[发明专利]基于固体碳源的二维碳纳米材料制备方法和装置

说明书

基于固体碳源的二维碳纳米材料制备方法和装置，涉及碳纳米材料技术。本发明的方法包括下述步骤：1)在无碳气体环境中，利用电磁波场的能量，生成等离子体；2)在电磁场的作用下，等离子体产生的电子和离子轰击固态碳源，形成碳元素微粒；3)碳元素微粒在加热的基底上沉积，得到二维碳纳米材料。本发明具有降低生产成本提高生长率的显著优点。

技术领域

本发明涉及碳纳米材料技术。

背景技术

碳纳米材料能够通过化学气相沉积法(CVD)来合成。原料气体被引进到一个气相处理室中，为了提高生长反应，等离子体技术会频繁的应用到其中。这个过程就叫做等离子体增强化学气相沉积法(PE-CVD)。在反应过程中，射频(RF)电磁波、微波、直流电(DC)、热阴极，虚阴极都能够生成等离子体。

传统的方法必须使用到昂贵易燃的碳基原料气体，比如像甲烷一类的碳氢化合物气体原料。要从那些碳氢化合物气体中提取碳原子来生长石墨烯材料。此外，氢或者其他还原性气体则会经常要求同时使用。为了管理好气体气路和加工压强，不但会增加更多的加工成本，还会需要额外的工程硬件和人力成本。此外，碳氢化合物气体通常为易燃易爆气体，使用中存在安全风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种只需要使用固态碳作为原料，不需要任何碳基原料气体的二维碳纳米材料制备方法和装置。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于固体碳源的二维碳纳米材料制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)在无碳气体环境中，利用电磁波场的能量，生成等离子体，

2)在电磁场的作用下，等离子体产生的电子和离子轰击固态碳源，形成碳元素微粒；

3)碳元素微粒在加热的基底上沉积，得到二维碳纳米材料。

具体的说，步骤2)中，等离子体中电离产生的电子和离子在电磁波场的作用下进行高速的往复运动，电子和离子在运动中会轰击到固体碳源表面。由于离子的质量大、动能高，轰击固体碳源表面后，固体碳源表面的碳离子会溅射出表面，在等离子体中形成碳粒子，并进一步与等离子体中的离子碰撞形成碳离子。碳离子和碳粒子通过碰撞扩散的方式将充满整个等离子体空间区域，进而扩散至基底材料表面，实现碳纳米材料在基底材料表面的沉积。

所述碳元素微粒包括碳离子和碳粒子。

所述电磁波为射频电磁波或微波。所述无碳气体为氮气、惰性气体或氮气与惰性气体的混合。无碳气体环境的气压为10毫托至10托。基底的温度为500～1200摄氏度。所述电磁波场为TM模式的微波场。

本发明还提供一种基于固体碳源的二维碳纳米材料制备装置，其特征在于，包括：

真空室，其具有电磁波输入窗口；

置于真空室内的支撑台，用于支撑基底；

置于真空室内的固态碳源固定装置；

电磁波发生装置，其电磁波输出接口与真空室的电磁波输入窗口通过电磁波传输线耦合连接，即输出的电磁波能够接入到真空室。

所述支撑台内设置有加热装置。所述固态碳源固定装置位于电磁波输入窗口与支撑台之间。

所述电磁波发生装置包括匹配调谐器和负载调谐器，用于抑制从真空室反射的电磁波。

采用本发明的技术，无论是氢还是其他还原性气体都不是强制需要的。自然资源中有着丰富多样的碳本体材料的固态形式，而且很容易被提取作为原料，本发明具有降低生产成本提高生长率的显著优点。

附图说明

图1是实施例1的示意图，它使用平面线圈天线来生成感应耦合等离子体(ICP)，该设备能够制造二维碳纳米材料。