專利名稱：一種快速連續(xù)制備大尺寸石墨烯薄膜的裝置及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于薄膜材料領(lǐng)域，具體涉及一種快速連續(xù)制備大尺寸石墨烯薄膜的裝置及方法。
背景技術(shù)：
自2004年由Novoselov和Gein第一次制備出單層石墨烯以來，延生了許許多多種制備石墨烯的方法。美國專利US20110045^201A1公開了一種在氮化硼上異質(zhì)外延生長石墨烯的方法。該方法是先用原子沉積法在金屬襯底上生長出氮化硼薄膜，然后再在長出的氮化硼薄膜上通碳源，通過化學(xué)氣相沉積法生長石墨烯，形成石墨烯/氮化硼異質(zhì)薄膜。 這種方法要求有很高的反應(yīng)溫度，由于自由的碳原子在氮化硼襯底上易于聚集形成無定形碳顆粒，因此該方法難以在面內(nèi)擴(kuò)散形成大面積的均相石墨烯薄層?；瘜W(xué)氣相沉積法(CVD法)被認(rèn)為是目前最有希望制備大面積、高品質(zhì)的石墨烯薄膜的方法，其中利用卷對(duì)卷(roll-to-roll)帶動(dòng)催化金屬薄層[Appl. Phys. Lett. 2011,98, 133106]來代替單個(gè)金屬片的方法更是為大規(guī)模制備大尺寸的石墨烯薄膜提供了可能性。然而，在上述卷對(duì)卷的方法中，對(duì)于金屬的加熱器為管式爐(tube furnace)是整體大范圍的加熱，而催化金屬在1000°C及以上時(shí)會(huì)處于整體熔融狀態(tài)，此時(shí)若拉動(dòng)催化金屬薄層，金屬薄層很可能受力變形甚至拉斷，且由于管式爐從中心向兩邊的溫度逐漸降低， 容易造成在不同溫度區(qū)間石墨烯薄膜生長的不均勻以及不可控。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要解決采用卷對(duì)卷制備石墨烯薄膜時(shí)，催化金屬薄層在高溫下受力易變形或拉斷和石墨烯薄膜生長不可控性的問題，提供一種快速連續(xù)制備大尺寸石墨烯薄膜的裝置。本發(fā)明的另一目的是提供上述裝置在制備大尺寸石墨烯薄膜中的應(yīng)用。一種快速連續(xù)制備大尺寸石墨烯薄膜的裝置，所述裝置包括卷對(duì)卷、熱源和氣瓶， 其特點(diǎn)在于所述卷對(duì)卷帶動(dòng)催化金屬薄層移動(dòng)，并穿過密閉石英箱；分裝在氣瓶中的保護(hù)氣體、氫氣和碳源通過管路進(jìn)入密閉石英箱；密閉石英箱與真空泵連接，以保持氣體的流動(dòng)性和較低的氣壓；所述熱源為激光器，激光器發(fā)射出的激光束透過密閉石英箱照射在催化金屬薄層的表面對(duì)其進(jìn)行逐行掃描加熱。進(jìn)一步，所述激光器安裝在與催化金屬薄層運(yùn)動(dòng)方向垂直的軸上。進(jìn)一步，所述激光器為液體激光器、氣體激光器或固體激光器。進(jìn)一步，所述裝置安裝有一個(gè)或多個(gè)激光器，從而實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)或多點(diǎn)掃描，即單束或多束激光束在催化金屬薄層上進(jìn)行照射。上述裝置在制備大尺寸石墨烯薄膜中的應(yīng)用，具體步驟包括
(1)將保護(hù)氣體、氫氣和碳源分別通入密閉石英箱，同時(shí)開啟卷對(duì)卷，帶動(dòng)催化金屬薄層運(yùn)行；(2)將激光束照射在催化金屬薄層上，對(duì)其進(jìn)行加熱，使加熱區(qū)附近的氫氣與碳源反應(yīng)，在催化金屬薄層上生長出石墨烯薄膜。進(jìn)一步，所述保護(hù)氣體為氮?dú)?、氬氣、氦氣或氖氣。進(jìn)一步，所述碳源為含有廣7個(gè)碳原子的烷烴、烯烴或炔烴。所述碳源優(yōu)選常溫常壓下呈氣態(tài)的烷烴、烯烴或炔烴。具體地例子有甲烷，乙炔，乙烯，乙烷，丙烷，丙烯，丁烷。進(jìn)一步，所述催化金屬薄層為鎳、鈷、鐵、鉬、金、鋁、鉻、銅、鎂、錳、鉬、釕、鉭、鈦、鎢中的一種或任意兩種或兩種以上組成的合金。進(jìn)一步，所述激光束波長為20(Tl0600nm。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的裝置采用激光器作為熱源，實(shí)現(xiàn)化學(xué)氣相沉積法生長石墨烯薄膜，解決了在傳統(tǒng)管式爐中由于金屬薄層整體受熱造成高溫下金屬薄層受力變形甚至拉斷的問題。采用本發(fā)明的裝置可實(shí)現(xiàn)大尺寸石墨烯薄膜均勻、快速、連續(xù)的生長， 也可以對(duì)石墨烯薄膜生長區(qū)域進(jìn)行更為精確的控制，即只在特定的區(qū)域生長或進(jìn)行特殊圖案的生長。由于本發(fā)明裝置加熱區(qū)域只是局限在激光束光斑處，與管式爐在整個(gè)爐中都處于高溫且溫度分布不勻相比，本發(fā)明生長過程中產(chǎn)生無定形碳顆粒的可能性更小。


圖1為本發(fā)明快速連續(xù)制備大尺寸石墨烯薄膜的裝置示意圖。圖2為本發(fā)明的裝置工作時(shí)，激光器與催化金屬薄層的相對(duì)運(yùn)動(dòng)圖。其中，卷對(duì)卷(101和103為傳動(dòng)輥，102和104為輔輥)，催化金屬薄層(2)，密閉石英箱(3)，激光器(4)，氣瓶(5)，真空泵(6)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。如圖1所示，本發(fā)明快速連續(xù)制備大尺寸石墨烯薄膜的裝置包括卷對(duì)卷、若干個(gè)裝有不同氣體的氣瓶、真空泵、密閉石英箱、催化金屬薄層和激光器。卷對(duì)卷可采用多種結(jié)構(gòu)，如采用專利申請(qǐng)?zhí)?00810132655. 9、專利申請(qǐng)?zhí)?201020643M5. 1所公開的方式，本發(fā)明采用如文獻(xiàn)Appl. Phys. Lett.湖77，98，133106公開的卷對(duì)卷，即由兩個(gè)傳動(dòng)輥(101、103)和兩個(gè)輔輥(102、104)組成，催化金屬薄層由兩個(gè)傳動(dòng)輥(101、103)帶動(dòng)著向行進(jìn)，兩個(gè)輔輥(102、104)能使催化金屬薄層保持緊繃，該催化金屬薄層即是石墨烯薄膜生長的催化劑，也是其生長的襯底，因此保持催化金屬薄層的緊繃狀態(tài)相對(duì)有利于高質(zhì)量的石墨烯薄膜的生長。該裝置只采用一個(gè)傳動(dòng)輥也是可行的，如保留出裝置尾部的傳動(dòng)輥(101)。將密閉石英箱安裝在卷對(duì)卷的兩個(gè)輔輥之間，并且使催化金屬薄層穿過密閉石英箱，密閉石英箱的好處是，其透光性良好，使激光束能能夠透過其照射在催化金屬薄層表面上，這樣可方便激光器的安裝和運(yùn)動(dòng)。密閉石英箱同時(shí)與若干個(gè)氣瓶相連，氣瓶數(shù)量可以根據(jù)采用的化學(xué)反應(yīng)不同而調(diào)整，但主要有裝有保護(hù)氣體的氣瓶(501)、裝有氫氣的氣瓶(502)、裝有碳源的氣瓶(503)， 分別通過閥門及氣體流量控制器控制各種氣體的流量大小。
所述的保護(hù)氣體可以使用氮?dú)狻鍤?、氦氣或氖氣或者它們的混合氣。密閉石英箱還與真空泵相連，密閉石英箱的形狀可以是圓柱形、長方形、正方形或其它可接受的形狀，優(yōu)選長方形。激光器安裝在與催化金屬薄層運(yùn)動(dòng)方向垂直的軸(401)上，且可在該軸(401)上來回運(yùn)動(dòng)，激光器發(fā)射出的激光束透過密閉石英箱照射在催化金屬薄層的表面。當(dāng)采用多個(gè)激光器時(shí)，則可實(shí)現(xiàn)多束激光束對(duì)催化金屬薄層的掃描照射。激光器的運(yùn)動(dòng)通過與其連接的傳動(dòng)器件進(jìn)行控制。激光器可以是液體激光器、氣體激光器或固體激光器。在進(jìn)行石墨烯薄膜生長時(shí)， 激光束的波長控制為200 10600歷。采用本發(fā)明的裝置制備大尺寸石墨烯薄膜時(shí)，具體步驟包括
(1)將保護(hù)氣體、氫氣和碳源分別通入密閉石英箱，同時(shí)開啟卷對(duì)卷，帶動(dòng)催化金屬薄層運(yùn)行；
(2)將激光束照射在催化金屬薄層上，對(duì)其進(jìn)行加熱，使加熱區(qū)附近的氫氣與碳源反應(yīng)，在催化金屬薄層上生長出石墨烯薄膜。可采用含有廣7個(gè)碳原子的烷烴、烯烴或炔烴為碳源，碳源優(yōu)選常溫常壓下呈氣態(tài)的烷烴、烯烴或炔烴。具體地例子有甲烷，乙炔，乙烯，乙燒，丙燒，丙烯，丁燒，優(yōu)選甲烷。催化金屬薄層可以是鎳、鈷、鐵、鉬、金、鋁、鉻、銅、鎂、錳、鉬、釕、鉭、鈦、鎢中的一種或任意兩種或兩種以上組成的合金，優(yōu)選銅、鎳。在進(jìn)行石墨烯生長前，可開啟真空泵或先通入保護(hù)氣體對(duì)密閉石英箱進(jìn)行排空氣操作。在石墨烯薄膜生長過程中，激光器在軸(401)上來回運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)激光器運(yùn)動(dòng)速率及其在軸上的運(yùn)動(dòng)幅度，再配合催化金屬薄層的行進(jìn)速率，即可實(shí)現(xiàn)大尺寸石墨烯薄膜的均勻生長。由于激光束可以非?？焖俚膶⒋呋饘俦蛹訜嶂了铚囟?，遠(yuǎn)優(yōu)于管式爐的加熱速度，因此該裝置也可以對(duì)石墨烯生長區(qū)域進(jìn)行更為精確的控制，即只在特定的區(qū)域生長或進(jìn)行特殊圖案的生長。
權(quán)利要求
1.一種快速連續(xù)制備大尺寸石墨烯薄膜的裝置，所述裝置包括卷對(duì)卷、熱源和氣瓶，其特征在于所述卷對(duì)卷帶動(dòng)催化金屬薄層移動(dòng)，并穿過密閉石英箱；分裝在氣瓶中的保護(hù)氣體、氫氣和碳源通過管路進(jìn)入密閉石英箱；密閉石英箱與真空泵連接，以保持氣體的流動(dòng)性和較低的氣壓；所述熱源為激光器，激光器發(fā)射出的激光束透過密閉石英箱照射在催化金屬薄層的表面對(duì)其進(jìn)行逐行掃描加熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速連續(xù)制備大尺寸石墨烯薄膜的裝置，其特征在于所述激光器安裝在與催化金屬薄層運(yùn)動(dòng)方向垂直的軸上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速連續(xù)制備大尺寸石墨烯薄膜的裝置，其特征在于所述激光器為液體激光器、氣體激光器或固體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速連續(xù)制備大尺寸石墨烯薄膜的裝置，其特征在于所述裝置安裝有一個(gè)或多個(gè)激光器。
5.權(quán)利要求1 4所述的裝置在制備大尺寸石墨烯薄膜中的應(yīng)用，其特征在于，具體步驟包括(1)將保護(hù)氣體、氫氣和碳源分別通入密閉石英箱，同時(shí)開啟卷對(duì)卷，帶動(dòng)催化金屬薄層運(yùn)行；(2)將激光束照射在催化金屬薄層上，對(duì)其進(jìn)行加熱，使加熱區(qū)附近的氫氣與碳源反應(yīng)，在催化金屬薄層上生長出石墨烯薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置在制備大尺寸石墨烯薄膜中的應(yīng)用，其特征在于所述保護(hù)氣體為氮?dú)?、氬氣、氦氣或氖氣?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置在制備大尺寸石墨烯薄膜中的應(yīng)用，其特征在于所述碳源為含有廣7個(gè)碳原子的烷烴、烯烴或炔烴。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置在制備大尺寸石墨烯薄膜中的應(yīng)用，其特征在于所述催化金屬薄層為鎳、鈷、鐵、鉬、金、鋁、鉻、銅、鎂、錳、鉬、釕、鉭、鈦、鎢中的一種或任意兩種或兩種以上組成的合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置在制備大尺寸石墨烯薄膜中的應(yīng)用，其特征在于所述激光束的波長為200 10600歷。
全文摘要
本發(fā)明提供一種快速連續(xù)制備大尺寸石墨烯薄膜的裝置，該裝置包括熱源、卷對(duì)卷和氣瓶，所述卷對(duì)卷帶動(dòng)催化金屬薄層移動(dòng)，并穿過密閉石英箱；分裝在氣瓶中的保護(hù)氣體、氫氣和碳源通過管路進(jìn)入密閉石英箱；密閉石英箱與真空泵連接，以保持氣體的流動(dòng)性和較低的氣壓；所述熱源為激光器，激光器發(fā)射出的激光束透過密閉石英箱照射在催化金屬薄層的表面對(duì)其進(jìn)行逐行掃描加熱。本發(fā)明解決了在傳統(tǒng)管式爐中由于金屬薄層整體受熱造成高溫下金屬薄層受力變形甚至拉斷的問題。將該裝置應(yīng)用于制備大尺寸石墨烯薄膜時(shí)，可實(shí)現(xiàn)大尺寸石墨烯薄膜均勻、快速、連續(xù)的生長，也可以對(duì)石墨烯薄膜生長區(qū)域進(jìn)行更為精確的控制。
文檔編號(hào)C30B25/00GK102534766SQ201210047668
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月28日
發(fā)明者李超, 王振中 申請(qǐng)人:無錫第六元素高科技發(fā)展有限公司