專利名稱：一種制備二維納米薄膜的設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種制備新材料的裝置，特別是涉及一種連續制備石墨烯、金屬硫族化合物、硅烯、鍺烯、氮化硼等新型二維納米薄膜的裝置。
背景技術：
石墨烯具有卓越的二維電學、光學、熱學、力學性能以及化學穩定性，石墨烯在超快光電子器件、潔凈能源、傳感器等方面具有廣泛的應用前景。電子在石墨烯中傳輸速度是硅的150倍，IBM等著名公司已經制備速度可達太赫茲的超快速光電子器件，美國加州大學利用石墨烯研制成光學調制解調器，有望將網速提高I萬倍；全球每年半導體晶硅的需求量在2500噸左右，石墨烯如果替代十分之一的晶硅制成高端集成電路如射頻電路，市場容量至少在5000億元以上。因為石墨烯只有2. 3%的光吸收，這使石墨烯可用于制備光電子器 件如顯示器件、太陽能電池、觸摸面板等的柔性透明電極，從而取代成本昂貴、資源稀少、不可自由折疊的由銦為主要成分的ITO透明導電膜。據報道，2011年全球ITO透明導電膜的需求量在8500萬-9500萬片，這樣，石墨烯替代ITO透明導電膜的發展空間巨大。由于石墨烯獨特的電子傳輸特性，作為傳感器，它具有單分子的敏感性。經過近幾年的快速發展，石墨烯產品已經出現在觸摸屏應用上。因此，石墨烯良好的商業價值和廣闊的市場已經展現曙光，石墨烯材料的產業化將是對材料、信息、能源工業的一次革命性變革！除了石墨烯外，類石墨烯的新型二維納米薄膜也具有其獨特的光電子性能，具有廣泛的應用前景。類石墨烯的新型二維納米薄膜包括層狀的金屬硫族化合物(metalchalcogenides)、氮化硼(boron nitride)、娃烯(silicene)、鍺烯(germanene)或元素周期表中第四主族的其它元素構成的類石墨烯薄膜等。化學氣相沉積法(CVD)以及碳偏析(surface segregation)法是目前大面積制備石墨烯等二維納米薄膜的技術方法，采用這兩種方法制備二維納米薄膜的設備基本上都是石英管式爐[Science 324，1312-1314 (2009) ; Nature Nanotechnology 5, 574 (2010) ; NanoLett. 11，297-303(2011)]。但是石英管式爐僅具備在已有金屬催化層上合成二維納米薄膜的單一功能，不能實現對襯底材料的表面處理、在襯底上制備合成二維納米所需的催化層、二維納米薄膜合成的準連續過程。并且，采用石英管式爐合成的二維納米薄膜存在結構缺陷，導致電子傳輸性能較差，石英管式爐已經嚴重制約了二維納米薄膜如石墨烯薄膜的應用。

發明內容
針對現有技術的不足，本發明提供一種能夠大面積制備新型二維納米薄膜的設備，該設備具有結構簡單、操作簡單、安全性好等特點；能夠連續地完成制備二維納米薄膜所需的各工藝步驟，包括對合成二維納米薄膜所需的襯底/催化層進行預處理、制備催化層、合成二維納米薄膜等。采用該設備制備二維納米薄膜的工藝簡單、成本較低，制備出的薄膜具有優良的結構和性能。
本發明采用的技術方案如下一種制備二維納米薄膜的設備，包括進料腔室，化學氣相沉積腔室，物理氣相沉積腔室和樣品傳遞裝置；所述物理氣相沉積腔室、進料腔室和化學氣相沉積腔室的排列順序可根據制備工藝的不同進行排列組合，可以是物理氣相沉積腔室、進料腔室和化學氣相沉積腔室依次排列；或者進料腔室、物理氣相沉積腔室和化學氣相沉積腔室依次排列；或者進料腔室、化學氣相沉積腔室和物理氣相沉積腔室依次排列。所述的進料腔室、化學氣相沉積腔室、物理氣相沉積腔室各腔室之間分別設有閥門，進料腔室設有與大氣相通的閥門。作為優選，物理氣相沉積腔室設有與大氣相通的閥門，以便在不影響其它腔室的情況下可以開啟而取放樣品。
作為優選，化學氣相沉積腔室設有與大氣相通的閥門，以便在不影響其它腔室的情況下可以開啟而取放樣品。所述的制備二維納米薄膜的設備設有樣品傳遞裝置，所述的樣品傳遞裝置是通過動力驅動的方式將樣品從一個腔室的樣品架中取下越過閥門傳遞到另一個腔室的樣品架上；作為優選，為了方便樣品的交接或取放，所述的樣品傳遞裝置還可以設有機械手。樣品傳遞的方式主要包括1)通過磁力將外部動力傳遞到腔室內使之轉化為直線、旋轉等運動方式；2)依靠動密封(主要是O形圈、填料、磁流體等)的形式將動力直接傳遞到腔室內；3)依靠金屬波紋管而采用的機械方式等。所述的化學氣相沉積腔室設有加熱裝置和一個或二個以上的氣體連接口 ；加熱裝置具有對樣品進行加熱處理的功能，包括電阻加熱裝置、紅外加熱裝置和激光加熱裝置等，可以使樣品的溫度控制在2(Γ2000° C。所述的化學氣相沉積腔室、加熱裝置和氣體連接口可以構成一個熱化學氣相沉積系統。作為優選，所述的化學氣相沉積腔室設有化學氣相沉積系統，所述的化學氣相沉積系統包括等離子體增強化學氣相沉積系統、微波等離子體化學氣相沉積系統、氣溶膠輔助化學氣相沉積系統、電感耦合等離子體化學氣相沉積系統中的任意一種或二種以上的組
口 ο所述的物理氣相沉積腔室設有一個或二個以上的氣體連接口。所述的物理氣相沉積腔室設有物理氣相沉積系統，所述的物理氣相沉積系統包括離子束沉積系統、濺射沉積系統、電子束沉積系統、熱蒸鍍沉積系統、激光沉積系統、離子注入系統中的任意一種或二種以上的組合。作為優選，物理氣相沉積腔室設有加熱裝置，加熱裝置具有對樣品進行加熱處理的功能，包括電阻加熱裝置、紅外加熱裝置和激光加熱裝置等，可以使樣品的溫度控制在
20 2000。 Co作為優選，為了將熱量集中在樣品處，并減少向不需要熱的地方傳遞，所述的化學氣相沉積腔室和/或物理氣相沉積腔室的腔室內設有隔熱屏蔽系統；尤其是當腔室的溫度高于150° C以上時，作為優選，腔室內設有隔熱屏蔽系統。為了使設備安全穩定運轉，所述的化學氣相沉積腔室和/或物理氣相沉積腔室的腔壁設有冷卻系統，冷卻系統可以是雙層水冷系統；尤其是當腔室的溫度高于150° C以上時，作為優選，腔室的腔壁設有冷卻系統。物理氣相沉積腔室、加熱裝置與氣體連接口可以構成一個熱化學氣相沉積系統。所述的進料腔室、物理氣相沉積腔室和化學氣相沉積腔室均設有樣品升降裝置；通過樣品升降裝置可以調節樣品在垂直方向的位置，使樣品方便地交接到樣品傳遞裝置上。作為優選，所述的進料腔室設有樣品處理裝置，樣品處理裝置包括等離子樣品處理裝置、對氣體離子化的線圈或加熱裝置等能夠實現對樣品進行改性的裝置，所述的對氣體離子化的線圈可在真空高頻條件下實現氣體的離子化；加熱裝置具有對樣品進行加熱處理的功能，包括電阻加熱裝置、紅外加熱裝置和激光加熱裝置等，可以使樣品的溫度控制在
20 2000。 Co作為優選，所述的進料腔室設有氣體連接口。本發明所述的氣體連接口可以是一種氣體的連接口，氣體連接口也可以與混氣盒連接；混氣盒的入口至少并聯有兩個或兩個以上的氣路，可使兩種或兩種以上的氣體同時進入混氣盒；作為優選，每一個氣路獨立連接有質量流量計、電磁截止閥等計量和流量調節裝置，以便獨立精確控制每一種氣體的流量。通入的氣體可以選自惰性氣體如Ar和N2,還原性氣體如H2,氧化性氣體如02，合成二維納米薄膜所需的前驅體氣體如CH4, C2H4, C2H2, NH3, B3N3H6或乙醇的蒸汽等，依據所合成的二維薄膜的不同，可以適當選擇不同的氣體或者氣體混合物。所述的進料腔室、物理氣相沉積腔室和化學氣相沉積腔室中的至少一個腔室設有抽真空裝置；作為優選，進料腔室，化學氣相沉積腔室和物理氣相沉積腔室分別設有獨立的抽真空裝置，每一抽真空裝置包括各種真空泵、真空管道、真空閥門、真空計等，通過抽真空裝置可以使各腔室的真空度保持在常壓至I. OX IO-uiPa之間。作為優選，所述的物理氣相沉積腔室和/或化學氣相沉積腔室設有樣品旋轉裝置，所述的樣品旋轉裝置是依靠磁力、動密封、波紋管等方式將外部動力傳遞到腔室內并轉化為旋轉運動的裝置，通過樣品旋轉裝置驅動樣品架旋轉使樣品相應地旋轉，實現樣品在腔室中的精確定位，其作用是1)在進行沉積薄膜時通過旋轉運動使薄膜在襯底和/或催化層上的沉積更均勻；2)由于實現了樣品在腔室中的精確定位，可以在襯底和/或催化層的不同區域生長不同種類二維納米薄膜，并且方便了樣品在樣品架上的取放。作為優選，物理氣相沉積腔室、進料腔室和化學氣相沉積腔室均設有樣品旋轉裝置。作為優選，所述的進料腔室，化學氣相沉積腔室和物理氣相沉積腔室均設有觀察窗，通過觀察窗可觀察到襯底/催化層的預處理、催化層的制備、二維納米薄膜的合成等生產情況，及時了解生產狀態。所述的二維納米薄膜包括石墨烯、金屬硫族化合物、氮化硼、硅烯、鍺烯或元素周期表中第四主族的其它元素的類石墨烯薄膜等而組成的薄膜。制備二維納米薄膜的基本過程包括將合成二維納米薄膜所需的襯底和/或催化層放入進料腔室，在一定的氣氛環境下，襯底和/或催化層在進料腔室進行預處理，然后樣品被傳遞到化學氣相沉積腔室并利用化學氣相沉積方法制備二維納米薄膜。制備二維納米薄膜的基本過程也包括將合成二維納米薄膜所需的襯底和/或催、化層放入進料腔室，在一定的氣氛環境下，襯底和/或催化層在進料腔室進行預處理，然后樣品被傳遞到物理氣相沉積腔室并利用物理氣相沉積方法制備二維納米薄膜。制備二維納米薄膜的基本過程也包括將合成二維納米薄膜所需的襯底和/或催化層放入進料腔室，在一定的氣氛環境下，襯底和/或催化層在進料腔室進行預處理，然后由樣品傳遞裝置將襯底和/或催化層傳遞到物理氣相沉積腔室；在物理氣相沉積腔室里利用物理氣相沉積技術制備催化層；催化層制備后，樣品被傳遞到化學氣相沉積腔室并利用化學氣相沉積方法制備二維納米薄膜。制備二維納米薄膜的基本過程還包括將合成二維納米薄膜所需的襯底和/或催化層放入進料腔室，在一定的氣氛環境下，襯底和/或催化層在進料腔室進行預處理，然后由樣品傳遞裝置將襯底和/或催化層傳遞到物理氣相沉積腔室；在物理氣相沉積腔室里利用物理氣相沉積方法制備催化層；催化層制備后，在物理氣相沉積腔室利用物理氣相沉積 方法在催化層上制備二維納米材料的前驅體；然后在物理氣相沉積腔室將二維納米材料的前驅體經過處理而形成二維納米薄膜；或者，在制備二維納米材料的前驅體后，傳遞到化學氣相沉積腔室，在化學氣相沉積腔室將二維納米材料的前驅體轉化為二維納米薄膜。二維納米材料的前驅體為含有組成二維納米材料的元素的化合物，以合成石墨烯為例，前驅體包括無定型碳、非晶碳膜、含碳元素的有機物或聚合物等；以合成MoS2為例，前驅體包括MoS2、硫粉、MoO3粉末、(NH4) 2MoS4等；以硅烯為例，前驅體為硅片等；以氮化硼為例，前驅體可以是B3N3H6, NH3-BH3,癸硼燒/氨(decaborane/ammonia)等；以SnS為例，前驅體可以為Sn粉和FeS2粉等。本發明的設備是制備二維納米薄膜的一體化、多功能的設備，可以實現從襯底和/或催化層的預處理、催化層的制備到二維納米薄膜合成的連續制備過程，從而制備出高性能的二維納米薄膜；采用本發明的設備，不僅可以利用化學氣相沉積方法制備二維納米薄膜，也可以利用濺射、熱蒸鍍、離子注入、等離子、激光等技術方法制備二維納米薄膜，這樣有助于建立制備二維納米薄膜的最佳技術路線，有助于探索二維納米薄膜的物理、化學、光電子等性能；利用本發明的設備可以制備如石墨烯、金屬硫族化合物、氮化硼、硅烯、鍺烯或元素周期表中第四主族的其它元素的類石墨烯薄膜而組成的二維納米薄膜，有助于實現二維納米薄膜的規模化生產，促進二維納米薄膜的應用。


圖I是本發明的制備二維納米薄膜設備的整體結構示意圖，物理氣相沉積腔室、進料腔室和化學氣相沉積腔室依次排列，其中，物理氣相沉積腔室設有樣品升降裝置、抽真空裝置、加熱裝置、樣品旋轉裝置和物理氣相沉積系統，化學氣相沉積腔室設有抽真空裝置、樣品升降裝置、加熱裝置和樣品旋轉裝置，進料腔室設有抽真空裝置、樣品升降裝置和樣品處理裝置。圖2是本發明的制備二維納米薄膜設備的整體結構示意圖，物理氣相沉積腔室、進料腔室和化學氣相沉積腔室依次排列，其中，進料腔室設有樣品處理裝置、樣品旋轉裝置、加熱裝置、抽真空裝置和樣品升降裝置，物理氣相沉積腔室設有加熱裝置、抽真空裝置、樣品旋轉裝置、物理氣相沉積系統和樣品升降裝置，化學氣相沉積腔室設有加熱裝置、樣品旋轉裝置、隔熱屏蔽系統、冷卻系統、抽真空裝置、樣品升降裝置和化學氣相沉積系統。
圖3是本發明的制備二維納米薄膜設備的整體結構示意圖，進料腔室、物理氣相沉積腔室和化學氣相沉積腔室依次排列，其中，物理氣相沉積腔室設有物理氣相沉積系統、樣品旋轉裝置、加熱裝置、冷卻系統、抽真空裝置和樣品升降裝置，化學氣相沉積腔室設有化學氣相沉積系統、隔熱屏蔽系統、加熱裝置和樣品升降裝置，進料腔室設有樣品處理裝置、抽真空裝置和樣品升降裝置。圖4是本發明的制備二維納米薄膜設備的整體結構示意圖，進料腔室、化學氣相沉積腔室和物理氣相沉積腔室依次排列，其中，進料腔室設有樣品處理裝置、樣品旋轉裝置、加熱裝置、抽真空裝置和樣品升降裝置 ，物理氣相沉積腔室設有加熱裝置、樣品旋轉裝置、物理氣相沉積系統、冷卻系統和樣品升降裝置，化學氣相沉積腔室設有加熱裝置、樣品旋轉裝置、隔熱屏蔽系統、冷卻系統、化學氣相沉積系統、抽真空裝置和樣品升降裝置。圖中所示樣品傳遞裝置1、8，化學氣相沉積腔室2，樣品升降裝置3、5、7，進料腔室4，物理氣相沉積腔室6，閥門9、10，加熱裝置11、12、13，冷卻系統14、16，隔熱屏蔽系統15，化學氣相沉積系統17、18，物理氣相沉積系統19、20，樣品處理裝置21，抽真空裝置25、26、27，氣體連接口 30、31、32、33、34、35、36、37、38、39，混氣盒 40、41，樣品旋轉裝置 50、51、52，閥門 60、61、62。
具體實施例方式為了更清楚地理解本發明和本發明所產生的技術效果，下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。實施例I :參見圖1，本發明的制備二維納米薄膜的設備包括進料腔室4、化學氣相沉積腔室2、物理氣相沉積腔室6、樣品傳遞裝置I和8。進料腔室4與化學氣相沉積腔室2之間設有閥門9，通過樣品傳遞裝置I如磁性傳遞桿，樣品可以在進料腔室4與化學氣相沉積腔室2之間來回傳遞。進料腔室4與物理氣相沉積腔室6之間設有閥門10，通過樣品傳遞裝置8，樣品可以在進料腔室4與物理氣相沉積腔室6之間來回傳遞。作為優選，物理氣相沉積腔室6設有與大氣相通的閥門61，以便可以直接從物理氣相沉積腔室取放樣品。化學氣相沉積腔室2設有抽真空裝置25、樣品升降裝置3、加熱裝置11、樣品旋轉裝置50。進料腔室4設有與大氣相通的閥門60，還設有抽真空裝置26、樣品升降裝置5和樣品處理裝置21。樣品處理裝置可以為等離子樣品處理裝置、對氣體離子化的線圈或加熱裝置等能夠實現對樣品進行改性的裝置，所述的對氣體離子化的線圈可在真空高頻條件下實現氣體的離子化；所述的加熱裝置包括電阻加熱裝置、紅外加熱裝置、激光加熱裝置等能夠對樣品進行加熱處理的裝置，使樣品的溫度可以控制在2(Γ2000° C。物理氣相沉積腔室6設有樣品升降裝置7、抽真空裝置27、加熱裝置13、樣品旋轉裝置51和物理氣相沉積系統19，所述的物理氣相沉積系統包括離子束沉積系統、濺射沉積系統、電子束沉積系統、熱蒸鍍沉積系統、激光沉積系統、離子注入系統中的任意一種或二種以上的組合。加熱裝置可以是電阻加熱裝置、紅外加熱裝置、激光加熱裝置等能夠對樣品進行加熱處理的裝置，使樣品的溫度可以控制在2(Γ2000° C。所述的每一抽真空裝置包括各種真空泵、真空管道、真空閥門、真空計等，通過抽真空裝置可以使各腔室的真空度在常壓至I. OX IO-wPa之間。化學氣相沉積腔室2設有氣體連接口 30，進料腔室4設有氣體連接口 31，物理氣相沉積腔室設有氣體連接口 34 ;作為優選，為了精確控制氣體的流量，每個氣體連接口可以連有質量流量計而控制各氣體的流量，每個質量流量計的兩端各設有一個電磁截止閥，電磁截止閥和質量流量計通過管路與氣體連接口相連接。化學氣相沉積腔室2、加熱裝置11與氣體連接口 30構成一個熱化學氣相沉積系 統。化學氣相沉積腔室還可以設有化學氣相沉積系統，所述的化學氣相沉積系統包括等離子體增強化學氣相沉積系統、微波等離子體化學氣相沉積系統、氣溶膠輔助化學氣相沉積系統、電感耦合等離子體化學氣相沉積系統中的任意一種或二種以上的組合。物理氣相沉積腔室6、加熱裝置13與氣體連接口 34也可以構成一個熱化學氣相沉積系統。作為優選，進料腔室4、化學氣相沉積腔室2、物理氣相沉積腔室6的腔壁均設有觀察窗。制備二維納米薄膜的基本過程包括將合成二維納米薄膜所需的襯底和/或催化層放置到進料腔室4，在進料腔室4對襯底和/或催化層進行預處理，然后傳遞到物理氣相沉積腔室6 ;在物理氣相沉積腔室6，采用物理氣相沉積系統19如熱蒸鍍沉積系統在襯底和/或催化層上制備催化層，然后將樣品從物理氣相沉積腔室6傳遞到進料腔室4，再從進料腔室4傳遞到化學氣相沉積腔室2 ;在化學氣相沉積腔室2，采用化學氣相沉積方法在襯底和/或催化層上制備二維納米薄膜；將制得的二維納米薄膜傳遞到進料腔室4，然后從進料腔室4取出。實施例2 參見圖2，本發明的制備二維納米薄膜的設備包括進料腔室4、化學氣相沉積腔室2、物理氣相沉積腔室6、樣品傳遞裝置I和8。進料腔室4與化學氣相沉積腔室2之間設有閥門9，通過樣品傳遞裝置1，樣品可以在進料腔室4與化學氣相沉積腔室2之間來回傳遞。作為優選，化學氣相沉積腔室2設有與大氣相通的閥門62，以便可以直接從化學氣相沉積腔室取放樣品。作為優選，物理氣相沉積腔室6設有與大氣相通的閥門61，以便可以直接從物理氣相沉積腔室取放樣品。進料腔室4與物理氣相沉積腔室6之間設有閥門10，通過樣品傳遞裝置8，樣品可以在進料腔室4與物理氣相沉積腔室6之間來回傳遞。化學氣相沉積腔室2設有抽真空裝置25、樣品升降裝置3、加熱裝置11、冷卻系統14、隔熱屏蔽系統15、化學氣相沉積系統17和樣品旋轉裝置50。所述的化學氣相沉積系統17包括等離子體增強化學氣相沉積系統、微波等離子體化學氣相沉積系統、氣溶膠輔助化學氣相沉積系統、電感耦合等離子體化學氣相沉積系統中的任意一種或二種以上的組合。進料腔室4設有與大氣相通的閥門60，還設有抽真空裝置26、樣品升降裝置5、加熱裝置12、樣品處理裝置21和樣品旋轉裝置52。樣品處理裝置可以為等離子樣品處理裝置、對氣體離子化的線圈或加熱裝置等能夠實現對樣品進行改性的裝置，所述的對氣體離子化的線圈可在真空高頻條件下實現氣體的離子化；加熱裝置可以是電阻加熱裝置、紅 外加熱裝置、激光加熱裝置等能夠對樣品進行加熱處理的裝置，使樣品的溫度可以控制在2(Γ2000° C。物理氣相沉積腔室6設有樣品升降裝置7、加熱裝置13、冷卻系統16、樣品旋轉裝置51、抽真空裝置27和物理氣相沉積系統19和20，所述的物理氣相沉積系統包括離子束沉積系統、濺射沉積系統、電子束沉積系統、熱蒸鍍沉積系統、激光沉積系統、離子注入系統中的任意一種或二種以上的組合。加熱裝置包括電阻加熱裝置、紅外加熱裝置、激光加熱裝置等能夠對樣品進行加熱處理的裝置，使樣品的溫度可以控制在2(Γ2000° C。化學氣相沉積腔室2設有氣體連接口 30和38、氣體連接口 38與混氣盒40連接、混氣盒40的入口并聯三個氣體連接口 32、33和37，進料腔室4設有氣體連接口 31，物理氣相沉積腔室設有氣體連接口 34和39、氣體連接口 39與混氣盒41連接、混氣盒41的入口并聯兩個氣體連接口 35和36 ;作為優選，為了精確控制氣體的流量，每個氣體連接口可以連有質量流量計而控制各氣體的流量，每個質量流量計的兩端各設有一個電磁截止閥，電磁截止閥和質量流量計通過管路與氣體連接口相連接。化學氣相沉積腔室2、加熱裝置11與氣體連接口 30和/或38構成一個熱化學氣相沉積系統。物理氣相沉積腔室6、加熱裝置13與氣體連接口 34和/或39也可以構成一個熱化學氣相沉積系統。所述的每一抽真空裝置包括各種真空泵、真空管道、真空閥門、真空計等，通過抽真空裝置可以使各腔室的真空度在常壓至I. OX KTwPa之間。作為優選，進料腔室4、化學氣相沉積腔室2、物理氣相沉積腔室6的腔壁均設有觀察窗。制備二維納米薄膜的基本過程包括將合成二維納米薄膜所需的襯底和/或催化層放置到進料腔室4，在進料腔室4對襯底和/或催化層進行熱處理，然后傳遞到物理氣相沉積腔室6 ;在物理氣相沉積腔室6，采用物理氣相沉積系統19如熱蒸鍍沉積系統在襯底和/或催化層上制備催化層，然后采用物理氣相沉積系統20如濺射沉積系統將二維納米材料的前驅體沉積在催化層上；之后，在一定的氣氛下，在物理氣相沉積腔室6對二維納米材料的前驅體進行處理而形成二維納米薄膜；將制得的二維納米薄膜從物理氣相沉積腔室6傳遞到進料腔室4，然后從進料腔室4取出。制備二維納米薄膜的基本過程還包括將合成二維納米薄膜所需的襯底放置到進料腔室4，在進料腔室4對襯底進行熱處理，然后傳遞到物理氣相沉積腔室6 ;在物理氣相沉積腔室6，采用物理氣相沉積系統19如電子束沉積系統在襯底上制備催化層，然后采用物理氣相沉積系統20如離子注入系統將二維納米材料的前驅體注入到催化層中；之后，從物理氣相沉積腔室6將注入有二維納米材料的前驅體的樣品傳遞到化學氣相沉積腔室2 ;在化學氣相沉積腔室2對二維納米材料的前驅體進行處理而形成二維納米薄膜；將制得的二維納米薄膜從化學氣相沉積腔室2傳遞到進料腔室4，然后從進料腔室4取出。制備二維納米薄膜的基本過程還可以是將合成二維納米薄膜所需的襯底放置到進料腔室4，在進料腔室4對襯底進行熱處理，然后傳遞到物理氣相沉積腔室6 ;在物理氣相沉積腔室6，采用物理氣相沉積系統19如等離子體沉積系統在襯底上制備第一種催化層，然后采用物理氣相沉積系統20如濺射沉積系統在第一種催化層上制備第二種催化層中；之后，從物理氣相沉積腔室6將制備有催化層的樣品傳遞到化學氣相沉積腔室2 ;在化學氣相沉積腔室2采用化學氣相沉積系統17如微波等離子化學氣相沉積系統制備二維納米薄膜；將制得的二維納米薄膜從化學氣相沉積腔室2傳遞到進料腔室4，然后從進料腔室4取出。制備二維納米薄膜的基本過程還可以為將合成二維納米薄膜所需的襯底和/或催化層放置到進料腔室4，在進料腔室4對襯底和/或催化層進行熱處理，然后傳遞到物理氣相沉積腔室6 ;在物理氣相沉積腔室6，采用物理氣相沉積系統19如離子槍沉積系統將二 維納米材料的前驅體離化沉積在催化層上；之后，在一定的氣氛下，在物理氣相沉積腔室6對二維納米材料的前驅體進行處理而形成二維納米薄膜；將制得的二維納米薄膜從物理氣相沉積腔室6傳遞到進料腔室4，然后從進料腔室4取出。所述的二維納米材料的前驅體為含有組成二維納米材料的元素的化合物，以合成石墨烯為例，前驅體包括無定型碳、非晶碳膜、含碳元素的有機物或聚合物等；以合成MoS2為例，如驅體包括MoS2、硫粉、MoO3粉末、(NH4)2MoS4等；以娃稀為例，如驅體為娃片等；以氣化硼為例，前驅體可以是B3N3H6, NH3-BH3,癸硼燒/氨(decaborane/ammonia)等；以SnS為例，前驅體可以為Sn粉和FeS2粉等。實施例3 參見圖3，本發明的制備二維納米薄膜的設備包括進料腔室4、化學氣相沉積腔室2、物理氣相沉積腔室6、樣品傳遞裝置I和8。進料腔室4與物理氣相沉積腔室6之間設有閥門10，通過樣品傳遞裝置8，樣品可以在進料腔室4與物理氣相沉積腔室6之間來回傳遞。化學氣相沉積腔室2與物理氣相沉積腔室6之間設有閥門9，通過樣品傳遞裝置1，樣品可以在化學氣相沉積腔室2與物理氣相沉積腔室6之間來回傳遞。作為優選，化學氣相沉積腔室2設有與大氣相通的閥門62，以便可以直接從化學氣相沉積腔室取放樣品。化學氣相沉積腔室2設有樣品升降裝置3、加熱裝置11、隔熱屏蔽系統15和化學氣相沉積系統17。進料腔室4設有與大氣相通的閥門60，還設有抽真空裝置26、樣品升降裝置5和樣品處理裝置21。樣品處理裝置可以為等離子樣品處理裝置、對氣體離子化的線圈或加熱裝置等能夠實現對樣品進行改性的裝置，所述的對氣體離子化的線圈可在真空高頻條件下實現氣體的離子化；加熱裝置包括電阻加熱裝置、紅外加熱裝置、激光加熱裝置等能夠對樣品進行加熱處理的裝置，使樣品的溫度可以控制在2(Γ2000° C。物理氣相沉積腔室6設有樣品升降裝置7、抽真空裝置27、加熱裝置13、樣品旋轉裝置51、冷卻系統16和物理氣相沉積系統19和20，所述的物理氣相沉積系統包括離子束沉積系統、濺射沉積系統、電子束沉積系統、熱蒸鍍沉積系統、激光沉積系統、離子注入系統中的任意一種或二種以上的組合。加熱裝置包括電阻加熱裝置、紅外加熱裝置、激光加熱裝置等能夠對樣品進行加熱處理的裝置，使樣品的溫度可以控制在2(Γ2000° C。所述的每一抽真空裝置包括各種真空泵、真空管道、真空閥門、真空計等，通過抽真空裝置可以使各腔室的真空度在常壓至I. OX IO-wPa之間。化學氣相沉積腔室2設有氣體連接口 30，進料腔室4設有氣體連接口 31，物理氣相沉積腔室設有氣體連接口 34 ;作為優選，為了精確控制氣體的流量，每個氣體連接口可以連有質量流量計而控制各氣體的流量，每個質量流量計的兩端各設有一個電磁截止閥，電磁截止閥和質量流量計通過管路與氣體連接口相連接等。化學氣相沉積腔室2、加熱裝置11與氣體連接口 30構成一個熱化學氣相沉積系
統。 化學氣相沉積腔室還可以設有的化學氣相沉積系統包括等離子體增強化學氣相沉積系統、微波等離子體化學氣相沉積系統、氣溶膠輔助化學氣相沉積系統、電感耦合等離子體化學氣相沉積系統中的任意一種或二種以上的組合。物理氣相沉積腔室6、加熱裝置13與氣體連接口 34也可以構成一個熱化學氣相沉積系統。作為優選，進料腔室4、化學氣相沉積腔室2、物理氣相沉積腔室6的腔壁均設有觀察窗。制備二維納米薄膜的基本過程包括將合成二維納米薄膜所需的襯底和/或催化層放置到進料腔室4，在進料腔室4對襯底和/或催化層進行預處理，然后傳遞到物理氣相沉積腔室6 ;在物理氣相沉積腔室6，采用物理氣相沉積系統19如熱蒸鍍沉積系統在襯底和/或催化層上制備催化層，然后將樣品從物理氣相沉積腔室6傳遞到化學氣相沉積腔室2 ；在化學氣相沉積腔室2，采用化學氣相沉積系統17如電感耦合等離子體化學氣相沉積系統在襯底和/或催化層上制備二維納米薄膜；二維納米薄膜制備后，將制備的樣品取出。制備二維納米薄膜的基本過程還包括將合成二維納米薄膜所需的襯底和/或催化層放置到進料腔室4，在進料腔室4對襯底和/或催化層進行預處理，然后傳遞到物理氣相沉積腔室6 ;在物理氣相沉積腔室6，采用物理氣相沉積系統19和20如熱蒸鍍沉積系統將二維納米材料的前驅體離化沉積在催化層上；之后，在一定的氣氛下，在物理氣相沉積腔室6對二維納米材料的前驅體進行處理而形成二維納米薄膜；二維納米薄膜制備后，將制備的樣品從物理氣相沉積腔室6傳遞到進料腔室4，然后從進料腔室4取出。二維納米材料的前驅體為含有組成二維納米材料的元素的化合物，以合成石墨烯為例，前驅體包括無定型碳、非晶碳膜、含碳元素的有機物或聚合物等；以合成MoS2為例，前驅體包括MoS2、硫粉、MoO3粉末、(NH4) 2MoS4等；以硅烯為例，前驅體為硅片等；以氮化硼為例，前驅體可以是B3N3H6, NH3-BH3,癸硼燒/氨(decaborane/ammonia)等；以SnS為例，前驅體可以為Sn粉和FeS2粉等。實施例4 參見圖4，本發明的制備二維納米薄膜的設備包括進料腔室4、化學氣相沉積腔室2、物理氣相沉積腔室6、樣品傳遞裝置I和8。
進料腔室4與化學氣相沉積腔室2之間設有閥門9，通過樣品傳遞裝置8，樣品可以在進料腔室4與化學氣相沉積腔室2之間來回傳遞。作為優選，化學氣相沉積腔室2設有與大氣相通的閥門62，以便可以直接從化學氣相沉積腔室取放樣品。作為優選，物理氣相沉積腔室6設有與大氣相通的閥門61，以便可以直接從物理氣相沉積腔室取放樣品。化學氣相沉積腔室2與物理氣相沉積腔室6之間設有閥門10，通過樣品傳遞裝置1，樣品可以在化學氣相沉積腔室2與物理氣相沉積腔室6之間來回傳遞。化學氣相沉積腔室2設有抽真空裝置25、樣品升降裝置3、加熱裝置11、冷卻系統14、隔熱屏蔽系統15、化學氣相沉積系統17和樣品旋轉裝置50。 進料腔室4設有與大氣相通的閥門60，還設有抽真空裝置26、樣品升降裝置5、加熱裝置12、樣品處理裝置21和樣品旋轉裝置52。樣品處理裝置可以為等離子樣品處理裝置、對氣體離子化的線圈或加熱裝置等能夠實現對樣品進行改性的裝置，所述的對氣體離子化的線圈可在真空高頻條件下實現氣體的離子化；加熱裝置包括電阻加熱裝置、紅外加熱裝置、激光加熱裝置等能夠對樣品進行加熱處理的裝置，使樣品的溫度可以控制在2(Γ2000° C。物理氣相沉積腔室6設有樣品升降裝置7、加熱裝置13、冷卻系統16、樣品旋轉裝置51和物理氣相沉積系統19和20，所述的物理氣相沉積系統包括離子束沉積系統、濺射沉積系統、電子束沉積系統、熱蒸鍍沉積系統、激光沉積系統、離子注入系統中的任意一種或二種以上的組合。加熱裝置可以對樣品進行加熱處理。化學氣相沉積腔室2設有氣體連接口 30和38、氣體連接口 38與混氣盒40連接、混氣盒40的入口并聯三個氣體連接口 32、33和37，進料腔室4設有氣體連接口 31，物理氣相沉積腔室設有氣體連接口 34和39、氣體連接口 39與混氣盒41連接、混氣盒41的入口并聯兩個氣體連接口 35和36 ;作為優選，為了精確控制氣體的流量，每個氣體連接口可以連有質量流量計而控制各氣體的流量，每個質量流量計的兩端各設有一個電磁截止閥，電磁截止閥和質量流量計通過管路與氣體連接口相連接。化學氣相沉積腔室2、加熱裝置11與氣體連接口 30和/或38構成一個化學氣相沉積系統。化學氣相沉積腔室2還可以設有化學氣相沉積系統，所述的化學氣相沉積系統包括等離子體增強化學氣相沉積系統、微波等離子體化學氣相沉積系統、氣溶膠輔助化學氣相沉積系統、電感耦合等離子體化學氣相沉積系統中的任意一種或二種以上的組合。物理氣相沉積腔室6、加熱裝置13與氣體連接口 34和/或39也可以構成一個熱化學氣相沉積系統。所述的每一抽真空裝置包括各種真空泵、真空管道、真空閥門、真空計等，通過抽真空裝置可以使各腔室的真空度在常壓至I. OX KTwPa之間。作為優選，進料腔室4、化學氣相沉積腔室2、物理氣相沉積腔室6的腔壁均設有觀察窗。制備二維納米薄膜的基本過程包括將合成二維納米薄膜所需的襯底和/或催化層放置到進料腔室4，在進料腔室4對襯底和/或催化層進行熱處理，然后傳遞到化學氣相沉積腔室2，再從化學氣相沉積腔室2傳遞到物理氣相沉積腔室6 ;在物理氣相沉積腔室6，采用物理氣相沉積系統19如熱蒸鍍沉積系統在襯底和/或催化層上制備催化層，然后采用物理氣相沉積系統20如濺射沉積系統將二維納米材料的前驅體沉積在催化層上；之后，在一定的氣氛下，在物理氣相沉積腔室6對二維納米材料的前驅體進行處理而形成二維納米薄膜；二維納米薄膜制備后，將制備的樣品取出。二維納米材料的前驅體為含有組成二維納米材料的元素的化合物，以合成石墨烯為例，前驅體包括無定型碳、非晶碳膜、含碳元素的有機物或聚合物等；以合成MoS2為例，前驅體包括MoS2、硫粉、MoO3粉末、(NH4) 2MoS4等；以硅烯為例，前驅體為硅片等；以氮化硼為例，前驅體可以是B3N3H6, NH3-BH3,癸硼燒/氨(decaborane/ammonia)等；以SnS為例，前驅體可以為Sn粉和FeS2粉等。制備二維納米薄膜的基本過程還包括將合成二維納米薄膜所需的襯底放置到進料腔室4，在進料腔室4對襯底進行熱處理，然后傳遞化學氣相沉積腔室2 ;在化學氣相沉積腔室2采用化學氣相沉積系統17如等離子體增強化學氣相沉積系統制備二維納米薄膜；二維納米薄膜制備后，將制得的二維納米薄膜樣品從化學氣相沉積腔室2傳遞到進料腔室4， 然后從進料腔室4取出。制備二維納米薄膜的基本過程還可以是將合成二維納米薄膜所需的襯底放置到進料腔室4，在進料腔室4對襯底進行熱處理，然后經化學氣相沉積腔室2傳遞到物理氣相沉積腔室6 ;在物理氣相沉積腔室6，采用物理氣相沉積系統19如等離子體沉積系統在襯底上制備第一種催化層，然后采用物理氣相沉積系統20如濺射沉積系統將在第一種催化層上制備第二種催化層中；之后，從物理氣相沉積腔室6將制備有催化層的樣品傳遞到化學氣相沉積腔室2 ;在化學氣相沉積腔室2采用化學氣相沉積系統17如微波等離子化學氣相沉積系統制備二維納米薄膜；二維納米薄膜制備后，將制得的二維納米薄膜樣品從化學氣相沉積腔室2傳遞到進料腔室4，然后從進料腔室4取出。制備二維納米薄膜的基本過程還可以為將合成二維納米薄膜所需的襯底和/或催化層放置到進料腔室4，在進料腔室4對襯底和/或催化層進行熱處理，然后傳遞到物理氣相沉積腔室6 ;在物理氣相沉積腔室6，采用物理氣相沉積系統19如激光沉積系統將二維納米材料的前驅體離化沉積在催化層上；之后，在一定的氣氛下，在物理氣相沉積腔室6對二維納米材料的前驅體進行處理而形成二維納米薄膜；二維納米薄膜制備后，將制備的樣品取出。二維納米材料的前驅體為含有組成二維納米材料的元素的化合物，以合成石墨烯為例，前驅體包括無定型碳、非晶碳膜、含碳元素的有機物或聚合物等；以合成MoS2為例，前驅體包括MoS2、硫粉、MoO3粉末、(NH4) 2MoS4等；以硅烯為例，前驅體為硅片等；以氮化硼為例，前驅體可以是B3N3H6, NH3-BH3,癸硼燒/氨(decaborane/ammonia)等；以SnS為例，前驅體可以為Sn粉和FeS2粉等。雖然已經明確展示且參考本發明的示范性實施例描述了本發明，但所屬領域的技術人員將了解，可在不脫離有所附權利要求書界定的本發明的精神和范圍的情況下，對本文作各種形式上和細節上的改變。
權利要求
1.一種制備二維納米薄膜的設備，包括化學氣相沉積腔室(2)，進料腔室(4)，物理氣相沉積腔室(6)和樣品傳遞裝置(I)和(8)，其特征在于 所述的進料腔室、化學氣相沉積腔室、物理氣相沉積腔室各腔室之間分別設有閥門，進料腔室設有與大氣相通的閥門； 所述的物理氣相沉積腔室(6)設有一個或二個以上的氣體連接口 ； 所述的物理氣相沉積腔室(6)設有物理氣相沉積系統； 所述的化學氣相沉積腔室(2)設有加熱裝置(11)； 所述的化學氣相沉積腔室(2)設有一個或二個以上的氣體連接口 ； 所述的進料腔室(4)、物理氣相沉積腔室(6)和化學氣相沉積腔室(2)均設有樣品升降裝置； 所述的進料腔室(4)、物理氣相沉積腔室(6)和化學氣相沉積腔室(2)中的至少一個腔室設有抽真空裝置。
2.根據權利要求I所述的制備二維納米薄膜的設備，其特征在于所述的化學氣相沉積腔室(2)設有等離子體增強化學氣相沉積系統、微波等離子體化學氣相沉積系統、氣溶膠輔助化學氣相沉積系統、電感耦合等離子體化學氣相沉積系統中的任意一種或二種以上的組合。
3.根據權利要求I所述的制備二維納米薄膜的設備，其特征在于所述的物理氣相沉積腔室(6)中設有離子束沉積系統、濺射沉積系統、電子束沉積系統、熱蒸鍍沉積系統、激光沉積系統、離子注入系統中的任意一種或二種以上的組合。
4.根據權利要求I所述的制備二維納米薄膜的設備，其特征在于所述的物理氣相沉積腔室(6)設有加熱裝置(13)。
5.根據權利要求I所述的制備二維納米薄膜的設備，其特征在于所述的化學氣相沉積腔室(2)和/或物理氣相沉積腔室￠)的腔壁設有冷卻系統。
6.根據權利要求I所述的制備二維納米薄膜的設備，其特征在于所述的化學氣相沉積腔室(2)和/或物理氣相沉積腔室(6)的腔室內設有隔熱屏蔽系統。
7.根據權利要求I所述的制備二維納米薄膜的設備，其特征在于所述的進料腔室(4)設有樣品處理裝置(21)。
8.根據權利要求I所述的制備二維納米薄膜的設備，其特征在于所述的進料腔室(4)設有氣體連接口。
9.根據權利要求I所述的制備二維納米薄膜的設備，其特征在于所述的物理氣相沉積腔室(6)和/或化學氣相沉積腔室(4)設有樣品旋轉裝置。
10.根據權利要求I至9任一項所述的制備二維納米薄膜的設備，其特征在于所述的二維納米薄膜包括石墨烯薄膜、金屬硫族化合物薄膜、氮化硼薄膜、硅烯薄膜、鍺烯薄膜或元素周期表中第四主族的其它元素構成的類石墨烯薄膜。
全文摘要
本發明公開了一種制備二維納米薄膜的設備，包括物理氣相沉積腔室、進料腔室、化學氣相沉積腔室和樣品傳遞裝置。腔室之間設有閥門，樣品通過樣品傳遞裝置可以在各腔室之間傳遞；化學氣相沉積腔室設有加熱裝置、氣體連接口以及樣品升降裝置；物理氣相沉積腔室設有物理氣相沉積系統、樣品升降裝置、氣體連接口；進料腔室設有樣品處理裝置；腔室還設有抽真空裝置以及樣品旋轉裝置。本設備結構簡單、工作可靠，利用本設備，可以采用不同的技術方法可大面積地制備均勻、高性能的石墨烯、金屬硫族化合物、硅烯、鍺烯或氮化硼等二維納米薄膜。
文檔編號C23C16/44GK102732834SQ20121020157
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月18日 優先權日2012年6月18日
發明者徐明生, 王秋來, 陳紅征, 黃文符 申請人:徐明生, 王秋來, 陳紅征, 黃文符