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微波等离子CVD设备

化学气相沉积法(CVD)是一种在相对而言比较高的温度下,通过化学反应对含碳化合物进行分解,然后使得石墨烯在基片上生长出来的技术。通常是在基底的表面形成一种过渡金属(如Cu、Co、Pt、Ir、Ru及Ni等)薄膜,以此薄膜作为催化剂,然后用CH4作为碳源,用气相解离的方法解离过渡金属薄膜,使得石墨烯片层在过渡金属薄膜表面逐步形成,最后采用强腐蚀性的酸性溶液对金属膜进行处理,进而制备出石墨烯。此法可以制备出大面积、高质量、理学性能良好的石墨烯片,是最有可能实现工业化的制备方法,但降低成本、完善工艺条件是其实现规模化工业生产需要解决的关键问题。

众所周知,直接剥离法制备石墨烯的产量低,工序复杂,不适宜实际的工业需求。随着化学气相沉积法的出现,石墨烯的工业化生产变成了可能。

化学气相沉积法最早出现在二十世纪六十年代,主要用来制备高纯度、高性能的固体薄膜。石墨烯的化学气相沉积的原理是:将一种含碳的气态物质在高温和高真空的环境下,用氢气作为还原性气体,通入到炉内,生成石墨烯。

石墨烯用化学气相沉积法制备的设备有:管式炉,微波等离子CVD设备、射频化学气相沉积设备等。

CVD管式炉:设备简单,操作容易,但是反应温度高,时间较长,耗费能量较大,无法制备大面积的石墨烯;此外,由于没有压力,薄膜生长容易形成褶皱,减小平整度。

CVD管式炉

CVD管式炉

图1 CVD管式炉

微波等离子CVD设备:是将微波发生器产生的微波用波导管经隔离器进入反应器,并通入甲烷和氢气的混合气体,从而产生甲烷-氢气等离子体,在基底表面进行沉积。此法由于具有等离子体的辅助沉积,使其有沉积温度低,时间短等优点。

 

图2 微波等离子CVD设备

 

磁控溅射CVD设备:磁控溅射CVD系统属于冷壁腔CVD系统,也就是说在反应中只有衬底处是有效的加热区;高温下,碳氢气体只在衬底上分解,不会造成碳过多而产生的抑制石墨烯生长的现象。

磁控溅射CVD设备

磁控溅射CVD设备

图3 磁控溅射CVD设备

 

CVD法制备的工艺流程

CVD法制备石墨烯的基本过程是:把基底金属箔片放入炉中,通入氢气和氩气或者氮气保护加热至1000℃左右,稳定温度,保持20 min左右;然后停止通入保护气体,改通入碳源(如甲烷)气体,大约30 min,反应完成;切断电源,关闭甲烷气体,再通入保护气体排净甲烷气体,在保护气体的环境下直至管子冷却到室温,取出金属箔片,得到金属箔片上的石墨烯。下图为石墨烯的制备过程。

CVD法制备石墨烯的基本流程

CVD法制备石墨烯的基本流程

CVD法制备石墨烯的影响因素

CVD法制备石墨烯的过程主要包含三个重要的影响因素:衬底、前驱体和生长条件。

一) 衬底是生长石墨烯的重要条件。目前发现的可以用作石墨烯制备的衬底金属有8~10个过渡金属(如Fe,Ru,Co,Rh,Ir,Ni,Pd,Pt,Cu,Au),和合金(如Co-Ni,Au-Ni,Ni-Mo,不锈钢)。选择的主要依据有金属的熔点、溶碳量,以及是否有稳定的金属碳化物等。这些因素决定了石墨烯的生长温度、生长机制和使用的载气类型。另外,金属的晶体类型和晶体取向也会影响石墨烯的生长质量。

不同的基底材料通过CVD制备石墨烯的机理各不相同,主要分为两种制备机理:

1.渗碳析碳机制,即高温时裂解后的碳渗入基底中,快速降温时在表面形成石墨烯;

2.表面催化机制,即高温时裂解后的碳接触特定金属时(如铜),在表面形成石墨烯,并保护样品抑制薄膜继续沉积,因此这种机制更容易形成单层石墨烯。

过渡金属在石墨烯的CVD生长过程中既作为生长基底,也起催化作用。烃类气体在金属基体表面裂解形成石墨烯是一个复杂的催化反应过程,以铜箔上石墨烯的生长为例[4],主要包括三个步骤:

1)碳前驱体的分解:以甲烷气体在铜箔表面的分解为例,CH4分子吸附在金属基体表面,在高温下C-H键断裂,产生各种碳碎片CHx。该过程中的脱氢反应与生长基体的催化活性有关,由于金属铜的活泼性不太强,对甲烷的催化脱氢过程是强吸热反应,完全脱氢产生碳原子的能垒很高,因此,甲烷分子的裂解不完全。相关研究表明,铜表面上烃类气体的裂解脱氢作用包括部分脱氢、偶联、再脱氢等过程,在铜表面不会形成单分散吸附的碳原子。

2)石墨烯形核阶段:甲烷分子脱氢之后,在铜表面的碳物种相互聚集,生成新的C-C键、团簇,开始成核形成石墨烯岛。碳原子容易在金属缺陷位置(如金属台阶)形核,因为缺陷处的金属原子配位数低,活性较高。

3)石墨烯逐渐长大过程:随着铜表面上石墨烯形核数量的增加,之后产生的碳原子或团簇不断附着到成核位置,使石墨烯晶核逐渐长大直至相互“缝合”,最终连接成连续的石墨烯薄膜。

CVD法制备石墨烯生长过程(碳源气体为甲烷)

CVD法制备石墨烯生长过程(碳源气体为甲烷)

二)前驱体 – 前驱体包括碳源和辅助气体,其中碳源包括固体(如含碳高分子材料等),液体(如无水乙醇等),气体(如甲烷、乙炔、乙烯等烃类气体)三大类;目前,实验和生产中主要将甲烷作为气源,其次是辅助气体包括氢气、氩气和氮气等气体,可以减少薄膜的褶皱,增加平整度和降低非晶碳的沉积;选择碳源需要考虑的因素主要有烃类气体的分解温度、分解速度和分解产物等。碳源的选择在很大程度上决定了生长温度,采用等离子体辅助等方法也可降低石墨烯的生长温度。

三)生长条件 – 生长条件包括压力,温度,碳接触面积等。它们影响着石墨烯的质量和厚度。从气压的角度可分为常压(105 Pa)、低压(10-3 Pa~105 Pa)和超低压(<10-3 Pa);载气类型为惰性气体(氦气、氩气)或氮气,以及大量使用的还原性气体氢气;据生长温度不同可分为高温(>800℃)、中温(600℃~800℃)和低温(<600℃),主要取决于碳源的分解温度。

石墨烯的转移

金属基底影响石墨烯的进一步应用,因此,合成的石墨烯薄膜必需转移到一定的目标基底上。

理想的石墨烯转移技术应具有如下特点:(1)保证石墨烯在转移后结构完整、无破损;(2)对石墨烯无污染(包括掺杂);(3)工艺稳定、可靠, 并具有高的适用性。对于仅有原子级或者数纳米厚度的石墨烯而言, 由于其宏观强度低, 转移过程中极易破损, 因此与初始基体的无损分离是转移过程所必须解决的首要问题。

 

湿化学腐蚀基底法

 

 

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