一种双光束快速制备石墨烯图形的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种使用双光束制备石墨烯图形的方法及装置，所述方法包括连续激光束与短脉冲激光束同时聚焦到镍基底表面，短脉冲光束在激光脉宽时间内迅速将镍基底表面的光束聚焦区域加热至石墨烯生长温度，汇聚的连续激光束的持续加热使得该区域的温度稳定保持在石墨烯生长温度，进行石墨烯合成；所述装置设有脉冲激光单元、连续激光单元、二向色镜、光束整形与聚焦单元、真空腔、气体流量控制单元及三轴精密平移台，可实现任意石墨烯图形的快速制备。本发明专利技术使用较小的激光功率密度便可完成石墨烯图形的制备，有效降低了装置的成本，且由于脉冲激光加热速度快，热影响区小，有效提高了所制备的石墨烯图形的边缘质量及制备速度。

【技术实现步骤摘要】
一种双光束快速制备石墨烯图形的方法及装置
本专利技术涉及石墨烯制备
，具体而言，涉及一种双光束快速制备石墨烯图形的方法及装置。
技术介绍
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成蜂窝状结构的二维材料，厚度仅为0.335nm。石墨烯具有优异的光学、电学、力学及物理学特性，是目前最薄但最坚硬的纳米材料，其电子能带、物理和化学特性易于调控，在微电子、光电子、自旋电子学、微纳传感器、能源、机械等领域具有良好的应用前景，是下一代微纳光机电器件的核心材料。所谓的石墨烯图形(GraphenePatterns)是的是完整的石墨烯薄膜经图形化后得到的具有特定功能的石墨烯结构。石墨烯的图形化是实现石墨烯器件功能的关键。目前石墨烯图形的制备主要采用先合成再刻蚀话的方法，即先采用化学气相沉积法，机械剥离法，氧化还原法或外延生长法获得大面积的石墨烯，再通过光刻、反应离子束刻蚀等方法制备石墨烯图形。这类方法需使用昂贵的光刻、刻蚀设备，成本高，制程复杂，且大部分的石墨烯在刻蚀过程中被去除，效率低。使用聚焦激光束对基底局部区域进行加热是一种快速合成石墨烯图形的有效方法，它无需退火、刻蚀等过程，可直接合成所需要的石墨烯图形。中国专利CN103288073A公开了一种用激光化学气相沉积法制备石墨烯的装置，其特征在于：包括一个反应腔，其内设有用于卡紧铜箔的卡紧装置；一个红外激光加热装置，用于加热上述反应腔内的铜箔以制备石墨烯；一个真空泵，与反应腔连通以对其抽真空；以及一个反应气体输入管道，包括两输入段和一输出段，两输入段分别连通碳源气体源和辅助气体源。该装置使用一个红外激光加热装置对铜箔局部区域进行加热。专利中虽然没有指明所用激光是连续激光还是脉冲激光，但可以很明显地判断出专利所述的红外激光加热装置为连续激光，因为脉冲激光能量集中，它与物质的作用伴随着急剧快速的升温降温过程，无法为石墨烯的合成提供一个持续的稳定的高温环境。论文“J.B.Park,W.Xiong,Y.Gao,etal.Fastgrowthofgraphenepatternsbylaserdirectwriting.AppliedPhysicsLetters,2011,98(12):123109-123109-3”使用波长为532nm，功率为5W的连续固体激光器加热镍膜，快速制备出了线宽约为10μm的石墨烯结构。论文“JuanJiang,ZheLin,XiaohuiYe,etal.Graphenesynthesisbylaser-assistedchemicalvapordepositiononNiplateandtheeffectofprocessparametersonuniformgraphenegrowth.ThinSolidFilms,2014,556(0):206-210”使用功率为2000W，出射波长为1064nm的连续光纤激光器加热镍箔，合成了线宽为1.5mm的石墨烯结构。现有的基于激光辅助的化学气相沉积制备石墨烯的方法都是采用单个连续激光器对基底进行局部加热。使用单个连续激光器加热基底存在以下两方面的不足：首先，连续激光束需要很大的激光功率密度才能将基底加热至石墨烯生长温度(950℃)。激光功率密度与激光功率成正比，与光斑面积成反比，因此要求所使用的激光器具有很大的功率，或是被聚焦的很小。大功率的连续激光器价格十分昂贵，而聚焦的很小的连续激光束只能合成线宽很小的石墨烯图形，限制了该技术的应用。其次，大功率密度的连续激光束对镍基底的持续加热容易导致镍基底上大的热影响区域，影响石墨烯图形的边缘质量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在小的激光功率密度下快速制备高质量的石墨烯图形的方法和装置。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双光束快速制备石墨烯图形的方法，将连续激光束与短脉冲激光束同时聚焦到镍基底表面，镍基底接收到聚焦的短脉冲光束中的一个脉冲后，局部温度在脉宽时间内迅速升至石墨烯生长温度，汇聚的连续激光束继续对光束聚焦区域加热，使得镍基底上光束聚焦区域的温度稳定地保持在石墨烯生长温度，从而使与镍基底高温区域接触的甲烷气体分解出游离的碳原子并溶入基底的高温区域；聚焦激光束与镍基底保持匀速的相对运动，当聚焦激光束离开被该聚焦区域后，由于热扩散及热对流该聚焦区域的温度迅速降低，使得溶入的碳原子在基底表面析出形成石墨烯，从而制得与相对运动路径一致的石墨烯图形。作为优选，镍基底上的一个聚焦区域仅被一个脉冲及连续激光加热。一种双光束快速制备石墨烯图形的装置，包括脉冲激光单元、连续激光单元、二向色镜、光束整形与聚焦单元、真空腔、气体流量控制单元和三轴精密平移台；所述脉冲激光单元发出的短脉冲激光束与连续激光单元发出的连续激光束由二向色镜进行合束，经光束整形与聚焦单元后共同汇聚到固定于真空腔内的镍基底表面，对基底表面的局部区域进行加热；真空腔安装于三轴精密平移台上，可随三轴精密平移台移动；气体流量控制单元与真空腔相连，为石墨烯图形的制备提供所需要的气体供给。作为优选，所述脉冲激光单元包括脉冲激光器、第一激光快门和反射镜；所述第一激光快门接收所述脉冲激光器发射的短脉冲激光束，并通过反射镜将所述短脉冲激光束发射到所述二向色镜。作为优选，所述脉冲激光器为纳秒激光器，功率及脉冲重复频率可调。作为优选，所述连续激光单元包括连续激光器与第二激光快门；所述第二激光快门接收所述连续激光器发射的连续激光束，并发射给所述二向色镜。作为优选，所述连续激光器为固体激光器，配有控制器，使得功率可调。作为优选，所述光束整形与聚焦单元包括光束整形模块和光束聚焦模块；所述光束整形模块中设有光束扩束元件与衍射平顶光束整形元件用于将所述二向色镜发射的呈高斯分布的脉冲激光束与连续激光束整形为平顶分布光束，并将所述平顶分布光束发射到所述光束聚焦模块进行聚焦。作为优选，所述气体流量控制单元包括氢气、甲烷、氢气质量流量控制器、甲烷质量流量控制器、三通阀、真空计和真空泵；所述氢气与所述氢气质量流量控制器相连；所述甲烷与所述甲烷质量流量控制器相连；所述氢气质量流量控制器和甲烷质量流量控制器的输出汇集进所述三通阀并进入所述真空腔进行石墨烯合成；所述三通阀与真空腔入口之间设有所述真空计；所述真空泵通过真空管道与所述真空腔出口相连，将腔内气体排出真空腔。本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术所需使用的激光功率密度小，可有效降低装置成本；与单独使用连续激光制备石墨烯的方法相比，本专利技术使用小激光功率密度的激光束便可制备出同样的石墨烯图形；本专利技术所需使用的功率密度大约为单独使用连续激光的1/10；(2)本专利技术制备出的石墨烯图形边缘质量好，线宽准确；脉冲激光峰值功率大，在一个脉冲宽度的时间内(若使用脉宽为1纳秒的纳米激光器，则加热时间为1纳秒，1纳秒＝10-9秒)便可将基底的激光聚焦区域加热至石墨烯制备温度，而单独使用连续激光加热，基底温度上升至石墨烯制备温度则需要几百毫秒至几秒的时间；脉冲激光快速的加热过程使得基底热影响区较小，从而使得所制备的石墨烯图形边缘质量好，线宽准确；(3)本专利技术制备速度快；单独使用连续激光制备石墨烯时，石墨烯图形上的每个单元所需要的制备时间主要包括基底的加热时间(几百本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双光束快速制备石墨烯图形的方法，其特征在于：将连续激光束与短脉冲激光束同时聚焦到镍基底表面，镍基底接收到聚焦的短脉冲光束中的一个脉冲后，局部温度在脉宽时间内迅速升至石墨烯生长温度，汇聚的连续激光束继续对光束聚焦区域加热，使得镍基底上光束聚焦区域的温度稳定地保持在石墨烯生长温度，从而使与镍基底高温区域接触的甲烷气体分解出游离的碳原子并溶入基底的高温区域；聚焦激光束与镍基底保持匀速的相对运动，当聚焦激光束离开该聚焦区域后，该聚焦区域由于热扩散与热对流温度迅速降低，使得溶入的碳原子在基底表面析出形成石墨烯，从而制得与相对运动路径一致的石墨烯图形。

【技术特征摘要】
1.一种双光束快速制备石墨烯图形的方法，其特征在于：将连续激光束与短脉冲激光束同时聚焦到镍基底表面，镍基底接收到聚焦的短脉冲光束中的一个脉冲后，局部温度在脉宽时间内迅速升至石墨烯生长温度，汇聚的连续激光束继续对光束聚焦区域加热，使得镍基底上光束聚焦区域的温度稳定地保持在石墨烯生长温度，从而使与镍基底高温区域接触的甲烷气体分解出游离的碳原子并溶入基底的高温区域；聚焦激光束与镍基底保持匀速的相对运动，当聚焦激光束离开该聚焦区域后，该聚焦区域由于热扩散与热对流温度迅速降低，使得溶入的碳原子在基底表面析出形成石墨烯，从而制得与相对运动路径一致的石墨烯图形。2.根据权利要求1所述的双光束快速制备石墨烯图形的方法，其特征在于：镍基底上的一个聚焦区域仅被一个脉冲及连续激光加热。3.一种双光束快速制备石墨烯图形的装置，其特征在于，包括脉冲激光单元(1)、连续激光单元(2)、二向色镜(3)、光束整形与聚焦单元(4)、真空腔(5)、气体流量控制单元(6)、三轴精密平移台(7)；所述脉冲激光单元(1)发出的短脉冲激光束与连续激光单元(2)发出的连续激光束由二向色镜(3)进行合束，经光束整形与聚焦单元(4)后共同汇聚到固定于真空腔(5)内的镍基底表面，对基底表面的局部区域进行加热；真空腔(5)安装于三轴精密平移台(7)上，可随三轴精密平移台(7)移动；气体流量控制单元(6)与真空腔(5)相连，为石墨烯图形的制备提供所需要的气体供给。4.根据权利要求3所述的一种双光束快速制备石墨烯图形的装置，其特征在于：所述脉冲激光单元(1)包括脉冲激光器(11)、第一激光快门(12)和反射镜(13)；所述第一激光快门(12)接收所述脉冲激光器(11)发射的短脉冲激光束，并通过反射镜(13)将所述短脉冲激光束发射...

【专利技术属性】
技术研发人员：张陈涛，张建寰，林坤，黄元庆，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35