CN2723423Y - 制备碳纳米管薄膜的等离子体增强光热化学气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种制备碳纳米管、碳纳米线、纳米纤维薄膜的等离子体增强光热化学气相沉积设备，包括真空室内的红外加热器、石英窗、射频等离子体平板电极、匀气腔、导流罩、样品台、磁耦合转轴、保护气入口等。将等离子体CVD的真空室和光热CVD的真空室合为一室。等离子体工艺和光热CVD工艺可单独进行或同时进行；用射频电源和平板电极产生等离子体，完成催化剂的活化功能，红外加热器加热，完成碳纳米管的生长，两种工艺结合在一起；红外加热器位于真空室中样品台上方，加热器和样品台之间有石英窗隔离，样品台的转动由磁耦合传动实现。其结构简单，工作可靠，可低温大面积均匀制备碳纳米管或碳纤维，可用于碳纳米管平板显示器的商业化生产。

Description

制备碳纳米管薄膜的等离子体增强光热化学气相沉积设备

技术领域

本实用新型属于化学气相沉积(CVD)技术领域，特别涉及一种集等离子体处理和红外光加热于一体的制备碳纳米管、碳纳米线、碳纳米纤维薄膜的等离子体增强光热化学气相沉积设备。

背景技术

碳纳米管(碳纳米线，碳纳米纤维)是一种具有优良物理性质和化学性质、用途广泛的新型纳米材料。目前制备碳纳米管(碳纳米线，碳纳米纤维)主要有电弧法、催化热解法、化学气相沉积法(CVD)、激光蒸发法等，其中CVD法是制备碳纳米管(碳纳米线，碳纳米纤维)的一种重要方法。该方法因产率高，能批量制备而显示出它的工业应用前景。特别是它可以通过调整催化剂及合成条件来控制碳纳米管(碳纳米线，碳纳米纤维)的形貌和结构。该工艺可以在较低温度下生产碳纳米管(碳纳米线，碳纳米纤维)，且生产成本较低，便于商业化开发。结合催化剂层的图形工艺，可以制得任意图形的碳纳米管薄膜，在场发射显示方面大有前途，是目前已知的最具商业开发价值和能够大规模生产碳纳米管的生产工艺。但是现阶段采用CVD法制备碳纳米管，存在着均匀大面积制备困难、温度偏高(相对于普通商用玻璃的熔点)的缺点。目前，国际上有报道的最大生长面积为5英寸，这对于场发射显示方面的商业应用是远不够要求的。生长温度在大面积制备领域较高，一般在600℃以上，这使得衬底材料的选择受到一定的限制，上述缺点不利于进一步降低生产成本，不利于以碳纳米管为阴极的平板显示器的商业化生产。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本实用新型的目的在于，提供一种能低温(500℃～600℃)、大面积(最大面积可达到A4纸大小)均匀制备碳纳米管、碳纳米线，纳米纤维薄膜的等离子体增强光热化学气相沉积设备，该设备结构紧凑，操作方便，样品台大小可调换，在研究过程中可省材料。

实现上述目的的具体技术解决方案是：一种制备碳纳米管薄膜的等离子体增强光热化学气相沉积设备，其特点是，该设备包括：

一混气箱，混气箱的入口并联有5路质量流量计，每个质量流量计两端各连接有一个电磁截止阀，电磁阀和质量流量计通过管路与混气箱相连；

一光热化学气相沉积真空室，光热化学气相沉积真空室上分别连接有电离规、电阻规、充气阀和通过电磁阀连通的保护气体加热器；

一分子泵，分子泵通过分子泵闸板阀与光热化学气相沉积真空室连通，分子泵还通过电磁阀与第一机械泵连接；光热化学气相沉积真空室通过角阀分别连接薄膜规和通过电磁阀连通的第二机械泵；

混气箱的气体一路通过电磁阀与角阀连通光热化学气相沉积真空室；另一路经过气路截止阀与光热化学气相沉积真空室连通。

本实用新型的另一些特点是，所述光热化学气相沉积真空室为圆柱体真空室，上端带有通过升降机的升降可以开启和关闭的顶盖，其侧壁上有用于水冷的腔体并有工作气体抽气口，工作气体抽气口用于外接第二机械泵，和分子泵，分子泵连接第一机械泵；光热化学气相沉积真空室内设置有与工作气体抽气口相通的导流罩，用于以引导气体流动，下端中央设置有可转动的带有中轴的底座，底座的中轴上部设置有用于放置样品的样品台，样品台下方设置有射频等离子体平板电极，底部有一工作气体入口，工作气体通过底座的中轴附近的工作气体入口进入样品台下部的匀气腔内，匀气腔的出口是带孔的匀气金属板制成的射频平板电极，射频平板电极下面设置有磁耦合转轴，底座上还有另一个射频电极，它与样品台同电位，使样品台与射频平板电极形成电容式的两个电极板，磁耦合转轴通过齿轮和底座连接传动；在真空室的顶盖的下方和样品台的上方的位置设置有一红外加热器，在红外加热器的上方有加热器罩，红外加热器的下方设有一石英板，加热器和样品台之间用该石英板完全隔离；顶盖的中央设置有保护气体入口。

所述匀气腔位于样品台下方，使样品均匀接触反应气体，样品台的转动通过磁耦合传动实现。

所述样品台为中间带洼槽的托盘结构，洼槽内放置样品，放置样品时其生长面朝下向下面的平板电极。

红外加热器采用分区加热、分区受控。

红外加热器与射频等离子体平板电极同时使用，也可以单独使用。

本实用新型将等离子体CVD的真空室和光热CVD的真空室合为一室。等离子体工艺和光热CVD工艺可前后单独进行或者同时进行；用射频电源平板电极产生等离子体，完成催化剂的活化功能，红外加热器加热，完成碳纳米管的生长，两种工艺步骤有机地结合在一台设备中；本实用新型结构简单紧凑，工作安全可靠，可以低温大面积均匀制备碳纳米管(碳纳米线，碳纳米纤维)，因此可用于碳纳米管(碳纳米线，碳纳米纤维)平板显示器的商业化生产。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图

图2是本实用新型的真空室结构示意图。

上述图中符号分别表示的是：1.射频电极接入点，2.工作气体抽气口，3.导流罩，4.匀气腔，5.腔体，6.上盖，7.加热罩，8.加热器，9.石英板，10.保护气体入口，11.升降机，12.样片，13.样品台，14.转轴，15.工作气体入口，16.平板电极，17.底座，18电磁阀，19.质量流量计，20.混气箱，21.电离真空规，22.电阻真空规，23.CVD沉积室，24.充气阀，25.角阀，26.气体加热器，27.机械泵闸板阀，28.分子泵截止阀，29.第一机械泵，30.分子泵，31.薄膜规，32第二机械泵。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明和本发明所产生的技术效果，下面结合附图和工作原理对本发明进一步详细说明。

参见图1，本实用新型的制备碳纳米管薄膜的射频等离子体增强光热化学气相沉积设备，包括，电磁阀18，质量流量计19，混气箱20，电离真空规21，电阻真空规22，光热化学气相沉积真空室23(也称CVD沉积室)，充气阀24，角阀25，气体加热器26，分子泵闸板阀27，生长气体气路截止阀28，第一机械泵29，分子泵30，薄膜规31，第二机械泵32。上述光热化学气相沉积真空室23为筒形平顶结构，(参见如图2)，尺寸为φ520×300mm；上端带有顶盖6，通过升降机11的升降可以开启和关闭顶盖，真空室侧壁上有用于水冷的腔体5并设置一工作气体抽气口2，抽气口外接分子泵30，分子泵外接第一机械泵29，真空室内设置有导流罩3，真空室的下端中央设置有可转动的带有中轴的底座17，底座的中轴最上部设置有用于放置样品12的样品台13，样品台为中间洼槽的托盘结构，洼槽内放置样品，样品生长面朝下，样品台13下方设置有射频等离子体平板电极16，真空室的底部有一工作气体入口15，工作气体通过底座17的中轴附近的工作气体入口15进入样品台13下部的带孔的金属板4(称为匀气腔)内，匀气腔为3至4层，每一层孔径大小不同，底部孔径大，越向上孔径越小，以达到匀气的目的。匀气腔的出口是平板电极16，真空室的下面设置有射频匹配箱，匹配箱中有射频电极1的接入点以及磁耦合转轴14，射频电极1的接入点与样品台等电位，使得样品台与带孔的金属板(匀气腔)形成电容式的两个电极板，当开启射频电源后，在两个极板间产生热等离子体，可以使生长温度降低；磁耦合转轴14通过齿轮和底座17连接传动，真空室底部附近有导流罩3；在真空室的顶盖6的下方和样品台13的上方的位置设置有一红外加热器8，在红外加热器8的上方有加热罩7，红外加热器8的下方设有一石英板9，石英板的半径与真空室23的内径相同，加热器8和样品台13之间用该石英板隔离；顶盖6的中央设置有保护气体入口10。

红外加热器8位于真空室的顶盖6下面，加热器8四周有一圈作为热屏蔽挡板的加热器罩7。红外加热器8与样品台通过石英玻璃板隔开，避免生长气体对红外加热部分的污染。等离子区通过样品台13与红外加热器8隔离开，避免等离子体造成红外加热丝短路。

样品台13安装在带中轴的底座17上，位于石英窗的正下方，被做成中间开口的托盘结构，最大尺寸为A4纸大小(294×210mm²)，工作气体通过底座17的中轴附近的工作气体入口15进入样品台13下部的带孔的金属板制成的匀气腔4内，带孔的金属板同时也是射频平板电极16，真空室的底部设置有磁耦合转轴14，可以使样品台匀速转动。另一个射频电极1是与样品台等电位，使样品台与带孔的金属板形成电容式两个电极板，当开启射频电源后，在两个极板间产生热等离子体，磁耦合转轴通过齿轮和样品台13连接传动，样品台13的底部侧壁有出气口2。此外，真空室顶盖上的正中心有一个保护气入口10，真空室底部附近有导流罩3。

本实用新型的工作原理如下：

将升降机11升起，打开真空室23上盖6，将衬底材料扣在样品台13的托盘上，生长面朝下对着平板电极16，背面朝向红外加热器8，将升降机降下，关闭真空室上盖6，打开角阀5，开启第一机械泵29抽真空，用电阻规22监测真空度，待真空度降到1至0.1Pa时，打开分子泵闸板阀27，用分子泵30，分子泵30外接第二机械泵32，抽高真空，用电离硅8监测真空度，当真空室中压力低于10-4Pa时，关闭分子泵30，开启红外加热器8从背面加热，当温度超过100℃，从保护气体入口10通入较大流量的N₂保护。当温度升到500℃～600℃时，打开电磁阀18，NH₃经过混气箱20从工作气体入口15进入真空室23，NH₃的流量通过质量流量计19控制，NH₃通过导流罩3，进入匀气腔4，经匀气腔出口20的小孔群流入反应空间，均匀到达样片12表面，同时打开射频电源，射频电极1的接入点和样品台13是同电位，则在样品台和平板电极之间产生等离子体对催化剂进行活化。采用适当的等离子体功率和工作气体的流量配比，经过合适的时间处理后，完成关键的催化剂活化。然后关闭射频电源，开动磁耦合传动14，传动轴带动样品台13匀速转动，同时通入C₂H₂，在恰当的C₂H₂、NH₃、N₂流量比和工作压强下，维持射定温度不变，进行碳纳米管的生长。20min～30min后，就可在衬底上制备出大面积均匀的碳纳米管。在加热过程中，真空室的侧壁上的腔体5通循环水，以保护真空室的不锈钢壁，上述为等离子体工艺和光热CVD工艺前后单独实施的工艺原理，也可让等离子体工艺和光热CVD工艺同时实施。本实用新型工作中采用射频等离子体活化催化剂，红外加热制备碳纳米管，有机地将两种工艺步骤结合到一台设备上，实现碳纳米管的低温制备。从保护气体入口通入较大流量的N₂，以避免工作气体接触红外加热器，在高温下生成碳黑，使加热部分短路，妨碍工作的正常进行。采用了匀气腔和磁耦合转动装置后能明显改善大面积碳纳米管的均匀性。

Claims (5)

1.一种制备碳纳米管薄膜的等离子体增强光热化学气相沉积设备，其特征在于，该设备包括：

一混气箱【20】，混气箱【20】的入口并联有5路质量流量计【19】，每个质量流量计【19】两端各连接一个电磁阀【18】，电磁阀【18】和质量流量计【19】通过管路与混气箱【20】相连；

一光热化学气相沉积真空室【23】，光热化学气相沉积真空室【23】上分别连接有电离规【21】、电阻规【22】、充气阀【24】和通过电磁阀连通的保护气体加热器【26】；

一分子泵【30】，分子泵【30】通过分子泵闸板阀【27】与光热化学气相沉积真空室【23】连通，分子泵【30】还通过电磁阀与第一机械泵【29】连接；光热化学气相沉积真空室【23】通过角阀【25】分别连接薄膜规【31】和通过电磁阀连通的第二机械泵【32】；

混气箱【20】的气体一路通过电磁阀与角阀【25】连通光热化学气相沉积真空室【23】；另一路经过气路截止阀【28】与光热化学气相沉积真空室【23】连通。

2.如权利要求1所述的制备碳纳米管薄膜的等离子体增强光热化学气相沉积设备，其特征在于，所述光热化学气相沉积真空室【23】为圆柱体真空室，上端带有通过升降机【11】的升降可以开启和关闭的顶盖【6】，真空室侧壁上有用于水冷的腔体【5】并有工作气体抽气口【2】，工作气体抽气口【2】用于外接第二机械泵【32】，和分子泵【30】，分子泵【30】连接第一机械泵【29】；光热化学气相沉积真空室【23】内设置有与工作气体抽气口【2】相通的导流罩【3】，用于以引导气体流动，下端中央设置有可转动的带有中轴的底座【17】，底座【17】的中轴上部设置有用于放置样品【12】的样品台【13】，样品台【13】下方设置有射频等离子体平板电极【16】，底部有一工作气体入口【15】，工作气体通过底座【17】的中轴附近的工作气体入口【15】进入样品台【13】下部的匀气腔【4】内，匀气腔【4】的外部有带孔的匀气金属板制成的射频平板电极【16】，射频平板电极【16】下面设置有磁耦合转轴【14】，底座【17】上还有另一个射频电极【1】，它与样品台【13】同电位，使样品台【13】与射频平板电极【16】形成电容式的两个电极板，磁耦合转轴【14】通过齿轮和底座【17】连接传动；在真空室的顶盖【6】的下方和样品台【13】的上方的位置设置有一红外加热器【8】，在红外加热器【8】的上方有加热器罩【7】，红外加热器【8】的下方设有一石英板【9】，加热器【8】和样品台【13】之间用该石英板完全隔离；顶盖【6】的中央设置有保护气体入口【10】。

3.如权利要求2所述的制备碳纳米管薄膜的等离子体增强光热化学气相沉积设备，其特征在于，所述匀气腔【4】位于样品台【13】下方，使样品【12】均匀接触反应气体，样品台【13】的转动通过磁耦合传动实现。

4.如权利要求2所述的制备碳纳米管薄膜的等离子体增强光热化学气相沉积设备，其特征在于，所述样品台【13】为中间带洼槽的托盘结构，洼槽内放置样品【12】，放置样品时其生长面朝下向下面的平板电极【16】。

5.如权利要求2所述的制备碳纳米管薄膜的等离子体增强光热化学气相沉积设备，其特征在于：红外加热器【8】采用分区加热、分区受控。

Images