[发明专利]一种层数可控的石墨烯微纳结构快速制备装置

说明书

本发明公开了一种层数可控的石墨烯微纳结构快速制备装置，包括激光控制及聚焦单元、温度监控单元、激光光斑监测单元、真空及流量控制单元、六轴精密平移台和气浮隔振平台；所述装置采用激光辅助的化学气相沉积的方法实现石墨烯微纳结构快速制备，制备过程可对制备参数：激光功率，激光光斑大小，基底运动速度，气体流量，真空腔腔压，基底局部温度场进行精密调节与监控，从而制备出高质量石墨烯微纳结构。本发明装置通过改变制备参数，可改变所合成的石墨烯的层数，实现层数可控的石墨烯微纳结构的制备；本装置还可以通过改变聚焦光斑的大小制备出不同线宽的石墨烯微纳结构。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯制备装置，尤其涉及一种层数可控的石墨烯微纳结构快速制备装置。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化方式形成蜂窝状结构的平面薄膜，是一种新型的二维材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学性能，是下一代微纳光机电器件的核心材料。目前石墨烯微纳结构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微纳结构。这类方法需要使用昂贵的光刻、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。

激光辅助的化学气相沉积(Laser-assisted chemical vapor deposition，L-CVD)是一种快速合成石墨烯微纳结构的有效方法，它无需退火、刻蚀等过程，可直接合成所需要的石墨烯微纳结构。但基于L-CVD的石墨烯制备方法对制备参数十分敏感，尤其对激光功率，激光光斑大小，基底运动速度，气体流量，真空腔腔压，及温度分布。微小的参数变化都可能影响所合成的石墨烯的层数或者质量。而石墨烯的层数是影响其电学和光学性能的主要因素，不同层数石墨烯的电学特性、光学透过率、电导率等性能均有较大的变化。层数可控是石墨烯器件制备的关键问题之一。

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。该装置仅是一个使用L-CVD制备石墨烯的基本实验装置，无法对激光功率、激光光斑大小，真空腔腔压及温度分布等关键制备参数进行监控和精密调节。因此无法稳定可靠地制备出高质量的石墨烯微纳结构，更无法实现层数可控的石墨烯微纳结构的制备。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种可以稳定可靠制备高质量的、层数可控的、线宽可调节的石墨烯微纳结构的装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种层数可控的石墨烯微纳结构快速制备装置，包括：激光控制及聚焦单元、温度监控单元、激光光斑监测单元、真空及流量控制单元、六轴精密平移台、气浮隔振平台和计算机；所述激光控制及聚焦单元包括依次放置的激光器、半波片、激光功率计、偏振分光片、光束收集器、光束采样器、扩束镜、反射镜、激光快门、衍射平顶光束整形元件、第一二向色镜和聚焦物镜；所述温度监控单元包括近红外温度测量仪、近红外远心镜头、第二二向色镜和分光镜；所述激光光斑监测单元包括成像装置与照明装置；所述成像装置包括工业镜头和相机；所述照明装置包括准直透镜、光纤和照明光源；所述真空及流量控制单元包括氢气、甲烷、氩气、氢气质量流量控制器、甲烷质量流量控制器、氩气质量流量控制器、四通阀、真空计、真空腔、针阀、防返油阀、真空泵；所述六轴精密平移台设置在所述气浮隔振平台上；所述真空腔内部固定放置有基底，其固定设置在所述六轴精密平移台上，六轴精密平移台与所述计算机相连，在计算机上根据所需要制备得到的石墨烯微纳结构设定好六轴精密平移台的运动轨迹，使得六轴精密平移台带动基底按照预设轨迹与聚焦光斑发生相对运动，在激光照射的轨迹上发生了快速的升温与降温过程，并且伴随着甲烷气体的分解，游离碳原子的溶解与析出，从而在激光照射过轨迹上可制备出石墨烯微纳结构；