本實用新型屬于納米結構薄膜材料制備技術領域，涉及一種CVD(等離子增強化學氣相沉積Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法制備石墨烯及納米碳管真空氣相沉積裝置。

背景技術：

石墨烯，近幾年發現一種具有很多奇特性質的材料。它是由六邊形的網狀結構碳原子構成，碳原子之間的排列與石墨單原子層排列是相同的，具有極好的結晶性，是構建其它碳質材料不同維數的基本單元。其C-C之間以SP²鍵相連，具有大的比表面積。目前自然界不存在自由狀態石墨烯片，這種二維原子晶體，是碳的基本結構單元，通常它會堆疊成體相石墨、卷曲成富勒烯或者納米碳管。

自從Andre K.Geim團隊在2004年第一次成功的制備石墨烯以來，這種特殊材料優良的物理和化學性質就備受人們關注。掀起了世界范圍內的研究熱潮，目前，石墨烯這種具有優良特性的特殊材料已經是物理、化學工業和材料科學界等眾多領域最熱門研究主題。

石墨烯是現在世界上所發現的最薄但最堅硬的一種納米級別材料，石墨烯同時具有很多非常好的性能，包括超大比表面積、導電性、透光性和導熱性能，在眾多領域有著廣泛的潛在應用，可利用于軍工、航天、新能源、電子、半導體、生物等眾多領域。中科院研究人員表示，也許到了2024年石墨烯材料可能會代替互補金屬氧化物半導體器件，成為應用于高科技超輕型飛機、光電化學電池以及電子器件的神奇材料。

目前，石墨烯已具有廣闊的市場前景以及高額的經濟效益，純石墨烯每克均在一千元以上。每年的電子行業內的需求量，半導體的晶硅材料需求在2000噸以上，如果石墨烯可以替代這種晶硅材料的十分之一需求量成為高端的集成電路，其市場價值至少要在五千億元以上。負極材料每年的市場需求量大約為兩萬五千噸，并且每年在以20％的速度增長，石墨烯可以作為這種負極材料應用在鋰離子電池中。超級電容器在2010年的市場規模超過五十億美元，石墨烯超級電容器的應用也可謂市場空間巨大。

某種材料的可行性制備，可以很大程度上說是研究它的性能的基礎，也是探討它的應用的前提條件。因為石墨烯在各領域中所表現出的優良性能有很多，包括很好的結晶性，以及 電、熱、力和磁學等性能目前有越來越多的人加入到石墨烯的合成和制備的研究隊伍中。

圍繞石墨烯的一系列奇特應用，這種材料的CVD法制備不斷的完善和發展，目前CVD法已逐漸成為制備高質量石墨烯的一種主要方法。化學氣相沉積法的優點極其明顯，是最近幾年研究人員在制備石墨烯時選取的一種極其有效的沉積方式。韓國Sungkyunkwan大學納米科學技術實驗室、美國Columbia大學、Samsung電子綜合技術實驗室利用CVD法，在薄鎳箔基底上，制備出大面積石墨烯，其直徑達10cm。美國Texas大學Austin分校的人員，通過采用CVD法在銅箔基底上通入甲烷和氫氣的混合氣體，制備出石墨烯薄膜。首次證明，單層石墨烯幾乎可以全面覆蓋平方厘米的區域，而不是少量的雙層和三層石墨烯薄片。

化學氣相沉積法，是一種具有生長面積大、產物質量高等優點的沉積方法，是近幾年石墨烯制備的新熱點新方法。CVD法通常使用含碳化合物作為碳源，在本實驗的過程中選取甲烷作為碳源，通過甲烷在基底表面受到高溫的作用分解，在基底上生長石墨烯。這種方法制備簡單易操作，同時可以生長出大面積理想的石墨烯。利用石墨烯的轉移技術可以實現石墨烯在不同基底之間的轉移。所以此方法同時相當大程度上應用在很多石墨烯的晶體管以及透明導電薄膜的制備中。

不單單是二維石墨烯的制備，現如今的研究表明，CVD法也在為一維石墨烯帶以及三維石墨烯宏觀體的制備提供有力手段。在將來石墨烯應用實現過程中，CVD法會逐漸發揮越來越大作用，從而令石墨烯應用領域大大拓寬。我們可以想象，基于石墨烯的各種奇異特性，CVD法制備的石墨烯的電子器件、電池、顯示器等在將來的某一天會被廣泛使用。

現有技術中，由北京泰科諾科技有限公司生產，型號為PECVD-300型等離子增強化學氣相沉積裝置存在以下不足：

(1)裝置的真空沉積系統中，其陽極的加熱溫度不大于350攝氏度，不能有效的制備出石墨烯薄膜和納米碳管薄膜。

(2)沉積系統中陽極加熱后，不可控制其溫度，且不可降低其溫度。

(3)在沉積腔室中安裝可提高溫度的加熱板后，無法將其固定或者懸掛。

(4)待腔室中安裝加熱板支撐裝置后，無法將加熱板及其電阻絲與金屬支撐裝置隔絕

(5)裝置的氣體及氣體的排列方式的局限，無法達到石墨烯及納米碳管薄膜的有效制備。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是克服了現有技術存在的以上技術問題，提供了一種CVD法制備石墨烯及納米碳管真空氣相沉積裝置。

為解決上述技術問題，本實用新型是采用如下技術方案實現的，結合附圖說明如下：

一種CVD法制備石墨烯及納米碳管真空氣相沉積裝置，包括具有反應腔室的沉積系統、自制水冷系統、自制風冷系統、電極控制系統和氣體控制系統；

所述自制水冷系統主要由銅管、冷卻循環水機和冷卻水管組成；

所述銅管“一字型”橫向排列、“U”形回旋、并且緊密貼合在沉積系統的反應腔室外側，所述冷卻循環水機連接冷卻水管，將冷卻循環水機制冷生成的冷卻水循環流通于所述銅管中；

所述自制風冷系統主要由風冷隔絕氣罩和風冷機組成；

所述風冷隔絕氣罩設置在沉積系統的反應腔室外部，所述風冷機生成的冷氣通過氣管循環流通于風冷隔絕氣罩之內；

所述電極控制系統主要由自制的電阻絲加熱板、自制的兩個特定的不銹鋼支撐架和自制的兩個符合條件的絕緣云母片組成；

所述兩個特定的不銹鋼支撐架設置于沉積系統的反應腔室內部，兩個絕緣云母片平鋪于不銹鋼支撐架上側，電阻絲加熱板設置在兩個絕緣云母片之上，電阻絲加熱板的電源線正負極分別與電源正負極相連；

所述氣體控制系統主要由氣體質量流量計、依次排列的氫氣發生器、氬氣氣瓶、甲烷氣瓶、氫氣氣瓶組成；所述氫氣發生器、氬氣氣瓶、甲烷氣瓶、氫氣氣瓶連接各自的氣體質量流量計，通過調節控制沉積系統中氣體質量流量計的操作面板上的開關、旋鈕，控制氣體流入以及流量大小。

技術方案中所述不銹鋼支撐架高度、形狀、材質、厚度相同；所述絕緣云母片大小、形狀、材質、厚度相同。

技術方案中所述電阻絲加熱板材質為石英。

與現有技術相比本實用新型的有益效果是：

基于腔室內部結構和腔室內部空間的限制，以及腔室內部壓強、溫度等需要，制作并安置符合條件的電阻絲加熱板、不銹鋼支撐架以及絕緣隔絕原件，減小了原有裝置對溫度的限制。其中,不銹鋼支撐架采用耐高溫、耐高壓、表面光滑、防腐蝕的不銹鋼材料制成，可起到耐高溫、耐高壓、無雜質摻雜、堅固穩定的作用。電阻絲加熱板是將電阻絲置于石英管內部，石英管平行排列，并將六根石英管兩端固定。將電阻絲兩端連接電源線正負極。有效的提高了實驗反應的溫度，并且可以控制反應溫度。為目標材料：石墨烯和納米碳管的獲得提供了有力的條件。

水冷系統及風冷系統，能極大程度上降低沉積系統反應腔室的溫度，能夠迅速降溫。可以有效的獲得實驗材料，并且充分的保護了實驗結果、大大的延長了實驗設備的使用壽命。

氣體控制系統，通過排列、儲存、調節的方式能夠有力的保障目標實驗材料的獲得。

附圖說明

下面結合附圖對本實用新型作進一步的說明：

圖1為本實用新型“U”型的水冷原件銅管、沉積系統的反應腔室頂面及包含外部風冷隔絕氣罩示意圖；

圖2為本實用新型“U”型的水冷原件銅管、沉積系統的反應腔室背側及包含外部風冷隔絕氣罩示意圖；

圖3為本實用新型冷卻循環水機及沉積系統冷卻水進出口頂部圖；

圖4為本實用新型沉積系統的反應腔室內部、電阻絲加熱板、不銹鋼支撐架、絕緣云母片整體示意圖；

圖5為本實用新型沉積系統的反應腔室內部的電阻絲加熱板頂部圖；

圖6為本實用新型沉積系統的反應腔室內部的電阻絲加熱板的絕緣云母片頂部圖；

圖7為本實用新型沉積系統的反應腔室內部不銹鋼支撐架正面圖；

圖8為本實用新型沉積系統的反應腔室內部不銹鋼支撐架背側圖；

圖9為本實用新型沉積系統的氣體質量流量計正面圖；

圖10為本實用新型氫氣發生器、氬氣氣瓶、甲烷氣瓶、氫氣氣瓶、氣體質量流量計連接圖；

圖中：

1.沉積系統的反應腔室整體；2.沉積系統的反應腔室的正面腔室門；3.水冷系統的銅管；4.不銹鋼鋼絲a；5.不銹鋼鋼絲b；6.不銹鋼鋼絲c；7.不銹鋼鋼絲d；8.不銹鋼鋼絲e；9.銅管進水口；10.銅管出水口；11.自制風冷系統的風冷隔絕氣罩；12.風冷機；13.風冷機出氣管；14.冷卻循環水機整體；15.冷卻循環水機進水口；16.冷卻循環水機出水口；17.冷卻循環水機進水管；18.冷卻循環水機出水管；19.沉積系統下部水管連接臺；20.沉積系統下部冷卻水進水口；21.沉積系統下部冷卻水出水口；22.沉積系統反應腔室內的等離子體濺射臺上部；23.沉積系統反應腔室內的等離子體濺射臺下部；24.不銹鋼支撐架A；25.不銹鋼支撐架B；26.絕緣云母片A；27.絕緣云母片B；28.電阻絲加熱板整體；29.電阻絲加熱板電源線正極；30.電阻絲加熱板電源線負極；31.電阻絲A；32.電阻絲B；33.電阻絲C；34.電阻絲D；35.電阻絲E；36.電阻絲F；37.石英管A；38.石英管B；39.石英管C；40.石英管D；41.石英管E；42.石英管F；43.電阻絲連接點A；44.電阻絲連接點B；45.電阻絲連接點C；46.電阻絲連接點D；47電阻絲連接點E；48.電阻絲連接點F；49電阻絲連接點G；50.電阻 絲連接點H；51.電阻絲連接點I；52.電阻絲連接點J；53.沉積系統的氣體質量流量計整體；54.沉積系統的氣體質量流量計氬氣表；55.沉積系統的氣體質量流量計氫氣表；56.沉積系統的氣體質量流量計甲烷表；57.氬氣氣瓶；58.甲烷氣瓶；59.氫氣發生器；60.氬氣氣瓶的氣管；61.氫氣氣瓶的氣管；62.甲烷氣瓶的氣管；63.沉積系統的下部氣管連接臺；64.沉積系統的下部氬氣進氣口；65.沉積系統的下部氫氣進氣口；66.沉積系統的下部甲烷氣體進氣口。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作詳細的描述：

為使本實用新型的特征、優點更加明確鮮明，下面將結合附圖說明本實用新型的具體實施方式。

1.沉積系統

沉積系統由反應腔室、水冷陰極、加熱陽極、真空系統、反應氣體供給系統、機架、電器控制等幾大部分組成。

由北京泰科諾科技有限公司生產，型號為PECVD-300型，等離子體增強化學氣相沉積系統，系統構成如下：

PECVD-300型等離子體增強化學氣相沉積臺主要由反應室、水冷陰極、加熱陽極、真空系統、反應氣體供給系統、機架、電器控制等幾大部分組成。

沉積系統中反應腔室是立式的筒狀結構，采用不銹鋼材料構成，上、下均為平法蘭。內部由上、下兩部分等離子體濺射臺構成。反應室采用前開門的結構，抽氣口的位置在底板上。陽極在上方，連接幾種氣體或者幾種混合氣體，同時連接氣罩、接地，為腔室內加熱的位置。陰極在下方，連接通入的水冷設備制冷的冷卻水和射頻電源。實驗操作時，反應基片放置于陰極上方，陽極與陰極直接的距離可以調節，在30-50毫米之間。反應腔室的抽氣口在底板的中心位置，并將抽氣口的上方連接陰極。陰極通入的水和電全是從反應腔室的后部引出。對于反應氣體供給系統的工作氣體操控可由氣體質量流量計的操作面板來控制。反應室的前側外門上裝有水冷觀察窗，其配有手動擋板，可以隨時通過擋板開啟、關閉觀察窗，以隨時監看反應腔室工作情況。

采用的這套設備中，真空系統由分子泵及TRP-12型旋片式機械泵構成，它的主閥采用手動高真空閘板閥，前級閥、預抽閥全是采用高真空氣動擋板閥。前級用低真空測量，采用數字式復合真空計，整個真空系統的管道和法蘭全是采用不繡鋼材料制成。

反應室中的水冷陰極是平板型結構，它通過絕緣材料固定屏蔽法蘭上，屏蔽法蘭支撐在反應室的地板上。陰極水和電的引線從反應室后部引出。

反應腔室中的加熱陽極也為平板型，它的位置可以手動上下調節，陽極連接一種氣體或者幾種混合氣體，同時連接氣罩、接地，是腔室內加熱的位置。內置不銹鋼鎧裝加熱器，連同屏蔽一起固定在反應室頂板上，拆卸十分方便，陽極加熱絲引線和測溫引線全由從反應室頂板引出。

電氣控制部分包括真空系統控制、真空測量、陽極加熱、陽極溫度測量、工作氣體控制和RF電源。所有的控制操作全在同一控制面板上進行的，并且每個開關或旋鈕都附有文字說明。

下面對這套原有CVD系統的一些主要技術參數進行介紹。這套系統中的反應部分包含一個主體部分，即反應腔室。它的尺寸大小是內徑350毫米，高300毫米。設備腔室在真空極限下進行測試，限定其極限真空在2×10-4Pa。工作狀態時的恢復工作真空時間，一般可在15分鐘之內將整個腔室從大氣壓抽至7×10-3Pa時。腔室內的陽極，其加熱溫度只能維持在350℃以下，水冷陰極的直徑為120毫米。射頻電源磁控濺射的電壓最高為(RF電源)13.56MHz、500W。

本套系統所搭載采用的真空系統為TRP-12型機械泵和F-110型分子泵。整套設備的使用和保護的理想室溫條件應該在30攝氏度以下，相對濕度小于75％，以確保系統的日常運行。

2.自制水冷系統

自制水冷系統主要由：銅管、冷卻循環水機、冷卻水管幾大部分組成；

(1)“一字型”橫向排列的銅管、“U”形回旋、并且緊密排列。“U”型回旋制成的銅管組件緊密貼合在沉積系統的反應腔室外側。(2)冷卻循環水機裝置，有序連接循環冷卻水管，將上述的銅管中通入冷卻循環水機中制冷生成的冷卻水。

3.自制風冷系統

自制風冷系統主要由：風冷隔絕氣罩、風冷機部分組成

風冷隔絕氣罩設置在沉積系統的反應腔室外部，選取符合標準及此實驗條件的風冷機。將風冷機中生成的冷氣通過氣管通入風冷隔絕氣罩之內，令冷氣在風冷隔絕氣罩之內循環流通。通過強制風冷方式來冷卻銅管及沉積系統的反應腔室。

4.電極控制系統

電極控制系統主要由：電阻絲加熱板、不銹鋼支撐架、絕緣云母片幾大部分組成

(1)沉積系統中，反應腔室內原有部件及系統基礎之上，自制、并安裝石英材料及電阻絲材料制成的平面型石英套管的電阻絲加熱板。

(2)自制可滿足沉積系統的反應腔室內條件需求的兩組相同形狀、大小、材質、厚度的不銹鋼支撐架。

(3)兩片大小、形狀、材質、厚度相同的絕緣云母片。

5.氣體控制系統

氣體控制系統主要由：氫氣發生器、氬氣氣瓶、甲烷氣瓶、氫氣氣瓶、氣體質量流量計幾部分組成

(1)可以以液體H2O形式存在的、制備生成氫氣的氫氣發生器。

(2)將惰性氣體氬氣、碳源氣體甲烷儲存于氣瓶中依次排列。

(3)將上述依次排列的氣瓶和氫氣發生器連接各自的氣體質量流量計。使得通過調節控制沉積系統中氣體質量流量計的操作面板上的開關、旋鈕，控制上述氣體流入以及流量大小。

參閱圖1，沉積系統的反應腔室整體1與沉積系統的反應腔室的正面腔室門2通過沉積系統反應腔室的腔室門旋鈕密閉連接，以實現腔室抽真空過程。水冷系統的銅管3內徑為1cm、中空、薄壁，成“U”形、并緊密圍繞在沉積系統的反應腔室整體1外側。利用不銹鋼鋼絲a4、不銹鋼鋼絲b5、不銹鋼鋼絲c6、不銹鋼鋼絲d 7、不銹鋼鋼絲e8將水冷系統的銅管3固定于沉積系統的反應腔室整體1上。并令水冷系統的銅管3盡最大程度圍繞沉積系統的反應腔室整體1，從而達到最大限度的接觸面積。冷卻循環水機中產生的冷卻水從銅管進水口9流入水冷系統的銅管3，經銅管出水口10流出。自制風冷系統的風冷隔絕氣罩11置于上述整體外側。風冷機12中產生的冷氣經風冷機出氣管13通入自制風冷系統的風冷隔絕氣罩11中，并令冷氣在自制風冷系統的風冷隔絕氣罩11內循環。

參閱圖2，水冷系統的銅管3按“一”字型回繞，并密布排列，布滿沉積系統的反應腔室整體1背側，以增大接觸面積。

參閱圖3，冷卻水產生并貯存于冷卻循環水機整體14中。冷卻水由冷卻循環水機出水口16流出，經冷卻循環水機出水管18流入沉積系統下部水管連接臺19平臺上的沉積系統下部冷卻水進水口20。再由沉積系統下部水管連接臺19平臺上的沉積系統下部冷卻水出水口21流出冷卻水，經冷卻循環水機進水管17流入冷卻循環水機進水口15。

參閱圖4，沉積系統反應腔室內的等離子體濺射臺上部22、沉積系統反應腔室內的等離子體濺射臺下部23共同構成等離子體濺射臺。不銹鋼支撐架A24、不銹鋼支撐架B25為兩個相同高度、形狀、不銹鋼支撐架。不銹鋼支撐架A24、不銹鋼支撐架B25成縱面側放于沉積系統的反應腔室內部，并不接觸反應腔室邊緣及等離子體濺射臺。不銹鋼支撐架A24和不銹鋼支撐架B25頂端高度略高于沉積系統反應腔室內的等離子體濺射臺下部23。電阻絲加熱板的隔絕原件為絕緣云母片A、絕緣云母片B；絕緣云母片A26、絕緣云母片B27平鋪于不銹鋼支撐架A24、不銹鋼支撐架B25上側。電阻絲加熱板整體28兩端放于絕緣云母片A 26、絕緣云母片B 27上側。使電阻絲加熱板整體28可懸空于沉積系統反應腔室內的等離子體濺射臺 下部23上方。電阻絲加熱板電源線正極29和電阻絲加熱板電源線負極30分別連接電源箱正負極。

參閱圖5，加熱板原件整體28，由以下各部分組件組成：

電阻絲加熱板電源線正極29、電阻絲加熱板電源線負極30分別連接電源線正負極，經電阻絲A31、電阻絲B32、電阻絲C33、電阻絲D34、電阻絲E35、電阻絲36，依次螺旋制作，并成縱向排列方式。電阻絲A31、電阻絲B32、電阻絲C33、電阻絲D34、電阻絲E35、電阻絲36為6根鐵鉻鋁電阻絲或鎳鉻電阻絲。

電阻絲連接點A43與電阻絲連接點B44、電阻絲連接點C45與電阻絲連接點D46、電阻絲連接點E47與電阻絲連接點F48、電阻絲連接點G49與電阻絲連接點H50、電阻絲連接點I51與電阻絲連接點J52分別相連。

參閱圖6，絕緣云母片A26和絕緣云母片B27為相同的：長10cm、寬2cm、厚1mm的絕緣耐熱紙板。用以隔絕電阻絲加熱板、加熱板電源線和下部不銹鋼支撐架。耐熱、且防止導電。

參閱圖7，不銹鋼支撐架A 24、不銹鋼支撐架B25為不銹鋼材質支撐架，堅固、中空、穩定、抗壓、且具有一定支撐力。

參閱圖8，為不銹鋼支撐架正面。

參閱圖9，為不銹鋼支撐架背側。

參閱圖10，經沉積系統的下部氬氣進氣口64、沉積系統的下部氫氣進氣口65、沉積系統的下部甲烷氣體進氣口66留入沉積系統的氣體，分別由沉積系統的氣體質量流量計整體53控制面板上的沉積系統的氣體質量流量計氬氣表54、沉積系統的氣體質量流量計氫氣表55、沉積系統的氣體質量流量計甲烷表56顯示出。并可由旋鈕進行調節。

氬氣氣瓶57中氬氣氣體流出，經氬氣氣瓶的氣管60流入沉積系統的下部氣管連接臺63平臺中的沉積系統的下部氬氣進氣口64；

甲烷氣瓶58中甲烷氣體流出，經甲烷氣瓶的氣管62流入沉積系統的下部氣管連接臺63平臺中的沉積系統的下部甲烷氣體進氣口66；

氫氣發生器59中氫氣氣體流出，經氫氣氣瓶的氣管61流入沉積系統的下部氣管連接臺63平臺中的沉積系統的下部氫氣進氣口65。