[发明专利]二维纳米薄膜制备装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二维纳米薄膜的制备装置及方法，特别是一种能与硅工艺技术等匹配的连续、自动化生产二维纳米薄膜的制备装置及方法，属于二维纳米材料制备领域。

背景技术

二维纳米材料如石墨烯、硅烯、锗烯、氮化硼、层状过镀金属硫化物、黑磷等因自身独特的物理化学特性，在透明导电电极、高频电子器件、光伏元件、储能等诸多领域中有着巨大的应用潜力。

相较于机械剥离、溶液化学剥离、热裂解等方法，化学气相沉积法(CVD)可用于制备大面积、高质量的二维纳米薄膜材料，同时能最大程度地保持材料的本征特性，并且成本低廉，是目前最切合工业应用需求的制备方法

近年来，为了满足市场对二维纳米薄膜材料的需求，已有一些适用于大批量生产二维纳米薄膜的设备和方法提出。例如，SONY公司将化学气相沉积系统与卷对卷技术集成，推出了可在铜、镍金属箔片上连续化生产100米石墨烯薄膜的技术设备。CN102976318B、CN103469308A等文献在其基础上，分别对箔片的进样和收集装置进行了改进，以提高工艺的稳定性和可重复性。然而，这类设备是基于金属箔片进行二维纳米薄膜的化学气相沉积生长，后期需要通过化学或电化学转移工艺将薄膜转移至硅等基底上，才能进行后续器件加工应用，其在转移过程中由于表面张力和金属箔片的粗糙表面容易造成薄膜的破损、折叠、褶皱和表界面残留等缺陷，不能确保薄膜的高品质质量，而且转移工序繁复，难以进行市场推广。

在硅或其它硬质衬底上直接制备二维纳米薄膜材料能够避免上述问题，且方便后续器件应用制作，能与当前基于硅工艺的半导体技术加工流水线相匹配。但现有的二维纳米薄膜材料制备工艺只适用于柔性金属箔片衬底，对于硅及其它硬质衬底不适用。虽然有研究人员进行一些在硅等介质材料上直接生长石墨烯等二维材料的尝试研究，但其均无法大规模实施，特别是其形成的材料质量和重复性都难以得到保障，其主要的原因可能在于：其一，常压和低真空度条件下的生长，前驱体气流量和配比的扰动对成核影响大，难以精确控制；所倚赖的超过1000℃高温长时间(﹥1hr)生长，能耗高，不适宜大规模工业化生产；其二，当前所采用的制备方法各工艺设备和流 程相互分立，容易因表面吸附等问题影响二维薄膜材料的生长和最终材料质量。此外，现有的对单片基底进行人工操作或半自动化制备模式，往往会因为中间流程环节的不一致，导致生长的稳定性不一，且生产效率低下。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种二维纳米薄膜制备装置及方法，其能与硅工艺技术等匹配。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

在一些实施例中提供了一种二维纳米薄膜制备装置，其包括：

衬底储存室，至少用于提供衬底；

沉积室，至少用以提供适于在所述衬底上生长二维纳米薄膜而形成样品的环境；

取样室，至少用以收集所述样品；以及，

样品传送室，包括：

样品运送装置，至少用以在样品传送室和能够与所述样品传送室真空级联的衬底储存室、沉积室或取样室之间传送所述衬底和/或样品。

在一些实施例中，所述二维纳米薄膜制备装置还包括：镀膜室，至少用以提供适于对所述衬底进行预处理而利于二维纳米薄膜生长的环境，并且所述镀膜室亦能够与所述样品传送室真空级联；

在一些实施例中，所述二维纳米薄膜制备装置还包括：人机交互操作系统界面，至少用以对所述衬底或样品于各腔室之间的传送操作、二维纳米薄膜的生长过程进行实时监测和控制。

在一些较为优选的实施例中，所述衬底可选自硬质衬底，特别是与硅工艺匹配的衬底。

在一些实施例中提供了一种二维纳米薄膜制备方法，其可以包括：以样品传送室内的样品运送装置将衬底从衬底储存室中取出，并移送入沉积室，以在所述衬底上生长二维纳米薄膜而形成样品，之后将所述样品从沉积室中取出，并移送入取样室；并且，至少在将所述衬底或样品于前述的任意两个腔室之间传送时，该任意两个腔室之间均保持真空级联。

在一些较为优选的实施例中，所述二维纳米薄膜制备方法主要是基于所述的二维纳米薄膜制备装置而实施的。

较之现有技术，藉由本发明提供的二维纳米薄膜制备装置及方法，可实现二维纳米薄膜材料在硅或其它硬质半导体、介质材料衬底上的大面积直接生长，并能与当前基于硅工艺的半导体技术加工流水线相匹配，方便后续器件加工与应用，特别是还具有低能耗、可连续自动化作业的优点，工艺可控性、稳定性和重复性高，产品质量稳定优良。

附图说明