【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于原子层沉积，更具体地，涉及一种制备二维晶体材料的装置及方法。
技术介绍
1、原子层沉积(atomic layer deposition，ald）是通过化学反应将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面，其为基于表面化学反应、自限制生长的气相成膜技术，具有沿结构侧壁生长的特性，膜层厚度控制精度达0.1nm以上。
2、然而，虽然原子层沉积所生长薄膜的均匀性较好且薄膜厚度可以精确控制，但晶体质量较差，特别是二维材料，经原子层沉积后近乎完全呈现为非晶状态。通过超快激光操控沉积表面的原子键断裂、成键和原子排布，可将沉积的二维非晶材料转变为晶体材料，但现有基于原子层沉积技术制备二维晶体材料过程一般先由原子层沉积设备进行沉积得到非晶材料，再将所得非晶材料转移至激光设备进行激光操控结晶，此过程中原子层沉积与激光操控为相互独立的两个流程，整体流程较为繁复，增加了获取二维晶体材料所需时间，降低了二维晶体材料的生长效率，同时材料转移的过程可能会破坏真空环境，造成诸如mos2、hfs2等易氧化材料的氧化问题。
3、此外，现有基于原子层沉积制备二维晶体材料的技术在制备过程中相关参数是提前设置的，相关参数设置完成后在整个薄膜生长过程中是不可改变的，若需改变相关参数则需要先中断薄膜生长过程，再手动修改相关参数，因此不具备实时调控的功能，无法进一步提高二维薄膜材料的结晶质量。
技术实现思路
1、本专利技术通过提供一种制备二维晶体材料的装置及方法，解决现有基于原子层沉积制备二维
2、本专利技术提供一种制备二维晶体材料的装置，包括：上位机、激光系统和原子层沉积系统；所述上位机分别与所述激光系统、所述原子层沉积系统连通，所述原子层沉积系统包括沉积单元和监测单元；在原子层沉积的单原子层沉积周期内，利用所述沉积单元沉积形成二维非晶薄膜，利用所述激光系统操控沉积薄膜表面的原子键断裂、成键和原子排布，使沉积的二维非晶薄膜变为二维晶体薄膜；在沉积过程中，所述上位机接收来自所述监测单元的监测结果信息，并根据所述监测结果信息对所述激光系统的参数、所述沉积单元的参数中的至少一种参数进行实时调控。
3、优选的，所述激光系统包括超快激光器和场镜；所述超快激光器用于发出超快激光光束，所述场镜用于调整超快激光光束的射出范围，经所述场镜后出射的超快激光光束照射至沉积薄膜表面。
4、优选的，所述激光系统还包括在所述超快激光器与所述场镜之间的光路上依次设置的准直扩束镜、光束整型器和挡板；所述准直扩束镜用于对超快激光光束进行扩束，并使超快激光光束准直射出；所述光束整型器用于将超快激光光束的光斑形状由圆形光斑调整为矩形光斑；所述挡板用于阻挡矩形光斑的边缘，得到均化的超快激光光束。
5、优选的，所述沉积单元包括真空箱、基底、前驱体及气体组件；所述基底设置在所述真空箱内，所述真空箱上设置有进气口，所述前驱体及气体组件通过所述进气口与所述真空箱连通；所述真空箱的顶部安装有透明板，所述激光系统发出的激光光束经所述透明板后照射至沉积薄膜表面；所述监测单元安装在所述真空箱上。
6、优选的，所述前驱体及气体组件包括第一前驱体及惰性气体源、第二前驱体及惰性气体源和尾气处理装置；所述真空箱上设置有第一进气口和第二进气口；所述第一前驱体及惰性气体源中的第一前驱体经由所述第一进气口进入所述真空箱，以与所述基底表面发生反应；所述第一前驱体及惰性气体源中的第一惰性气体经由所述第一进气口通入所述真空箱，由所述第一惰性气体将多余的所述第一前驱体及气相副产物吹扫进入所述尾气处理装置；所述第二前驱体及惰性气体源中的第二前驱体经由所述第二进气口进入所述真空箱，以与吸附在所述基底表面的所述第一前驱体发生反应，或与所述第一前驱体和所述基底反应的生成物继续发生反应；所述第二前驱体及惰性气体源中的第二惰性气体经由所述第二进气口通入所述真空箱，由所述第二惰性气体将多余的所述第二前驱体及气相副产物吹扫进入所述尾气处理装置。
7、优选的，所述监测单元包括x射线衍射仪、反射高能电子衍射仪、红外相机和光纤高温计； 所述x射线衍射仪用于监测沉积薄膜的材料成分、材料内部原子或分子的结构、材料内部原子或分子的形态中的至少一种，并得到第一监测信息；所述反射高能电子衍射仪用于监测沉积薄膜表面结构、沉积薄膜表面光洁平整度中的至少一种，并得到第二监测信息；所述红外相机用于监测所述沉积单元中基底的温度，并得到第三监测信息；所述光纤高温计用于监测激光照射区域的沉积薄膜的瞬态温度，并得到第四监测信息；所述监测结果信息包括所述第一监测信息、所述第二监测信息、所述第三监测信息和所述第四监测信息。
8、优选的，所述红外相机上加装有陷波滤波器，所述陷波滤波器的波长与所述激光系统选定的波长对应。
9、优选的，所述激光系统的参数包括超快激光的激光能量、光斑尺寸中的至少一种参数；所述沉积单元的参数包括原子层沉积的进气速率、进气时长中的至少一种参数。
10、优选的，所述制备二维晶体材料的装置得到的二维晶体薄膜为二维石墨烯晶体薄膜材料或二维金属硫化物晶体薄膜材料。
11、另一方面，本专利技术提供一种制备二维晶体材料的方法，采用上述的制备二维晶体材料的装置实现，所述制备二维晶体材料的方法包括：在原子层沉积的单原子层沉积周期内，利用沉积单元沉积形成二维非晶薄膜，利用激光系统操控沉积薄膜表面的原子键断裂、成键和原子排布，使沉积的二维非晶薄膜变为二维晶体薄膜；在沉积过程中，通过上位机接收来自监测单元的监测结果信息，并根据所述监测结果信息对所述激光系统的参数、所述沉积单元的参数中的至少一种参数进行实时调控。
12、本专利技术中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
13、本专利技术在原子层沉积的单原子层沉积周期内，利用沉积单元沉积形成二维非晶薄膜，利用激光系统操控沉积薄膜表面的原子键断裂、成键和原子排布，使沉积的二维非晶薄膜变为二维晶体薄膜；在沉积过程中，通过上位机接收来自监测单元的监测结果信息，并根据监测结果信息对激光系统的参数、沉积单元的参数中的至少一种参数进行实时调控。一方面，本专利技术将激光操控整合进原子层沉积流程，经原子层沉积制成的二维非晶薄膜材料由激光操控结晶，通过超快激光操控沉积薄膜表面的原子键断裂、成键和原子排布，在传统原子层沉积单原子层沉积周期中化学吸附生长基础上，利用超快激光实现吸附原子的精准限域操控，即本专利技术不仅可以将激光作为后处理工艺，使沉积薄膜由非晶变为晶体薄膜，还可以边沉积边激光操作，直接沉积出晶体薄膜，实现沉积周期“边沉积边激光操控”的过程。本专利技术将激光操控过程整合进原子层沉积序列，使其成为二维晶体材料原子层沉积的一道流程，可直接在原子层沉积设备的真空室内进行超快激光操控沉积表面，能有效提升二维晶体薄膜生长效率，缩短制备时长，同时避免了传统的先在原子层沉积设备中沉积再转本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种制备二维晶体材料的装置，其特征在于，包括：上位机、激光系统和原子层沉积系统；所述上位机分别与所述激光系统、所述原子层沉积系统连通，所述原子层沉积系统包括沉积单元和监测单元；在原子层沉积的单原子层沉积周期内，利用所述沉积单元沉积形成二维非晶薄膜，利用所述激光系统操控沉积薄膜表面的原子键断裂、成键和原子排布，使沉积的二维非晶薄膜变为二维晶体薄膜；在沉积过程中，所述上位机接收来自所述监测单元的监测结果信息，并根据所述监测结果信息对所述激光系统的参数、所述沉积单元的参数中的至少一种参数进行实时调控。
2.根据权利要求1所述的制备二维晶体材料的装置，其特征在于，所述激光系统包括超快激光器和场镜；所述超快激光器用于发出超快激光光束，所述场镜用于调整超快激光光束的射出范围，经所述场镜后出射的超快激光光束照射至沉积薄膜表面。
3.根据权利要求2所述的制备二维晶体材料的装置，其特征在于，所述激光系统还包括在所述超快激光器与所述场镜之间的光路上依次设置的准直扩束镜、光束整型器和挡板；所述准直扩束镜用于对超快激光光束进行扩束，并使超快激光光束准直射出；所述光束整型器用于
4.根据权利要求1所述的制备二维晶体材料的装置，其特征在于，所述沉积单元包括真空箱、基底、前驱体及气体组件；所述基底设置在所述真空箱内，所述真空箱上设置有进气口，所述前驱体及气体组件通过所述进气口与所述真空箱连通；所述真空箱的顶部安装有透明板，所述激光系统发出的激光光束经所述透明板后照射至沉积薄膜表面；所述监测单元安装在所述真空箱上。
5.根据权利要求4所述的制备二维晶体材料的装置，其特征在于，所述前驱体及气体组件包括第一前驱体及惰性气体源、第二前驱体及惰性气体源和尾气处理装置；所述真空箱上设置有第一进气口和第二进气口；所述第一前驱体及惰性气体源中的第一前驱体经由所述第一进气口进入所述真空箱，以与所述基底表面发生反应；所述第一前驱体及惰性气体源中的第一惰性气体经由所述第一进气口通入所述真空箱，由所述第一惰性气体将多余的所述第一前驱体及气相副产物吹扫进入所述尾气处理装置；所述第二前驱体及惰性气体源中的第二前驱体经由所述第二进气口进入所述真空箱，以与吸附在所述基底表面的所述第一前驱体发生反应，或与所述第一前驱体和所述基底反应的生成物继续发生反应；所述第二前驱体及惰性气体源中的第二惰性气体经由所述第二进气口通入所述真空箱，由所述第二惰性气体将多余的所述第二前驱体及气相副产物吹扫进入所述尾气处理装置。
6.根据权利要求1所述的制备二维晶体材料的装置，其特征在于，所述监测单元包括X射线衍射仪、反射高能电子衍射仪、红外相机和光纤高温计；所述X射线衍射仪用于监测沉积薄膜的材料成分、材料内部原子或分子的结构、材料内部原子或分子的形态中的至少一种，并得到第一监测信息；所述反射高能电子衍射仪用于监测沉积薄膜表面结构、沉积薄膜表面光洁平整度中的至少一种，并得到第二监测信息；所述红外相机用于监测所述沉积单元中基底的温度，并得到第三监测信息；所述光纤高温计用于监测激光照射区域的沉积薄膜的瞬态温度，并得到第四监测信息；所述监测结果信息包括所述第一监测信息、所述第二监测信息、所述第三监测信息和所述第四监测信息。
7.根据权利要求6所述的制备二维晶体材料的装置，其特征在于，所述红外相机上加装有陷波滤波器，所述陷波滤波器的波长与所述激光系统选定的波长对应。
8.根据权利要求1所述的制备二维晶体材料的装置，其特征在于，所述激光系统的参数包括超快激光的激光能量、光斑尺寸中的至少一种参数；所述沉积单元的参数包括原子层沉积的进气速率、进气时长中的至少一种参数。
9.根据权利要求1所述的制备二维晶体材料的装置，其特征在于，所述制备二维晶体材料的装置得到的二维晶体薄膜为二维石墨烯晶体薄膜材料或二维金属硫化物晶体薄膜材料。
10.一种制备二维晶体材料的方法，其特征在于，采用如权利要求1-9中任一项所述的制备二维晶体材料的装置实现，所述制备二维晶体材料的方法包括：在原子层沉积的单原子层沉积周期内，利用沉积单元沉积形成二维非晶薄膜，利用激光系统操控沉积薄膜表面的原子键断裂、成键和原子排布，使沉积的二维非晶薄膜变为二维晶体薄膜；在沉积过程中，通过上位机接收来自监测单元的监测结果信息，并根据所述监测结果信息对所述激光系统的参数、所述沉积单元的参数中的至少一种参数进行实时调控。
...【技术特征摘要】
1.一种制备二维晶体材料的装置，其特征在于，包括：上位机、激光系统和原子层沉积系统；所述上位机分别与所述激光系统、所述原子层沉积系统连通，所述原子层沉积系统包括沉积单元和监测单元；在原子层沉积的单原子层沉积周期内，利用所述沉积单元沉积形成二维非晶薄膜，利用所述激光系统操控沉积薄膜表面的原子键断裂、成键和原子排布，使沉积的二维非晶薄膜变为二维晶体薄膜；在沉积过程中，所述上位机接收来自所述监测单元的监测结果信息，并根据所述监测结果信息对所述激光系统的参数、所述沉积单元的参数中的至少一种参数进行实时调控。
2.根据权利要求1所述的制备二维晶体材料的装置，其特征在于，所述激光系统包括超快激光器和场镜；所述超快激光器用于发出超快激光光束，所述场镜用于调整超快激光光束的射出范围，经所述场镜后出射的超快激光光束照射至沉积薄膜表面。
3.根据权利要求2所述的制备二维晶体材料的装置，其特征在于，所述激光系统还包括在所述超快激光器与所述场镜之间的光路上依次设置的准直扩束镜、光束整型器和挡板；所述准直扩束镜用于对超快激光光束进行扩束，并使超快激光光束准直射出；所述光束整型器用于将超快激光光束的光斑形状由圆形光斑调整为矩形光斑；所述挡板用于阻挡矩形光斑的边缘，得到均化的超快激光光束。
4.根据权利要求1所述的制备二维晶体材料的装置，其特征在于，所述沉积单元包括真空箱、基底、前驱体及气体组件；所述基底设置在所述真空箱内，所述真空箱上设置有进气口，所述前驱体及气体组件通过所述进气口与所述真空箱连通；所述真空箱的顶部安装有透明板，所述激光系统发出的激光光束经所述透明板后照射至沉积薄膜表面；所述监测单元安装在所述真空箱上。
5.根据权利要求4所述的制备二维晶体材料的装置，其特征在于，所述前驱体及气体组件包括第一前驱体及惰性气体源、第二前驱体及惰性气体源和尾气处理装置；所述真空箱上设置有第一进气口和第二进气口；所述第一前驱体及惰性气体源中的第一前驱体经由所述第一进气口进入所述真空箱，以与所述基底表面发生反应；所述第一前驱体及惰性气体源中的第一惰性气体经由所述第一进气口通入所述真空箱，由所述第一惰性气体将多余的所述第一前驱体及气相副产物吹扫进入所述尾气处理装置；所述第二前驱体及惰性气...
【专利技术属性】
技术研发人员：李照东，陈超宇，李九龙，宋浩男，王丽容，姜有全，刘胜，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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