[发明专利]基于PECVD的增强型石墨烯薄膜镀膜设备及方法

说明书

技术领域

本发明涉及柔性基材镀膜技术领域，特别涉及一种基于PECVD的增强型石墨烯薄膜镀膜设备及方法。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子构成的平面六角形蜂窝状二维晶体，是构成其它碳材料的基本单元。特殊的二维结构使石墨烯具备优良的机械强度，硬度和抗拉强度极高；并且具有很高的迁移率，理论上可达到200000cm2V-1s-1；也具有良好的导电性、导热性和高透光性。以上石墨烯的优良性能使其在微电子器件、“绿色”储能器件、航空器件等领域有广泛的应用前景。

但经研究发现，二维结构的石墨烯容易发生团聚，降低了其比表面积，因此限制了其实际应用。为此，中国科学院化学研究所的刘云圻等人提出利用化学气相沉积的方法在金属泡沫衬底上实现石墨烯的三维结构，将金属泡沫衬底刻蚀后得到的石墨烯泡沫具有优秀的导电能力和巨大的比表面积。

目前，化学气相沉积法制备石墨烯薄膜的技术已经比较成熟，可实现低成本、大面积的生产。然而，在实际生产过程中，当进行大面积镀膜时，其镀膜均匀性仍是较为突出的问题，同时，等离子体的密度远远不够，而镀膜均匀性和等离子体的密度直接影响着产品质量，因此解决该问题具有重大的意义。另外，当在泡沫镍基材上应用该方法进行镀制石墨烯时，由于泡沫镍基材表面较为光滑，在生产线上传送时容易产生偏离或移位，不利于镀膜工艺的正常进行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于PECVD(等离子增强化学气相沉积法)的增强型石墨烯镀膜设备，该设备可有效提高等离子体密度、泡沫镍基材表面的镀膜均匀性和膜层纯度，从而提高产品质量。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述设备实现的基于PECVD的增强型石墨烯镀膜方法。

本发明的技术方案为：一种基于PECVD的增强型石墨烯薄膜镀膜设备，包括多个真空室和基材输送机构，基材输送机构贯穿于多个真空室中；沿泡沫镍基材的输送方向，多个真空室包括依次连接的放卷室、多个镀膜室和收卷室；

每个镀膜室中，泡沫镍基材的上下两侧分别设有射频放电板和等离子体磁控增强装置；

等离子体磁控增强装置包括磁座体、磁场本体、石墨板块、外圈磁体和中间磁体，磁座体为顶部开口的箱体状结构，磁场本体设于磁座体顶部并覆盖于磁座体的顶部开口处，磁场本体顶面覆盖石墨板块，磁座体内靠近磁座体四周侧壁处设有外圈磁体，磁座体内中部设有中间磁体，外圈磁体的磁场方向与中间磁体的磁场方向相反。

射频放电板进行放电时，等离子体磁控增强装置可在射频放电板下方形成闭环回路磁场，电子在闭环磁场的作用下，在磁场范围内做高速的螺旋旋转运动，电子与粒子碰撞的机会增加，气体分子电离成离子的机会也增加，从而增大等离子体密度，使等离子气体的化学反应速度增大，沉积的膜层厚度也大大增加，可达到传统镀膜设备所制得膜厚的4～8倍。同时，泡沫镍基材在经过等离子体磁控增强装置时，电子、离子集体在磁场范围内，高密度的等离子体轰击泡沫镍基材，使泡沫镍基材表面温度快速上升，可使泡沫镍基材表面温度上升至600℃以上，增强了石墨烯成膜条件，提高了石墨烯成膜的速度。

其中，磁场本体表面覆盖石墨材料组成的石墨板块，离子体在放电过程中在板上溅射出来的还是石墨纳米材料，不影响石墨烯膜层的生成纯度；泡沫镍基材表面温度的快速上升可减小泡沫镍基材的加热功率，对石墨烯的成膜更加有利。

所述外圈磁体靠近磁场本体的一端为S极，中间磁体靠近磁场本体的一端为N极。

所述磁座体上设有冷却流道，磁座体底部设有进水接头和出水接头，进水接头和出水接头分别与冷却流道连接。由于磁座体在工作过程中温升较高，所以通过设置冷却流道，可对磁座体进行实时冷却，保证设备的正常运行。

所述射频放电板包括放电板、放电板座和放电板气室，放电板设于放电板座底部，放电板底座朝向放电板的一面带有凹槽，凹槽处形成放电板气室，放电板气室上设有工作气体接头；放电板上均匀分布有若干扩张孔，各扩张孔与放电板气室连通；各扩张孔呈放射状结构，扩张孔与放电板气室连接端的直径小于扩张孔朝向泡沫镍基材一端的直径。

射频放电板接通射频电源后，产生等离子体辉光放电，这时工作气体从工作气体接头进入放电板气室，使放电板气室内的气体产生一定的压力，然后从各扩张孔喷出，并且以一定的扩散角度向外扩散，喷出的气体通过射频电源电离并进行镀膜，扩散孔的均匀设计可使镀膜面形成较均匀的膜层。