一種制備大尺寸高質量石墨烯單晶的裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種制備大尺寸尚質量石墨條單晶的裝置及方法，屬于石墨條單晶制 備設備及方法技術領域。
【背景技術】
[0002] 石墨烯是由碳原子以SP2軌道雜化形成的呈六角形蜂巢晶格的原子級二維晶體材 料，具有幾十倍于商用硅片的高載流子迀移率，并且受溫度和摻雜效應的影響很小，表現出 優良的電子傳輸特性。石墨烯晶體在超高頻率電子器件方面有著重要應用價值。然而，石 墨烯電子器件性能的提升受到石墨烯品質的嚴重制約，這依賴于石墨烯制備技術和方法的 改進。制備出高質量、低成本的石墨烯晶體是當前實現石墨烯應用的前提條件。
[0003] CN103643288A公開了一種高質量大尺寸單晶石墨烯的制備方法，采用化學氣相 沉積（CVD)技術，以銅、鉑等金屬為生長基體，以碳氫化合物為碳源，在含有氫氣的載氣存 在的情況下，先對金屬基體進行熱處理，并利用碳源氣體高溫下催化裂解，生長出單晶石墨 烯。然后通過調控氫氣和碳源濃度對石墨烯進行刻蝕，減小單晶石墨烯的分布密度，之后再 次調節反應氣氛使其再生長，如此反復數次，最終獲得高質量大尺寸單晶石墨烯。
[0004] CN203187782U提供一種制備單晶石墨烯的裝置，它包括真空泵1、進氣口 2、外腔 3、加熱裝置4、出氣口 5、內腔6和排氣管7,其特征在于外腔中部內設有內腔，加熱裝置位于 外腔外，并緊靠內腔位置處，外腔的兩端分別設有進氣口和出氣口，出氣口連接在排氣管的 一端，排氣管上連有真空泵。具體使用步驟如下：1)、將潔凈的金屬片放在內腔6中，開啟真 空泵1，內腔6形成負壓，用惰性氣體將整個腔體內的空氣排凈。用加熱裝置4將加熱區升 溫到1000°C以上；2)、將含碳氣體、氫氣及惰性氣體通入到腔體中，各氣體的流速及通氣的 時間可根據需要制備的單晶石墨烯的規格而定；3)、關閉所有氣源，移除加熱4裝置，關閉 真空泵1 ;4)、待整個裝置冷卻至室溫后，將金屬片取出，即制備出高質量的單晶石墨烯。使 用此裝置可以在銅、鉑等金屬上制備出高質量的單晶石墨烯，該實用新型不僅結構簡單，使 用也較為方便。
[0005] CN102786049A提供SiC熱裂解法制備石墨烯的系統，包括作為真空腔體的氣煉 石英管，位于真空腔體內中間位置的SiC襯底、感應加熱石墨舟和碳氈保溫層，所述SiC襯 底位于石墨舟樣品槽內，石墨舟位于碳氈保溫層中部，碳氈保溫層緊貼真空腔體的管壁并 形成中空結構；真空腔體的一端具有真空腔門用以開啟和關閉真空腔體，真空腔門的下方 依次連接有擋板閥、分子泵和機械泵組成的抽真空氣路用以按需對真空腔體進行抽真空操 作；真空腔體的另一端具有透紅線外玻璃材質的紅外探測窗口。采用本發明的系統和方法， 可以在較高氣壓狀態下（〇. 1~1個大氣壓）制備出高質量的石墨烯。
[0006] 從目前報道來看，石墨烯單晶常用的制備方法主要有兩大類，一類是化學氣相沉 積（CVD)法，另一類是高溫SiC熱解法。CVD方法工藝較為簡單、成本低廉，但石墨烯晶體的 制備通常依賴于Cu、Ni或Pt等金屬基底，需要將制備的石墨烯晶體剝離并轉移到各種絕緣 基片上備用。在剝離和轉移的過程中，容易對石墨烯造成損傷或污染，這不利于后續電子器 件制備和性能提高。高溫Sic熱解法通過高溫使SiC表面的Si原子脫離SiC基片來獲得 一層或數層石墨烯，其生產流程可以與當前半導體工藝相融合，不需要轉移等后續工藝便 有望做成器件。但是，因生長機理的限制，SiC熱解法得到的石墨烯的均勻性較差，難以得 到層數可控的石墨烯薄膜，且單純采用SiC熱解法制備的石墨烯與SiC襯底間存在明顯的 緩沖層，降低石墨烯的迀移率，不利于石墨烯電子器件的應用。
【發明內容】
[0007] 針對上述現有技術存在的問題，本發明提供一種采用高溫CVD技術在SiC襯底上 制備大尺寸高質量石墨烯單晶的裝置和生長方法。
[0008] 本發明的技術方案如下：
[0009] -種米用尚溫CVD技術在SiC襯底上制備石墨條單晶的裝置，該裝置包括：
[0010] -殼體和頂蓋，頂蓋位于殼體上面，頂蓋中部有進氣口，與頂蓋內設置的帶布氣管 的氣體噴頭連通，使進入的高純氣體均勻分布進入反應腔體；
[0011] -反應腔體位于殼體中部，反應腔體由上下兩段密封石英管、插接在兩段密封石英 管中間的石墨發熱體、放置在石墨發熱體內部的石墨坩堝組成，石墨坩堝用于放置SiC晶 片襯底；反應腔體通過固定在殼體內底部的支撐架支撐；
[0012] -冷卻水系統，位于石墨發熱體外，自下而上通冷卻循環水；
[0013] -中頻線圈，位于石墨發熱體外，用于感應加熱石墨發熱體；
[0014] -在密封石英管下端設有氣體導出通道，連通殼體底部的出氣口。
[0015] 本裝置的進、出氣口采用上、下對流方式。
[0016] 根據本發明所述的裝置，優選的，所述石墨發熱體外有保溫隔熱層；保溫隔熱層外 是冷卻水系統；
[0017] 根據本發明所述的裝置，優選的，所述中頻線圈位于石墨發熱體外的冷卻水系統 外側。進一步優選，在冷卻水系統和保溫隔熱層之間還設有保溫石英管。
[0018] 根據本發明所述的裝置，優選的，所述冷卻水系統下方有固定在殼體內底部的不 銹鋼支撐架支撐。
[0019] 根據本發明所述的裝置，優選的，所述頂蓋與殼體之間通過可調節螺母或可升降 栓相連，所述反應腔體支撐架也有可調節高度的螺母，通過調節螺母，使得包括石墨發熱體 的整個反應腔體高度可上下調節；從而調節反應腔體內的溫場分布，以滿足SiC晶片襯底 上生長石墨烯晶體所需的溫度。所述密封石英管下端的支撐架為不銹鋼材料制成。
[0020] 本發明石墨烯制備裝置的氣體進出口位于反應腔體的上、下兩端，特別的，出氣口 的下方有抽真空系統用以按需對整個爐體進行抽真空操作。抽真空系統依次連接有擋板 閥、機械泵和分子泵組成。可按現有技術。
[0021] 根據本發明所述的裝置，優選的，在殼體底部的出氣口一側設有紅外測溫器。通過 來自溫場的氣體流通，能方便地測知晶體樣品周圍的溫度。
[0022] 根據本發明所述的裝置，優選的，石墨發熱體的兩端面有凹槽，凹槽直徑與密封石 英管直徑相適配且凹槽寬度與石英管壁厚相適配，便于契合密封。
[0023] 根據本發明所述的裝置，優選的，所述石墨發熱體外的保溫隔熱層的材料為碳氈， 碳氈包覆在石墨發熱體周圍，保溫層內部填充SiC粉，起到更好地保溫隔熱作用。
[0024] 本發明的裝置中，優選的，頂蓋和殼體采用相同的鋼材質制作，頂蓋中部內置同等 鋼材的氣體噴頭，其布氣管豎向設置且內徑為1~2_。氣體通向載有SiC晶片襯底的石墨 坩堝。冷卻水系統的冷卻水管道由石英材質制成，自下而上通冷卻循環水。
[0025] 本發明的裝置中，所述石墨發熱體由高純石墨（99. 99%以上）制作。在中頻電流 的感應下溫度升高，并可以在短時間內獲得較高的溫度，為石墨烯生長提供高溫環境。
[0026] 本發明的裝置中，所述中頻線圈為銅管制作而成，內通冷卻循環水。按現有技術即 可。制備石墨烯用SiC襯底，優選4H-SiC和6H-SiC晶片，使用前需要切割、清洗。按現有 技術即可。
[0027] 石墨坩堝放置在石墨發熱體內部中間位置。石墨發熱體的形狀和大小可根據所需 的溫場進行設計。一個較優選的方案參見附圖2,所述石墨發熱體內下部為圓筒，再依次