一種材料生長中快速降溫的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明屬于薄膜生長或薄膜制備領域，更確切地說涉及在襯底上進行沉積或噴鍍等方法進行薄膜制備的領域以及類似裝置。在用冷壁化學氣相沉積（CVD）設備生長石墨烯時，本發明提供了一種抑制金屬襯底由高溫下緩慢降溫引起的溶解碳滲出形成多層石墨烯的設計方案。在石墨烯薄膜生長結束時，從高溫區域旋出承載有金屬襯底的平臺至低溫區域，實現金屬襯底的快速降溫，將溶解碳“凍結”在襯底金屬中，可有效避免溶解碳在緩慢降溫過程中滲出至襯底金屬表面及已形成的石墨烯薄膜之下，形成多層石墨烯造成的透光率的降低，從而生長出平整的、高質量的薄膜材料。
【專利說明】一種材料生長中快速降溫的方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及薄膜生長或薄膜制備領域，更確切地說涉及在金屬襯底上進行沉積或噴鍍等方法進行薄膜制備的領域以及類似裝置。
【背景技術】
[0002]現代科學和技術需要使用大量功能各異的無機新材料或薄膜材料，石墨烯薄膜就是其中性能卓異的一種。一般來講，為了達到所需的性能，石墨烯薄膜必須是高純的，層數越少的石墨烯在透光率上越發滿足各類觸摸屏對透光率的要求。而為了得到高純度的產品，科學界、工藝界也發明了很多制備方法。其中，化學氣相淀積法(CVD)、分子束外延生長法(MBE)等都是近幾十年發展起來的制備高純度材料的新技術。
[0003]CVD是Chemical Vapor Deposit1n的簡稱，是一種基于化學反應的薄膜淀積方法。如說明書附圖1所示，CVD以氣體形式提供的反應物質，如制備石墨烯一般使用的甲烷、乙炔等；襯底置于反應室中，在熱能、等離子體或者紫外光等的作用下，氣體反應物在襯底表面經化學反應(分解或合成)形成固體物質的淀積，即得到薄膜材料。
[0004]分子束外延(MBE)是50年代用真空蒸發技術制備半導體薄膜材料發展而來的。其方法是將襯底放置在超高真空腔體中，和需要生長的薄膜材料按元素的不同分別放在噴射爐中，分別加熱到相應溫度的各元素噴射出的分子流能在上述襯底上生長出極薄的(可薄至單原子層水平)單晶結構或薄膜材料。
[0005]目前來講，制備新型材料石墨烯所用的襯底通常為銅(Cu)，對于這種襯底來講，在制備過程中存在一種缺陷，即:當反應爐或噴射爐內溫度達到化學反應所需溫度(幾百度甚至更高)的時候，反應氣體的原子會溶解在金屬襯底中，并且反應溫度越高，溶解的碳原子的數量越大。這樣在反應結束時，隨著溫度降低，金屬襯底對于碳原子的溶解度降低，從而導致高溫下過度溶解的碳原子滲透到襯底金屬表面表面。溶解的碳原子原本富集在金屬襯底內的缺陷位，降溫時這些原子優先從這些缺陷位滲出，在已生長的石墨烯薄膜下又形成散布的石墨烯微片，當溶解在金屬襯底中的碳原子數量很大時，這些散布的石墨烯微片逐漸長大甚或可以毗連為又一層新的石墨烯。新形成的石墨烯層影響了已形成的單層石墨烯的質量，主要表現在降低了單層石墨烯的透光率。
【發明內容】
[0006]針對以上提到的問題，提出本發明。
[0007]在用冷壁化學氣相沉積(CVD)設備生長石墨烯結束時，本發明提供了一種抑制高溫下緩慢降溫引起的溶解碳滲出形成石墨烯多層的設計方案；并構建了一種旋出式的承載石墨烯金屬襯底的平臺，此平臺可以在薄膜生長反應結束、關閉加熱電源時，從高溫區域同時旋出至低溫區域，實現金屬襯底的快速降溫，將溶解碳“凍結”在襯底金屬中，可有效避免溶解碳在緩慢降溫過程中滲出至金屬襯底表面及已形成的單層石墨烯之下，形成第二層乃至多層石墨烯造成的透光率的降低，從而得到生長平整的、高質量的石墨烯薄膜材料。
[0008]本發明方案設計，將高溫下石墨烯薄膜生長時溶解在金屬襯底中的碳源原子，通過快速降溫急劇降低溶解碳原子的遷移速度，使之最終不能遷移至金屬襯底表面而保留在金屬襯底中，襯底上已生長的單層石墨烯薄膜的平整度得到完好的保存，保證了長成的石墨烯薄膜材料的透光率，得到高質量的成膜產品。
[0009]本發明涉及的基于上述方案構建的旋出裝置又包含:一個加熱爐，此加熱爐可將樣品(即襯底)加熱至薄膜生長所需的溫度；一個與其相對的蒸發源，其蒸發材料與襯底材料相同，形成平臺上襯底的原子補償源；同時，裝置或許還需要至少兩組支撐、固定器件，以實現將兩組加熱爐連接在外部設備(如真空腔室)中完成薄膜生長的目的。
[0010]本發明的主要特點在于:
1.通過從高溫反應區域旋出承載有石墨烯金屬襯底的平臺，實現金屬襯底的快速降溫，將金屬襯底中的溶解碳原子“凍結”在金屬中，防止溶解碳原子滲出金屬襯底、在金屬襯底表面形成新的石墨烯層，有效避免新的石墨烯層造成的薄膜透光率的降低，從而生長出平整的、高質量的薄膜材料。本發明利用加熱裝置(I)和(2)來加熱襯底(3)至薄膜(4)生長所需的溫度，利用補償蒸發源(2)來蒸發同襯底相同的材料以補償其在薄膜生長過程中因為熱蒸發所流失的襯底表面材料，在薄膜生長結束時利用可旋出的承載有金屬襯底的平臺(5)實現金屬襯底快速降溫，防止了金屬襯底中溶解碳原子的滲出。
[0011]2.說明I中所述的加熱裝置(I)和(2)可以為:電阻加熱源、電子束轟擊源等任何將襯底加熱至薄膜生長所需要溫度的加熱裝置。
[0012]3.說明I中所述的蒸發源(2)可以為:任何形式的蒸鍍源，包含但不僅限于:電阻加熱蒸發源，電子束轟擊源，磁控濺射源。
[0013]4.說明I中所述的襯底(3)為銅(Cu)。
[0014]5.說明I中所述的薄膜(4)為石墨烯。
[0015]6.說明I中所述的可旋出的承載金屬襯底的平臺(5)為導熱系數較高的材料，例如石墨、鎢(W)等。
[0016]【專利附圖】
【附圖說明】:
圖1.化學氣相沉積(CVD)工藝制作石墨烯的原理示意圖。
[0017]圖2.高溫下緩慢降溫時金屬襯底中溶解碳滲出的示意圖。其中A為薄膜生長時平滑的銅箔襯底在高溫區域的示意圖。在理想情況下，在銅箔襯底上已沉積形成一層均勻平整的石墨烯薄膜，并且在銅箔襯底中，溶解有碳源原子。其中(I)為長成的石墨烯薄膜；
(2)為溶解在襯底中的碳原子；(3)為銅箔襯底；B為關閉加熱電源，銅箔襯底從高溫下緩慢降溫時，襯底中的碳源原子滲透至銅箔表面及已沉積的石墨烯薄膜之下，形成分散的石墨烯微片；C圖顯示的是，隨著這些分散的石墨烯微片逐漸連接起來，形成了新的一層石墨烯。如果金屬襯底中仍然存在碳源分子，這些碳源分子會繼續滲出形成更多層的石墨烯。
[0018]圖3.解決高溫下緩慢降溫時襯底金屬中溶解碳滲出的裝置的設計示意圖。其中A為倒置的加熱爐出為正置的加熱爐；(I)為補償蒸發源；(2)為與襯底相同的材料；(3)熱蒸發所流失的襯底表面材料；(4)為碳源原子；(5)長成的石墨烯薄膜；(6)襯底銅箔；(6)蒸發流失的襯底表面材料；(7)可旋出的承載有金屬沉底的平臺；(8)為加熱裝置。
【具體實施方式】
[0019]下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
[0020]實例一:參照圖3。
[0021 ] 利用補償蒸發源(I)和加熱裝置(8 )來加熱襯底(6 )至薄膜(5 )生長所需的溫度。
[0022]在薄膜生長的過程中利用補償蒸發源(I)來蒸發同襯底相同材料以補償其在薄膜生長過程中因為熱蒸發所流失的襯底表面材料(3)。蒸發源(I)可以為但不僅限于一與(8)相同的但相對的加熱裝置，將一塊和襯底相同的材料(2)加熱至同襯底(6)相同溫度。關閉加熱電源后，加熱裝置和補償蒸發源共同營造的加熱區域開始緩慢降溫，在關閉加熱電源的同時，可以將石墨烯金屬襯底平臺旋出至非加熱區域，非加熱區域的溫度遠遠低于加熱區域，利用金屬襯底和非加熱區域的極大的溫度差，實現金屬襯底的快速降溫，“凍結”金屬襯底中的溶解碳原子，從而有效地避免溶解碳原子在降溫過程中滲出金屬襯底表面形成多層石墨烯，保證了單層石墨烯的透光率。
【權利要求】
1.在用冷壁化學氣相沉積(CVD)設備生長石墨烯結束時，一種材料生長中快速降溫的方法及裝置，其設計原理在于:在關閉加熱電源后，同時將金屬襯底從高溫區域移出至低溫區域，實現快速降溫，使襯底中的溶解碳很快“凍結”在襯底金屬中，來不及滲透到襯底表面形成多層，從而生長出平整的、單層的、缺陷較少的石墨烯薄膜。
2.根據權利要求1所述的設計方案，構建了一種系統，系統包括:加熱裝置、兼具加熱功能的補償蒸發源、可以旋出的承載有金屬襯底的平臺；利用加熱裝置來加熱襯底至薄膜生長所需的溫度；在薄膜生長的過程中利用補償蒸發源來蒸發同襯底相同的材料，以補償其在薄膜生長過程中因為熱蒸發所流失的襯底表面材料；在薄膜生長結束時，關閉加熱電源，同時旋出承載有金屬襯底的平臺至低溫區，以達到快速降溫，防止溶解碳滲出形成多層石墨烯。
3.根據權利要求2所述的加熱裝置，其特點在于:任何將襯底加熱至薄膜生長所需溫度的加熱裝置；包含但不僅限于:電阻加熱源，電子束轟擊源。
4.根據權利要求2所述的補償蒸發源，包含但不僅限于:熱蒸發源，電子束轟擊源，磁控濺射源。
5.根據權利要求1所述的襯底，其特性在于:在石墨烯薄膜生長的高溫條件下，會溶解碳原子。
6.根據權利要求1所述的可旋出的承載有金屬襯底的平臺，其特性在于:平臺所用材料的導熱系數較大，在高溫加熱時，放置在加熱裝置和兼具加熱功能的補償蒸發源之間，可確保平臺周圍溫度均勻；在石墨烯薄膜生長結束，平臺旋出至低溫區域降溫時，導熱較快，可以實現快速降溫。
【文檔編號】C23C16/26GK104073787SQ201410308217
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月1日 優先權日:2014年7月1日
【發明者】董國材, 劉進行, 張祥 申請人:江南石墨烯研究院