得中间夹设有所述加热板的两个所述支撑板能够相对设置，所述第一限位块设置于相对的两个所述支撑板之间；

所述加热板的一部分突出于所述支撑板，使得中间夹设有所述支撑板的两个所述加热板能够相对设置，所述第二限位块设置于相对的两个所述加热板之间。

6.根据权利要求5所述的用于批量制备石墨烯薄膜的载具，其特征在于，所述支撑板为长方形板，所述支撑板的沿长度方向的两端突出于所述加热板，所述加热板的沿所述支撑板的宽度方向的两端突出于所述支撑板。

7.根据权利要求1所述的用于批量制备石墨烯薄膜的载具，其特征在于，所述多个支撑板通过至少一根支杆相固定；和/或，

所述电极组件包括至少两根电极杆，所述多个加热板通过所述至少两根电极杆相固定。

8.根据权利要求7所述的用于批量制备石墨烯薄膜的载具，其特征在于，在所述支撑板上开设有一个或多个第一通孔，所述支杆依次穿过所述多个支撑板的所述第一通孔将所述多个支撑板固定在一起；和/或，

在所述加热板上开设有一个或多个第二通孔，所述电极杆依次穿过所述多个加热板的所述第二通孔将所述多个加热板固定在一起。

9.根据权利要求7所述的用于批量制备石墨烯薄膜的载具，其特征在于，所述电极杆和所述加热板的材质为石墨。

10.根据权利要求1所述的用于批量制备石墨烯薄膜的载具，其特征在于，在所述支撑板上开设有凹槽或者设置有一根或多根限位柱，用以设置所述衬底；和/或，

在所述加热板上开设有多个条形槽。

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