用于临近催化化学气相沉积的装置制造方法及图纸

本申请提供用于临近催化化学气相沉积的装置及方法，所述装置包括：在竖直方向上设置的上加热器和下加热器；用于控制它们升降的电机；在下加热器表面上的用于安放基底的样品台；在样品台和上加热器之间的水平导轨；和用于安放催化剂的载板，所述载板和所述样品台之间为用于临近催化化学气相沉积的反应区；其中上下加热器用于对反应区提供二维材料生长所需的温度。通过利用本实用新型专利技术的装置和方法，可以使得在催化剂表面催化得到的二维材料的活性物质扩散到基底，使得在基底上沉积所需的薄膜；同时可以在不具有催化功能的基底上生长强烈依赖催化剂的二维材料的薄膜或异质结。

Device for near catalytic chemical vapor deposition

The present application provides an apparatus and method for near-catalytic chemical vapor deposition, comprising an upper heater and a lower heater in a vertical direction, a motor for controlling their elevation, a sample table for placing a substrate on the surface of the lower heater, and a horizontal rail between the sample table and the upper heater; A reaction zone for adjacent catalytic chemical vapor deposition is formed between the carrier plate and the sample platform, where the upper and lower heaters are used to provide the temperature required for two-dimensional material growth in the reaction zone. By utilizing the device and method of the utility model, the active substance of the two-dimensional material catalyzed on the catalyst surface can be diffused to the substrate, and the required film can be deposited on the substrate; at the same time, the film or heterojunction of the two-dimensional material strongly dependent on the catalyst can be grown on the substrate without catalytic function.

【技术实现步骤摘要】
用于临近催化化学气相沉积的装置
本技术涉及纳米材料领域，尤其涉及一种在无催化性的基底上生长二维材料的装置和方法。
技术介绍
目前通常利用化学气相沉积(CVD)技术大面积生长二维材料，已经从实验室阶段开始走入工业化生产阶段。可以说该技术的发展和进步是二维材料得以推广和应用的基础。目前二维材料主要为两大家族：石墨烯类材料以及过渡金属二硫化物材料，而石墨烯类材料中的最重要一种就是石墨烯。石墨烯具有极好的电学性能、热学性能、光学性能以及机械性能，但是它的零带隙严重阻碍了它作为电子器件的应用，而且由于基底杂质散射，也会降低它的电学性能。然而，如果能把石墨烯直接生长在硅片或者别的目标基底上，免去转移的过程，那么沉积得到的石墨烯的品质会提高很多。目前用于二维材料生长的较好基底如硅片，或表面上已沉积有六方氮化硼的基底等都不具备催化功能，而石墨烯又是依赖催化剂的，所以普通的CVD技术是不能满足这样的无催化功能的基底的要求，因而需要在基底临近的地方引入催化剂对二维材料前驱体进行催化，得到二维材料的活性物质扩散到基底材料上成核、生长，由此需要开发临近催化化学气相沉积技术。
技术实现思路
有鉴于此，本技术的目的是提供用于临近催化化学气相沉积的装置以及方法。在一方面，本技术提供一种用于临近催化化学气相沉积的装置，所述装置包括：设置在竖直方向上的彼此相对的上加热器和下加热器；电连接至所述上加热器和下加热器的用于控制它们在所述竖直方向上升降的电机；设置在所述下加热器表面上的样品台，其用于安放在所述临近催化化学气相沉积期间生长二维材料的基底；设置在所述样品台和所述上加热器之间并且与它们间隔开的水平导轨；和设置在所述水平导轨上并且具有一个或多个用于安放催化剂的穿孔的载板，所述载板和所述样品台之间为用于临近催化化学气相沉积的反应区；其中所述上加热器和所述下加热器用于对所述反应区提供适合所述二维材料生长的温度。优选地，所述装置还包括设置在所述样品台与所述载板之间的用于测量基底与催化剂之间的距离的光栅尺。优选地，所述载板的穿孔为用于安放圆帽形催化剂的圆形孔。优选地，所述装置还包括设置在所述竖直方向上的用于限定所述上加热器在升降过程中的位置的光电二极管。优选地，所述装置还包括用于控制所述水平导轨在水平方向上运动的传动装置。在另一方面，本技术提供一种利用上述装置进行临近催化化学气相沉积的方法，所述方法包括：1)将催化剂安放在载板的穿孔中并将基底安放在样品台上；2)通过电机调整上加热器和下加热器的位置，并将二维材料前驱体置于反应区中；和3)开启上加热器和下加热器以使反应区达到二维材料生长所需的温度从而进行临近催化化学气相沉积，由此在基底上得到所述二维材料的膜。优选地，所述方法通过将所述装置放置在真空环境中进行。优选地，所述电机是步进电机，并且所述上加热器和下加热器的位置通过所述步进电机与所述光栅尺和所述光电二极管配合地进行调整，优选地经所述调整后，所述催化剂和所述基底之间的间隔距离为20微米～100微米。优选地，所述基底是无催化活性的基底如硅片或六方氮化硼，所述二维材料是石墨烯类材料或过渡金属二硫化物材料。优选地，所述载板的材料包含钨，所述催化剂为金属铜、铂或铑。利用本技术的装置和方法，可以使得在催化剂表面催化得到的活性物质扩散到基底，使得在基底上沉积想要的薄膜。利用本技术的装置和方法，可以在不具有催化功能的基底上生长强烈依赖催化剂的薄膜，更进一步的可以生长二维材料的异质结。附图说明图1是根据本技术一个实施方案的用于临近催化化学气相沉积的装置的示意图。图2是根据本技术一个实施方案使用的具体圆帽形催化剂的示意图。具体实施方式在本文中，临近催化化学气相沉积定义为：高温沉积区或反应区有基底以及悬浮在基底上方的催化剂，该悬浮的催化剂与基底之间的间隔距离非常近(例如小于约100微米)，利用悬浮催化剂将二维材料前驱体催化分解得到活跃基团，活跃基团通过热运动到达下方的基底上而沉积成膜。该工艺技术可以在不具备催化性的衬底上生长石墨烯以及其他依赖催化剂的二维材料。为了尤其是在不具备催化性的基底上实现临近催化化学气相沉积，本技术在提供一种装置，所述装置包括：设置在竖直方向上的彼此相对的上加热器和下加热器；电连接至所述上加热器和下加热器的用于控制它们在所述竖直方向上升降的电机；设置在所述下加热器表面上的样品台，其用于安放在所述临近催化化学气相沉积期间生长二维材料的基底；设置在所述样品台和所述上加热器之间并且与它们间隔开的水平导轨；和设置在所述水平导轨上并且具有一个或多个用于安放催化剂的穿孔的载板，所述载板和所述样品台之间为用于临近催化化学气相沉积的反应区；其中所述上加热器和所述下加热器用于对所述反应区提供适合所述二维材料生长的温度。在本技术的装置中，设置在竖直方向上(例如可借助于电机轴或其他固定件)的彼此相对的加热器为彼此间隔开一定距离的上下两个加热器(例如但不限于为钽加热丝作为加热丝的加热器，也可以选用钨作为加热丝)，下加热器例如用于直接加热基底，上加热器用于直接加热悬浮在载板上的催化剂，由此在反应区中提供适合二维材料例如石墨烯在基底上生长的温度(例如在900℃～1200℃的范围内)。下加热器的表面上设置有样品台，其用于放置基底例如硅片、或表面有六方氮化硼覆层的基底等。优选地，该样品台为安装有内嵌导线的石英，所述样品台选材为石英，是因为它可以承受高达1000℃的高温，还可以作为阻隔材料阻隔加热器可能带来的粉尘污染。在本技术的装置中，使用的电机优选为步进电机(例如可购自英飞凌公司)，其用于控制上下加热器在竖直方向上的运动。在本技术的装置中，上下加热器均可以在竖直方向上自由移动，既方便了载板和催化剂的拆卸，也可以精确的控制基底和催化剂的距离。载板和催化剂搭载在水平导轨上，可以在水平方向上移动。在本技术的装置中，水平导轨沿着水平方向(即与样品台上表面平行的方向)安放，例如其可以直接通过固定件安装在本技术装置的支柱或支架上，或者通过本领域已知的其他方式设置在样品台和上加热器之间。优选地，该水平导轨连接有传动装置(例如滚轮)，使得其上设置的载板可以在水平方向上运动。在本技术的装置中，用于安放或悬浮催化剂的载板设置在水平导轨上，例如可以通过诸如螺栓的固定件固定在水平导轨上或者直接放置在水平导轨上。优选地，所述载板具有穿孔，优选圆形小孔用于悬浮例如圆帽形催化剂。所述载板例如可以选用刚性较大、耐热性好、热膨胀率低的材料制成，优选地由金属钨制成。在本技术中，所述载板可以是尺寸为约40mm*约40mm*约2mm的金属板。优选地，本技术的装置还包括用于限定上加热器升降位置的光电二极管(例如LXD-BPW28)，该光电二极管配合步进电机，可以使上加热器下降至特定位置后停止下降。优选地，本技术的装置还包括用于测量样品台与水平导轨或载板下表面之间的间隔距离的光栅尺(例如雷尼绍1微米分辨率光栅尺)，更特别地该光栅尺还可以用于测量载板所悬浮的催化剂与样品台上的基底之间的距离。优选地，所述光栅尺测量精度为1微米。优选地，所述光栅尺和步进电机配合，从而可以对下加热器升降的位移进行精确控制。本申请还提供一种利用上述装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于临近催化化学气相沉积的装置，所述装置包括：设置在竖直方向上的彼此相对的上加热器和下加热器；电连接至所述上加热器和下加热器的用于控制它们在所述竖直方向上升降的电机；设置在所述下加热器表面上的样品台，其用于安放在所述临近催化化学气相沉积期间生长二维材料的基底；设置在所述样品台和所述上加热器之间并且与它们间隔开的水平导轨；和设置在所述水平导轨上并且具有一个或多个用于安放催化剂的穿孔的载板，所述载板和所述样品台之间为用于临近催化化学气相沉积的反应区；其中所述上加热器和所述下加热器用于对所述反应区提供适合所述二维材料生长的温度。

【技术特征摘要】
1.一种用于临近催化化学气相沉积的装置，所述装置包括：设置在竖直方向上的彼此相对的上加热器和下加热器；电连接至所述上加热器和下加热器的用于控制它们在所述竖直方向上升降的电机；设置在所述下加热器表面上的样品台，其用于安放在所述临近催化化学气相沉积期间生长二维材料的基底；设置在所述样品台和所述上加热器之间并且与它们间隔开的水平导轨；和设置在所述水平导轨上并且具有一个或多个用于安放催化剂的穿孔的载板，所述载板和所述样品台之间为用于临近催化化学气相沉积的反应区；其中所述上加热器和所述下加热器用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭国平，杨晖，李海欧，曹刚，郭光灿，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：新型
国别省市：安徽,34