[发明专利]一种管式炉及利用该管式炉制备石墨烯/六方氮化硼异质结的方法

说明书

本发明公开了一种管式炉及利用该管式炉制备石墨烯/六方氮化硼异质结的方法。管式炉包括炉体和炉管，炉体内部设置有两个加热单元，炉管包括内管和外管，其从两个加热单元中穿过；内管内部一端放置有石英舟，另一端开设有用于安置基底的通孔，石英舟和通孔分别正对两个加热单元。制备异质结时，将铜箔放置在内管上的通孔处，先向内管中通入氮硼源，以在铜箔下表面形成六方氮化硼薄膜，待形成连续的六方氮化硼薄膜后，向外管中通入碳源，碳源在铜箔上表面形成石墨烯层，并通过铜箔扩散至铜箔下表面，在铜箔与氮化硼薄膜之间形成背底石墨烯，完成异质结的制备。采用本发明中的管式炉和制备方法，可有效解决异质结质量差以及生长过程可控性差的问题。

技术领域

本发明属于异质结制备技术领域，具体涉及一种管式炉及利用该管式炉制备石墨烯/六方氮化硼异质结的方法。

背景技术

目前异质结的制备主要有以下两种方法，一种是层层转移构建石墨烯异质结，在目标基底上先转移一层石墨烯，然后在转移一层六方氮化硼在石墨烯上，或者以相反的顺序层层转移；按照此种方法，异质结制备成本高，在转移过程中环境因素和机械性破环会严重影响异质结的质量。另一种则是在生长了薄膜的衬底上利用化学气相沉积(CVD)直接制膜，在已经生长了石墨烯的铜箔上利用CVD制备六方氮化硼薄膜，或以相反顺序制备石墨烯/六方氮化硼异质结。后者方法虽能减少环境因素的影响和机械性的破坏，但生长过程可控性较差。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种管式炉及利用该管式炉制备石墨烯/六方氮化硼异质结的方法，以解决异质结质量差以及生长过程可控性差的问题。

本发明中的管式炉包括炉体和炉管，炉体两端分别设置有第一加热单元和第二加热单元，第一加热单元与第二加热单元的中心距离为30～50cm，炉管从第一加热单元和第二加热单元中穿过，并从炉体中伸出，其一端通过流量计与气源连通，另一端与真空泵连通；炉管包括内管和外管，内管和外管均为中空管，且内管位于外管内部，内管与外管之间形成气体通道；内管内部一端放置有石英舟，另一端开设有用于安置基底的通孔，石英舟和通孔分别正对第一加热单元和第二加热单元。

本发明利用新设计的管式炉开发出一种全新的石墨烯/六方氮化硼异质结制备方法，本发明中的制备方法基于扩散理论，通过在铜箔两侧形成碳源浓度差，使碳源从一侧扩散至另一侧，形成背底石墨烯，可大大提升异质结的质量。本发明中制备方法包括：

S1:将经过抛光处理的铜箔放置在管式炉内管上的通孔处，并对其进行退火处理；

S2:控制铜箔温度大于1000℃，向内管中通入扩散气体，并加热置于石英舟内的氮硼源使其分解，扩散气体带动分解后的氮硼源扩散至铜箔，在铜箔下表面裂解形成六方氮化硼薄膜；

S3:在获得连续的氮化硼薄膜后，保持内管中通入的气体和铜箔温度不变，向外管中通入碳源，碳源在铜箔表面裂解形成石墨烯层，并通过铜箔扩散至另一侧，在铜箔与六方氮化硼薄膜之间形成背底石墨烯；待铜箔上表面石墨烯层不再生长时，停止加热并将铜箔快速冷却至室温，完成异质结的制备。

具体的，铜箔退火处理的方法为：将铜箔放置在通孔处，并将炉管抽至本底真空值为0.25～0.3pa，然后向内管中通入Ar和H₂的混合气体，向外管中通入Ar或H₂，并在0.5～1h内将铜箔的温度升至1010～1060℃，保温0.5～3h，再退火20～30min。

其中，内管中Ar的流量为50～400sccm，H₂的流量为5～60sccm；外管中Ar或H₂的流量为10～100sccm。