專利名稱：石墨烯制造設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石墨烯制造設(shè)備以及制造石墨烯的方法，更具體地講，涉及一種可以經(jīng)濟(jì)地制造大尺寸穩(wěn)定石墨烯的石墨烯制造設(shè)備以及制造石墨烯的方法。
背景技術(shù)：
通常，石墨具有二維石墨烯片的堆疊結(jié)構(gòu)，所述石墨烯片為板形，并且通過以六邊形連接碳原子而形成。近來，已經(jīng)研究了從多個(gè)石墨烯層剝離的石墨烯片或石墨層的特性。 結(jié)果，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)石墨烯片具有與現(xiàn)有的材料的特性不同的非常有用的特性。最顯著的特性就是，當(dāng)電子在石墨烯片中移動(dòng)時(shí)，電子就像不具有重量一樣流動(dòng)。這意味著電子以光在真空中傳播的速度(即，光速)在石墨烯片中流動(dòng)。此外，還發(fā)現(xiàn)石墨烯片相對于電子和空穴具有異常的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)(abnormal half-integerquantum hall effect)。已知的是，石墨烯片的電子遷移率具有很高的值，在大約20000cm2/Vs至大約50000cm2/Vs之間。首先，對于與石墨烯片相似的碳納米管來說，當(dāng)合成以及精煉碳納米管時(shí)，碳納米管的生產(chǎn)成品率顯著降低，結(jié)果，即使通過使用廉價(jià)的材料來合成碳納米管，完成的產(chǎn)品的成本仍然昂貴，而石墨烯的成本很低。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題對于單層壁碳納米管，金屬特性和半導(dǎo)體特性根據(jù)它們手征性以及直徑而變化，即使它們具有相同的半導(dǎo)體特性，但是它們的帶隙也可能不同。因此，為了利用單層壁碳納米管的特定的半導(dǎo)體特性或金屬特性的優(yōu)點(diǎn)，有必要將單層壁碳納米管分開，這是眾所周知的是一個(gè)非常難的工藝。另一方面，由于石墨烯片的電學(xué)特性根據(jù)具有預(yù)定厚度的石墨烯片的結(jié)晶方向性而改變，所述電學(xué)特性可以在用戶選擇的方向上得以實(shí)現(xiàn)，從而容易設(shè)計(jì)一個(gè)設(shè)備。因此，可以在碳類電子設(shè)備中或碳類電磁設(shè)備中有效地利用石墨烯片的特征。如上所述，石墨烯片具有非常有用的性能，但是，難以以經(jīng)濟(jì)的方式重復(fù)制造大尺寸石墨烯片。制造石墨烯片的方法可以被分為兩種類型，即，微機(jī)械方法以及SiC晶體熱解方法。微機(jī)械方法包括將透明膠帶(Scotch tape)粘到石墨烯樣品上，剝離透明膠帶，在從石墨樣品上剝離的透明膠帶的表面上獲得石墨烯片。在這種情況下，所剝離的石墨烯片具有不規(guī)則的層數(shù)以及各種形狀。因此，難以通過利用所述微機(jī)械方法獲得大尺寸石墨烯片。在SiC晶體熱解方法中，在將SiC單晶體加熱之后，所述單晶體的表面上的SiC被分解 并且Si被去除，然后通過保留碳C來形成石墨烯片。然而，在該方法中，被用作原材料的SiC單晶體非常昂貴，并且通過使用SiC晶體熱解方法非常難以獲得大尺寸石墨烯片。技術(shù)方案本發(fā)明提供一種石墨烯制造設(shè)備以及制造石墨烯的方法，以經(jīng)濟(jì)地制造大尺寸穩(wěn)
定石墨烯。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種石墨烯制造設(shè)備，包括供氣單元，用于供應(yīng)包含碳的氣體；氣體加熱單元，用于加熱從供氣單元供應(yīng)的氣體；沉積室，具有催化劑層的基底設(shè)置在沉積室中；進(jìn)氣管，用于將氣體加熱單元的氣體供應(yīng)到沉積室中。所述氣體加熱單元可包括氣室，具有氣體在其中被加熱的密封空間；氣體加熱器，設(shè)置在氣室中，以將熱量施加給氣體。所述氣體加熱器可以是輻射熱的燈。所述氣體加熱單元還可包括設(shè)置在氣室中并與氣體加熱器相鄰的石英管，將要被氣體加熱器加熱的氣體被供應(yīng)到石英管。石英管的一端可穿過氣室并可連接到供氣單元，石英管的另一端可穿過氣室并可連接到所述進(jìn)氣管。所述氣室可包括涂覆有熱解氮化硼(PBN)的石墨材料。所述石墨烯制造設(shè)備還可包括基底加熱單元，所述基底加熱單元設(shè)置在沉積室中，用于將熱施加到基底。 所述基底加熱單元可以以比氣體加熱單元的加熱溫度低的溫度加熱沉積室。所述基底加熱單元可以是輻射熱的燈。所述進(jìn)氣管可包括圍繞進(jìn)氣管的至少一部分的絕熱單元。所述石墨烯制造設(shè)備還可包括加熱進(jìn)氣管的管道加熱單元。所述石墨烯制造設(shè)備還可包括基底供應(yīng)單元，所述基底供應(yīng)單元包括支撐基底的一部分的第一輥?zhàn)雍椭位椎牧硪徊糠值牡诙佔(zhàn)?，并連續(xù)地供應(yīng)基底，以允許基底通過沉積室的入口和出口。所述石墨烯制造設(shè)備還可包括可移動(dòng)地設(shè)置在沉積室中以打開和關(guān)閉所述入口和出口的蓋子。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制造石墨烯的方法，所述方法包括將具有催化劑層的基底移動(dòng)到沉積室中；將包含碳的氣體供應(yīng)到與沉積室分開設(shè)置的氣室中；在氣室中在加熱氣體；將在氣室中加熱的氣體引入到沉積室中，并在基底上合成石墨烯。加熱氣體的操作可包括通過從設(shè)置在氣室中的燈輻射熱來加熱氣體的操作。供應(yīng)氣體的操作可包括將氣氛氣體與包含碳的反應(yīng)氣體一起供應(yīng)的操作。合成石墨烯的操作可包括將包含碳的反應(yīng)氣體與氣氛氣體分開，然后僅將反應(yīng)氣體引入到沉積室中。合成石墨烯的操作可包括加熱被引入到沉積室中的所述基底的操作。加熱基底的操作可包括通過從設(shè)置在沉積室中的燈輻射熱來加熱所述基底的操作。加熱基底的操作可包括以比在氣體的加熱操作中加熱氣體的溫度低的溫度加熱所述基底的操作。有益效果通過將基底加熱單元與氣體加熱單元相互分開，所述石墨烯制造設(shè)備可自由地控制加熱時(shí)間以及冷卻時(shí)間，從而，可以減少合成石墨烯的時(shí)間。即，氣體加熱單元的處理溫度可被設(shè)置為較高，從而快速地加熱氣體，基底加熱單元可以以比氣體加熱單元的處理溫度低的處理溫度加熱基底。此外，通過將基底加熱單元和氣體加熱單元中的每個(gè)的處理溫度分別設(shè)置為不同，可相應(yīng)地優(yōu)化用于加熱基底的時(shí)間和能量以及用于加熱氣體的時(shí)間和能量，從而可減少能耗?！?br>

通過參照附圖對本發(fā)明的示例性實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯，其中圖I是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的石墨烯制造設(shè)備的框圖；圖2是在圖I的石墨烯制造設(shè)備中使用的基底的截面圖；圖3是示出在圖2的基底上合成的石墨烯的截面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的制造石墨烯的方法的流程圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的石墨烯制造設(shè)備的示圖。最佳實(shí)施方式以下，通過參照附圖解釋本發(fā)明的示例性實(shí)施例來詳細(xì)描述本發(fā)明。圖I是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的石墨烯制造設(shè)備的框圖。圖I的石墨烯制造設(shè)備包括供氣單元10，供應(yīng)包含碳的氣體；氣體加熱單元20，將由供氣單元10供應(yīng)的氣體加熱；沉積室50，具有催化劑層的基底90設(shè)置在沉積室50中；進(jìn)氣管40，將由氣體加熱單元20加熱并且已分解的氣體引入到沉積室50中。在所述石墨烯制造設(shè)備中，用于加熱氣體的氣體加熱單元20與用于在基底90的表面上沉積石墨烯的沉積室50是分開的。因此，可以減少由于為了使包含碳的氣體分解而在氣體加熱單元20中執(zhí)行的加熱過程而對沉積室50造成的影響。即，用于加熱沉積室50中的基底90的溫度低于用于在氣體加熱單元20中加熱氣體的溫度，從而即使為了使氣體分解而以高溫加熱氣體，也可以防止損壞基底90。供氣單元10將作為包含碳的氣體的反應(yīng)氣體(源氣體)供應(yīng)到氣體加熱單元20。由供氣單元10供應(yīng)的反應(yīng)氣體是包括碳的化合物,所述化合物可包括6個(gè)碳原子或少于6個(gè)的碳原子，4個(gè)碳原子或少于4個(gè)的碳原子，或者2個(gè)碳原子或少于2個(gè)的碳原子。反應(yīng)氣體可包括從由一氧化碳、二氧化碳、乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、丙烷、丙烯、丁烷、丁二烯、戊烷、戊烯、環(huán)戊二烯、己烷、環(huán)己烷、苯以及甲苯構(gòu)成的組中選擇的至少一種。供氣單元10可將氣氛氣體與反應(yīng)氣體一起供應(yīng)。氣氛氣體可包括惰性氣體(諸如，氦、氬等)以及包括氫氣的非反應(yīng)氣體，以通過干凈地將金屬催化劑的表面保持干凈來控制氣相反應(yīng)。
控制閥11可安裝在連接供氣單元10和氣室21的供應(yīng)管IOa中，從而控制閥11可控制從供氣單元10提供到氣室21的氣流。在具體實(shí)施方式
中使用的術(shù)語“石墨烯”或“石墨烯片”表示片狀石墨烯，在片狀石墨烯中，多個(gè)碳原子通過共價(jià)鍵連接然后形成多環(huán)芳香族分子。通過共價(jià)鍵連接的碳原子基本上形成六元環(huán)，但是還可包括五元環(huán)和/或七元環(huán)。因此，石墨烯片被形成為通過共價(jià)鍵(通常是sp2鍵)連接的單層碳原子。然而，石墨烯片可具有各種結(jié)構(gòu)，所述各種結(jié)構(gòu)可根據(jù)可包含在石墨烯中的五元環(huán)和/或七元環(huán)的成分而改變。如上所述，石墨烯片可被形成為單層石墨烯、然而，也可以通過堆疊多個(gè)石墨烯層以具有與最多300層對應(yīng)的厚度來形成多層石墨烯片。通常，石墨烯的側(cè)端部分通過氫原子而飽和。氣體加熱單元20包括容納從供氣單元10供應(yīng)的氣體的氣室21以及布置在氣室21中以加熱氣室21的氣體加熱器22。通過使用石英或金屬材料(諸如不銹鋼)來制造沉積室50，并且沉積室50是在基底90的表面上合成石墨烯的地方。沉積室50被形成為與氣體加熱單元20的氣室21分離，并且通過進(jìn)氣管40連接到氣室21。供氣閥41布置在進(jìn)氣管40中，從而控制從氣室21到沉積室50的加熱后的氣體的供應(yīng)。沉積室50具有入口 51和出口 52，通過入口 51來供應(yīng)基底90，并且通過出口 52來排放基底90。此為，為了打開和關(guān)閉入口 51以及出口 52，沿著箭頭方向移動(dòng)的蓋子71和72布置在沉積室50中。當(dāng)執(zhí)行在基底90的表面上合成石墨烯的工藝時(shí)，在氣室21中加熱的氣體被供應(yīng)到沉積室50，并同時(shí)加熱沉積室50，因此，蓋子71和72關(guān)閉入口 51和出口52，從而將沉積室50的氣氛與外部隔開。在完成合成石墨烯的工藝之后，蓋子71和72運(yùn)行以打開入口 51和出口 52，從而基底90可移動(dòng)，同時(shí)穿過沉積室50?；准訜釂卧?0可被布置在沉積室50中，從而加熱沉積室50。基底加熱單元80和氣體加熱器22可通過電線15a和15b連接到控制單元15，并可由控制單元15控制。排放泵95連接到沉積室50，從而通過排放管96將氣體從沉積室50排放到外部。排放閥97布直在排放管96中，從而控制氣體的排放。當(dāng)在沉積室50中完全形成石墨稀片 之后，排放閥97操作以排放沉積室50中的氣體。為了合成石墨烯片，基底加熱單元80運(yùn)行以控制沉積室50中的溫度。因此，與用于使包含碳的反應(yīng)氣體分解而以高溫加熱氣室21的氣體加熱器22不同，基底加熱單元80可以以低溫加熱沉積室50。當(dāng)在氣室21中加熱的氣體被提供到沉積室50中時(shí)，氣氛氣體可被清除，然后只有包含從反應(yīng)氣體分解的碳的成分可被過濾并被供應(yīng)?？蛇x地，反應(yīng)氣體可與氣氛氣體一起被供應(yīng)到沉積室50。氣體加熱器22可以以在大約300°C到大約2000°C的范圍內(nèi)的溫度加熱氣室21?；准訜釂卧?0可以大約300°C到1000°C的范圍內(nèi)的溫度加熱沉積室50。在包括碳的反應(yīng)氣體被供應(yīng)到沉積室50中之后，如果反應(yīng)氣體被分解，并且同時(shí)以大約1000°C或更高溫度加熱沉積室50以便在基底90上合成石墨烯，則將要沉積在基底90的表面上的催化劑金屬被限制為具有高耐熱性的材料。此外，當(dāng)以大約1000°C或更高溫度加熱沉積室50時(shí)，基底90可能會(huì)受熱損壞。
然而，在圖I的石墨烯制造設(shè)備中，沉積室50和氣室21相互分開，然后以不同的溫度被加熱，從而包含碳的反應(yīng)氣體可被有效地分解，同時(shí)，可以在基底90的表面上穩(wěn)定地合成石墨烯。驅(qū)動(dòng)氣體加熱器22和基底加熱單元80的熱源可包括感應(yīng)加熱、輻射熱、激光、IR(紅外線)、微波、等離子、紫外線(UV)、表面等離子體加熱等。所述熱源可附著到氣室21或沉積室50，并且可用于將氣室21或沉積室50中的溫度增加到預(yù)定溫度。通過基底供應(yīng)單元63可將在其上合成石墨烯的基底90連續(xù)地供應(yīng)到沉積室50。在圖I的石墨烯制造設(shè)備中，使用卷進(jìn)卷出(roll to roll)方法?；坠?yīng)單元63包括第一輥?zhàn)?1和第二輥?zhàn)?2，第一輥?zhàn)?1轉(zhuǎn)動(dòng)并支撐基底90的一部分，第二輥?zhàn)?2轉(zhuǎn)動(dòng)并支撐基底90的另一部分。盡管在圖I中沒有示出，但是，第一輥?zhàn)?1和第二輥?zhàn)?2可通過電機(jī)、帶或鏈而被旋轉(zhuǎn)。通過基底供應(yīng)單元63將基底90 連續(xù)地供應(yīng)到沉積室50，以便穿過入口 51和出口 52。本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例不限于前面提到的基底90的供應(yīng)方式，而是可以使用各種設(shè)備，諸如，傳送帶、運(yùn)輸機(jī)器人等。圖2是圖I中的石墨烯制造設(shè)備中使用的基底90的截面圖。被供應(yīng)到沉積室50的基底90包括基礎(chǔ)層91以及設(shè)置在基礎(chǔ)層91的表面上的催化劑層92?；A(chǔ)層91可由耐熱的材料形成并且對石墨稀具有聞?wù)掣搅Α？蛇x地，基礎(chǔ)層91本身可具有這種特性或者具有這種特性的材料可被涂覆在基礎(chǔ)層91上。用于基礎(chǔ)層91的材料可以是包括Si基底、玻璃基底、GaN基底、二氧化硅基底等的無機(jī)基底，或者可以是包括Ni、Cu、W等的金屬基底。在基礎(chǔ)層91中使用的材料的例子可包括Si02、Si3N4、Si0N、SI0F、BN、氫硅酸鹽類(HSQ)、干凝膠、氣凝膠、聚萘、無定形碳a-CF、SiOC、MSQ、黑金剛石等。設(shè)置在基礎(chǔ)層91的表面上的催化劑層92用作石墨催化劑并幫助碳成分相互結(jié)合，以形成六邊形板形結(jié)構(gòu)，其中，碳成分包含在從氣室21被提供到沉積室50的加熱后的氣體中。催化劑層92可包括用于合成石墨烯的一種催化劑，以誘導(dǎo)碳化反應(yīng)，或制造碳納米管。 催化劑層92可包括從由鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、鉬(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鎂(Mg)、錳(Mn)、鑰(Mo)、銠(Rh)、硅(Si)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、鎢(W)、鈾(U)、釩(V)、鈀(Pd)、釔(Y)和鋯(Zr)構(gòu)成的組中選擇的至少一種金屬催化劑?？赏ㄟ^利用濺射設(shè)備、電子束蒸鍍機(jī)等在基礎(chǔ)層91上沉積金屬催化劑來形成催化劑層92?？梢砸粤硪环N方式來形成催化劑層92。例如，可以以金屬薄膜(例如，金屬薄片)的形式來直接制備催化劑層92。在這種情況下，可以不使用由硅晶片材料形成的包括SiO2層的基礎(chǔ)層91。盡管在圖2中沒有示出，但是，阻擋層可預(yù)先涂覆在基礎(chǔ)層91的表面上，以抑制催化劑層92和基礎(chǔ)層91之間的不必要的反應(yīng)。阻擋層存在于催化劑層92和基礎(chǔ)層91之間，從而阻擋層可抑制石墨烯形成效率由于催化劑層92和基礎(chǔ)層91之間的反應(yīng)而降低。阻擋層可包括SiOx、TiN, A1203、TiO2, Si3N4等，并且可通過使用濺射方法等而形成在基礎(chǔ)層91上。為了增加基底90和石墨烯之間的粘附力并促進(jìn)石墨烯在平面方向上的生長，同時(shí)抑制CNT的產(chǎn)生，可以在基底90的表面上執(zhí)行活化工藝。通過利用圖I的石墨烯制造設(shè)備，具有用作石墨催化劑的催化劑層92的基底90被提供到沉積室50，從氣室21提供的包含碳的氣體(氣相碳供應(yīng)源)被供應(yīng)到沉積室50，同時(shí)加熱沉積室50，石墨烯形成在基底90的表面上，然后石墨烯被冷卻并生長，從而石墨烯片形成在基底90的表面上。圖3是示出了在圖2的基底90上合成石墨烯的截面圖。當(dāng)從氣室21供應(yīng)的被加熱的氣體被供應(yīng)到具有預(yù)定壓強(qiáng)的沉積室50并且以預(yù)定溫度被加熱預(yù)定時(shí)間段時(shí)，存在于氣相碳供應(yīng)源中的碳成分通過相互結(jié)合形成六邊形板形結(jié)構(gòu)，從而形成石墨烯。通過以預(yù)定冷卻速度冷卻石墨烯，可獲得具有均勻陣列狀態(tài)的石墨烯片93。在冷卻工藝中，通過將碳與催化劑層92分離并通過以大約30°C /min到大約·6000C /min范圍內(nèi)的冷卻速度快速冷卻石墨烯片93來使碳結(jié)晶，來使石墨烯片93生長?？赏ㄟ^冷卻沉積室50來執(zhí)行所述冷卻過程，或者可通過將石墨烯形成在其上的基底90移動(dòng)到沉積室50外部而在單獨(dú)的地方執(zhí)行所述冷卻工藝。圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的制造石墨烯的方法的流程圖。圖4中的制造石墨烯的方法包括將具有催化劑層的基底移動(dòng)到沉積室(操作S100)、將包含碳的氣體供應(yīng)到與沉積室分開設(shè)置的氣室(操作S110)、通過在氣室中加熱氣體來使氣體分解(操作S120)、將在氣室中分解的氣體引入沉積室，然后在基底上合成石墨烯(操作S130和S140)。在操作SllO中，供應(yīng)包含碳的反應(yīng)氣體。所述反應(yīng)氣體可使用從由一氧化碳、二氧化碳、乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、丙烷、丙烯、丁烷、丁二烯、戊烷、戊烯、環(huán)戊二烯、己烷、環(huán)己烷、苯、以及甲苯構(gòu)成的組中選擇的至一種。在操作SllO中，可將氣氛氣體與反應(yīng)氣體一起供應(yīng)。氣氛氣體可包括惰性氣體(諸如氦、氬等)以及用于通過干凈地使金屬催化劑的表面保持清潔來控制氣相反應(yīng)的包括氫的非反應(yīng)氣體。在操作S130中，加熱基底，在操作S140中，將在氣室中加熱并分解的氣體引入到沉積室?？稍诓僮鱏130之前執(zhí)行操作S140，或者可同時(shí)執(zhí)行操作S130和S140。在使氣體加熱并分解的操作S120中，氣室可以在大約300°C到大約2000°C的范圍內(nèi)被加熱。在操作S130中，基底可以在大約300°C到大約1000°C的范圍內(nèi)被加熱。在將包含碳的反應(yīng)氣體供應(yīng)到沉積室之后，如果反應(yīng)氣體分解并且同時(shí)以1000°C或更聞溫度加熱沉積室從而在基底的表面上合成石墨稀，則基底會(huì)被熱損壞。然而，根據(jù)圖4中的制造石墨烯的方法，沉積室和氣室被相互分開，并在不同的溫度范圍內(nèi)被加熱，從而可有效地分解包含碳的反應(yīng)氣體，同時(shí)可以在基底的表面上穩(wěn)定地合成石墨烯。在通過將氣體引入到沉積室來在基底的表面上形成石墨烯之后，可執(zhí)行冷卻基底的操作，從而通過冷卻基底來在基底的表面上生長石墨烯。
具體實(shí)施例方式圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的石墨烯制造設(shè)備的構(gòu)成元件之間的關(guān)系的示圖。圖5的石墨烯制造設(shè)備包括供氣單元110，供應(yīng)包含碳的氣體；氣體加熱單元120，加熱從供氣單元110供應(yīng)的氣體；沉積室150，具有催化劑層的基底90設(shè)置在沉積室150中；以及進(jìn)氣管140，用于將由氣體加熱單元120加熱并分解的氣體引入到沉積室150中。與之前圖I至圖3的實(shí)施例類似，在圖5的石墨烯制造設(shè)備中，在其中加熱氣體的氣體加熱單元120與沉積室150分開，從而可以減少由于為使包含碳的氣體分解而執(zhí)行的加熱工藝對沉積室150造成的影響。氣體加熱單元120包括氣室121 和氣體加熱器122，氣室121形成用于加熱氣體的密封空間，氣體加熱器122設(shè)置在氣室121中，從而將熱量提供給氣體。用作將被加熱的氣體的通道的石英管123可被設(shè)置在氣室121中。石英管123的一端123a穿過氣室121，然后連接到供氣單元110，從而從供氣單元110供應(yīng)的氣體可進(jìn)入氣室121。石英管123的另一端123b穿過氣室121，然后連接到進(jìn)氣管140，從而在氣室121中被加熱的氣體可通過進(jìn)氣管140被供應(yīng)到沉積室150中。氣體加熱器122可以是輻射熱的燈。例如，氣體加熱器122可包括多個(gè)鹵素?zé)簟臍怏w加熱器122輻射的熱可快速地將石英管123中的氣體加熱到處理溫度。具有前述結(jié)構(gòu)的氣體加熱單元120用作快速熱處理(RTP)裝置。所述RTP裝置可在高溫條件下獲得期望的效果，并且可將熱處理工藝執(zhí)行較短的時(shí)間段(通常，幾秒到幾分鐘)，從而RTP裝置可將不必要地?cái)U(kuò)散的雜質(zhì)或不必要地產(chǎn)生的氧化物最少化。例如，氣室121可包括涂覆有熱解氮化硼(PBN)的石墨材料。進(jìn)氣管140連接到沉積室150和氣室121中的每一個(gè)上，將氣室121的加熱后的氣體供應(yīng)到沉積室150。為了提高絕熱效果，進(jìn)氣管140的長度可被最小化。此外，進(jìn)氣管140包括圍繞進(jìn)氣管140的一部分的絕熱單元141。為了防止進(jìn)氣管140中的溫降，管加熱單元145設(shè)置在進(jìn)氣管140的外部，以加熱進(jìn)氣管140。管加熱單元145包括加熱進(jìn)氣管140的加熱器142以及將電流提供給加熱器142的電源單元143?；准訜釂卧?80設(shè)置在沉積室150中。與氣體加熱單元120類似，基底加熱單元180可以是RTP裝置。即，基底加熱單元180可以是輻射熱的燈，因此，可通過輻射熱來快速地加熱基底90。RTP裝置可自由地控制加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間，從而，通過使基底加熱單元180和氣體加熱單元120相互分開，可減少合成石墨烯所需要的時(shí)間。即，氣體加熱單元120的處理溫度可被設(shè)置地較高，從而快速地加熱氣體，基底加熱單元180可以比氣體加熱單元120的處理溫度低的處理溫度加熱基底90。此外，通過不同地設(shè)置基底加熱單元180和氣體加熱單元120的每一個(gè)的處理溫度，可優(yōu)化用于加熱基底90的時(shí)間和能量以及用于加熱氣體的時(shí)間和能量，從而可以減少能耗。雖然已經(jīng)參照示本發(fā)明的示例性實(shí)施例詳細(xì)示出和描述了本發(fā)明，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在不脫離由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對在這里做出形式和細(xì)節(jié)上的各種改變。工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明涉及石墨烯制造設(shè)備以及制造石墨烯的方法，更具體講，涉及一種可以經(jīng)濟(jì)地制造大尺寸穩(wěn)定石墨烯的石墨烯制造設(shè)備以及制造石墨 烯的方法。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯制造設(shè)備，包括 供氣單元，用于供應(yīng)包含碳的氣體； 氣體加熱單元，用于加熱從供氣單元供應(yīng)的氣體； 沉積室，具有催化劑層的基底設(shè)置在沉積室中； 進(jìn)氣管，用于將氣體加熱單元的氣體供應(yīng)到沉積室中。
2.如權(quán)利要求I所述的石墨烯制造設(shè)備，其中，所述氣體加熱單元包括 氣室，具有氣體在其中被加熱的密封空間； 氣體加熱器，設(shè)置在氣室中，以將熱量施加給氣體。
3.如權(quán)利要求2所述的石墨烯制造設(shè)備，其中，所述氣體加熱器是輻射熱的燈。
4.如權(quán)利要求3所述的石墨烯制造設(shè)備，其中，所述氣體加熱單元還包括設(shè)置在氣室中并與氣體加熱器相鄰的石英管，將要被氣體加熱器加熱的氣體被供應(yīng)到石英管。
5.如權(quán)利要求4所述的石墨烯制造設(shè)備，其中，石英管的一端穿過氣室并連接到供氣單元，石英管的另一端穿過氣室并連接到所述進(jìn)氣管。
6.如權(quán)利要求2所述的石墨烯制造設(shè)備，其中，所述氣室包括涂覆有熱解氮化硼(PBN)的石墨材料。
7.如權(quán)利要求I所述的石墨烯制造設(shè)備，還包括基底加熱單元，所述基底加熱單元設(shè)置在沉積室中并將熱施加到基底。
8.如權(quán)利要求7所述的石墨烯制造設(shè)備，其中，所述基底加熱單元以比氣體加熱單元的加熱溫度低的溫度加熱沉積室。
9.如權(quán)利要求7所述的石墨烯制造設(shè)備，其中，所述基底加熱單元是輻射熱的燈。
10.如權(quán)利要求I所述的石墨烯制造設(shè)備，其中，所述進(jìn)氣管包括圍繞進(jìn)氣管的至少一部分的絕熱單元。
11.如權(quán)利要求10所述的石墨烯制造設(shè)備，還包括加熱進(jìn)氣管的管道加熱單元。
12.如權(quán)利要求I所述的石墨烯制造設(shè)備，還包括基底供應(yīng)單元，所述基底供應(yīng)單元包括支撐基底的一部分的第一輥?zhàn)雍椭位椎牧硪徊糠值牡诙佔(zhàn)?，并連續(xù)地供應(yīng)基底，以允許基底通過沉積室的入口和出口。
13.如權(quán)利要求12所述的石墨烯制造設(shè)備，還包括可移動(dòng)地設(shè)置在沉積室中以打開和關(guān)閉所述入口和出口的蓋子。
14.一種制造石墨烯的方法，所述方法包括 將具有催化劑層的基底移動(dòng)到沉積室中； 將包含碳的氣體供應(yīng)到與沉積室分開設(shè)置的氣室中； 在氣室中在加熱氣體； 將在氣室中加熱的氣體引入到沉積室中，并在基底上合成石墨烯。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，氣體的加熱包括通過從設(shè)置在氣室中的燈輻射熱來加熱氣體。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，氣體的供應(yīng)包括將氣氛氣體與包含碳的反應(yīng)氣體一起供應(yīng)。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，石墨烯的合成包括將包含碳的反應(yīng)氣體與氣氛氣體分開，然后僅將反應(yīng)氣體引入到沉積室中。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，石墨烯的合成包括加熱被引入到沉積室中的所述基底。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，基底的加熱包括通過從設(shè)置在沉積室中的燈輻射熱來加熱所述基底。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，基底的加熱包括以比在氣體的加熱操作中加熱氣體的溫度低的溫度加熱所述基底。
全文摘要
一種石墨烯制造設(shè)備，包括供氣單元，用于供應(yīng)包含碳的氣體；氣體加熱單元，用于加熱從供氣單元供應(yīng)的氣體；沉積室，具有催化劑層的基底設(shè)置在沉積室中；進(jìn)氣管，用于將氣體加熱單元的氣體引入到沉積室中。沉積室的溫度被設(shè)置為低于氣體加熱單元的溫度，從而可以擴(kuò)大與在催化劑層中將要采用的催化劑金屬有關(guān)的選擇范圍，由于高溫?zé)崃繉自斐傻膿p壞可被最小化。
文檔編號C01B31/02GK102958832SQ201180032694
公開日2013年3月6日 申請日期2011年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者元棟觀, 曹承旻 申請人:三星泰科威株式會(huì)社