石墨烯薄膜的收放卷装置、沉积系统及制备方法与流程

本申请涉及石墨烯薄膜的制备装置、系统及制备方法，具体而言，涉及一种石墨烯薄膜的收放卷装置、沉积系统及制备方法。

背景技术：

1、石墨烯是一种新型炭材料，具有由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶体结构，在电学、导热性、力学、光学等方面有诸多优良性能，同时还具有一些独特性质，如高性能传感器功能、催化剂功能、吸氢功能、双极半导体、无散射传输、应力传感器功能等石墨烯在触控屏中具有明显的应用优势。

2、化学气相沉积法(cvd)制备石墨烯是目前最理想，也是最广泛的应用于工业化生产的制备技术。化学气相沉积法制备石墨烯的工作原理是利用碳源(气态、液态、固态)在高温环境下，碳源分解出碳原子沉积在金属表面，逐渐生长出连续的石墨烯薄膜。普通cvd法制备石墨烯的缺点日益凸显，因此，在cvd的基础上发展了等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)，常见的等离子体源有三类：微波、射频和直流放电。根据等离子体源不同，分别叫做wpcvd、rf-pecvd和dc-pecvd。rf-pecvd技术通过实现低温生长降低了制备石墨烯薄膜的成本，具有成膜质量好、生长面积大和透明度高等优点。在基底选择方面也大大增加了不耐高温基底上大面积制备高品质石墨烯的可能性，为石墨烯的工业化生产和科学实际的应用。具体为通入甲烷和氢气，在射频电场的作用下，氢气电离成离子体，起到提高等离子体活性和加速反应的作用，被射频电场加速了的电子的动能在10ev以上，能够破坏绝大部分甲烷分子的碳氢键，其中碳原子沉积在基底上，从而制备石墨烯薄膜。

3、在pecvd制备石墨烯薄膜体系中，由于不同碳源气体的裂解会产生污染物，在传统的pecvd体系动态生长过程中，收放卷仓体位于加热炉两侧，这样在放卷仓附件的冷区易于沉积无定形碳等污染物，同时冷端沉积的污染物会对样品质量造成影响。其次，传统的加热炉和石英管构成的管式炉受石英管直径尺寸的限制，不能制备大宽幅的石墨烯薄膜。

技术实现思路

1、本申请的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种能够制造大宽幅石墨烯薄膜的装置。

2、为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

3、根据本申请的一个方面，提供了一种收放卷装置，用于制备石墨烯薄膜，包括底座、放卷轴、收卷轴和电机。所述放卷轴设置在所述底座上，所述底座支撑所述放卷轴，所述放卷轴用于设置衬底；所述收卷轴设置在所述底座上，所述底座支撑所述收卷轴，所述收卷轴与所述放卷轴平行设置并收卷所述石墨烯薄膜和所述衬底；所述电机与所述收卷轴连接，为所述收卷轴提供动力。

4、根据本申请的一实施方式，所述放卷轴、所述收卷轴和所述底座均采用耐高温刚性材料制成。

5、根据本申请的一实施方式，在垂直于所述放卷轴的轴向的平面上，所述底座的投影是矩形，所述放卷轴和所述收卷轴均设置在所述矩形的同一条长边上。

6、根据本申请的一实施方式，在垂直于所述放卷轴的轴向的平面上，所述底座的投影是半圆形，所述放卷轴和所述收卷轴均设置在所述半圆形的直径上。

7、根据本申请的一实施方式，所述底座是一体成型或者两个分体结构组合而成。

8、根据本申请的一实施方式，所述底座包括第一端底座和第二端底座，所述第一端底座支撑所述放卷轴和所述收卷轴的一端，所述第二端底座支撑所述放卷轴和所述收卷轴的另一端。

9、根据本申请的一实施方式，所述底座包括放卷轴底座和收卷轴底座，所述放卷轴设置在所述放卷轴底座上，所述收卷轴设置在所述收卷轴底座上。

10、根据本申请的一实施方式，所述底座上设置有凹槽，所述凹槽内设置有轴承，所述放卷轴和所述收卷轴均设置在所述轴承内，所述轴承的两端设置有卡扣。

11、根据本申请的一实施方式，所述收卷轴的长度大于所述放卷轴的长度。

12、根据本申请的另一方面，提供一种等离子体增强化学气相沉积系统，包括进气管、石英管、抽气管、加热炉、射频线圈和收放卷装置，所述石英管两端分别连接所述进气管和所述抽气管，所述石英管的中部设置在所述加热炉内，所述射频线圈套设于所述进气管与所述加热炉之间的所述石英管上，所述的收放卷装置采用上述的收放卷装置，所述放卷轴、所述收卷轴和所述底座设置在所述加热炉内的石英管内，所述电机设置在所述加热炉外。

13、根据本申请的一实施方式，在垂直于所述放卷轴的轴向的平面上，所述放卷轴和所述收卷轴的轴心的连线与所述石英管的直径在一条直线上。

14、根据本申请的一实施方式，所述放卷轴的轴心和所述收卷轴的轴心将所述石英管的直径三等分。

15、根据本申请的一实施方式，所述系统还包括支撑架，设置在所述加热炉内的石英管内，靠近所述抽气管，用于辅助支撑所述收卷轴。

16、根据本申请的另一方面，提供一种石墨烯薄膜的制备方法，采用上述的等离子体增强化学气相沉积系统，具体步骤如下：

17、步骤1：将所述衬底设置在所述放卷轴上，将所述放卷轴和所述收卷轴固定在所述底座上；

18、步骤2；将所述衬底与所述收卷轴连接并卷绕；

19、步骤3：将所述放卷轴、所述收卷轴和所述底座推入到所述加热炉中的所述石英管内部，使得所述放卷轴和所述底座整体位于所述加热炉中的所述石英管内部，所述收卷轴对应所述放卷轴的部分位于所述加热炉中的所述石英管内部，将所述收卷轴的位于所述加热炉中的所述石英管外部的一端与所述电机连接；

20、步骤4：制备石墨烯薄膜，在制备过程中所述电机带动所述收卷轴收卷所述衬底和沉积在所述衬底上的所述石墨烯薄膜。

21、由上述技术方案可知，本申请提出的石墨烯薄膜的收放卷装置、沉积系统及制备方法的优点和积极效果在于：

22、本申请提出的石墨烯薄膜的收放卷装置，包括底座、放卷轴、收卷轴和电机。放卷轴上设置有衬底，石墨烯薄膜经过沉积生长在衬底上，能够制造石墨烯薄膜。收卷轴与放卷轴平行设置并收卷生长有石墨烯薄膜的衬底；底座设置在放卷轴和收卷轴的下方并支撑放卷轴和收卷轴；在制备过程中将放卷轴、收卷轴和底座均设置在加热区内，能够避免石墨烯薄膜的宽幅受加热区中石英管的管径的限制，实现生产大宽幅的石墨烯薄膜。在制备石墨烯薄膜的过程中，放卷轴、收卷轴和底座均设置在加热区域中，能够避免冷端污染物的沉积；并且由于放卷轴、收卷轴和底座可以在加热区域中的石英管内部沿径向移动，能够使得放卷轴、收卷轴和底座靠近加热区域之外的射频端，实现石墨烯薄膜的生长，收卷均在等离子体浓度较高的区域中进行，有利于提高等离子体的利用率。电机与收卷轴连接，驱动收卷轴转动能够实现收卷生长有石墨烯薄膜的衬底。本申请能够生产大宽幅的石墨烯薄膜，能够避免冷端污染物的沉积，提高等离子体的利用率，有效提高石墨烯薄膜的质量。

技术特征：

1.一种收放卷装置，用于制备石墨烯薄膜，其特征在于：包括：

2.如权利要求1所述的收放卷装置，其特征在于：所述放卷轴、所述收卷轴和所述底座均采用耐高温刚性材料制成。

3.如权利要求1所述的收放卷装置，其特征在于：在垂直于所述放卷轴的轴向的平面上，所述底座的投影是矩形，所述放卷轴和所述收卷轴均设置在所述矩形的同一条长边上。

4.如权利要求1所述的收放卷装置，其特征在于：在垂直于所述放卷轴的轴向的平面上，所述底座的投影是半圆形，所述放卷轴和所述收卷轴均设置在所述半圆形的直径上。

5.如权利要求1所述的收放卷装置，其特征在于：所述底座是一体成型或者两个分体结构组合而成。

6.如权利要求5所述的收放卷装置，其特征在于：所述底座包括第一端底座和第二端底座，所述第一端底座支撑所述放卷轴和所述收卷轴的一端，所述第二端底座支撑所述放卷轴和所述收卷轴的另一端。

7.如权利要求5所述的收放卷装置，其特征在于：所述底座包括放卷轴底座和收卷轴底座，所述放卷轴设置在所述放卷轴底座上，所述收卷轴设置在所述收卷轴底座上。

8.如权利要求1所述的收放卷装置，其特征在于：所述底座上设置有凹槽，所述凹槽内设置有轴承，所述放卷轴和所述收卷轴均设置在所述轴承内，所述轴承的两端设置有卡扣。

9.如权利要求1所述的收放卷装置，其特征在于：所述收卷轴的长度大于所述放卷轴的长度。

10.一种等离子体增强化学气相沉积系统，包括：进气管、石英管、抽气管、加热炉、射频线圈和收放卷装置，所述石英管两端分别连接所述进气管和所述抽气管，所述石英管的中部设置在所述加热炉内，所述射频线圈套设于所述进气管与所述加热炉之间的所述石英管上，其特征在于：

11.如权利要求10所述的等离子体增强化学气相沉积系统，其特征在于：在垂直于所述放卷轴的轴向的平面上，所述放卷轴和所述收卷轴的轴心的连线与所述石英管的直径在一条直线上。

12.如权利要求11所述的等离子体增强化学气相沉积系统，其特征在于：所述放卷轴的轴心和所述收卷轴的轴心将所述石英管的直径三等分。

13.如权利要求10所述的等离子体增强化学气相沉积系统，其特征在于：所述系统还包括支撑架，设置在所述加热炉内的所述石英管内，靠近所述抽气管，用于辅助支撑所述收卷轴。

14.一种石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：采用如权利要求10-13任一项所述的等离子体增强化学气相沉积系统，具体步骤如下：

技术总结
本申请提供一种收放卷装置和等离子体增强化学气相沉积系统及石墨烯薄膜的制备方法。收放卷装置包括放卷轴、收卷轴、底座和电机。放卷轴用于设置衬底；收卷轴与放卷轴平行设置并收卷石墨烯薄膜和衬底；底座设置在放卷轴和收卷轴的下方并支撑放卷轴和收卷轴；电机与收卷轴连接，并为收卷轴提供动力。通过以上设计，可制备宽幅较大的石墨烯薄膜，解决目前大尺寸石墨烯薄膜制备受限的问题。

技术研发人员：曹风,王雄彪,彭海琳,李科,徐涛,沈伟,刘忠范
受保护的技术使用者：北京石墨烯研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14