[发明专利]一种层数可控的石墨烯微纳结构快速制备装置

摘要

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。

主权项

1.一种层数可控的石墨烯微纳结构快速制备装置，其特征在于，包括：激光控制及聚焦单元(1)、温度监控单元(2)、激光光斑监测单元(3)、真空及流量控制单元(4)、六轴精密平移台(5)、气浮隔振平台(6)和计算机；所述激光控制及聚焦单元(1)包括依次放置的激光器(11)、半波片(12)、激光功率计(13)、偏振分光片(14)、光束收集器(15)、光束采样器(16)、扩束镜(17)、反射镜(18)、激光快门(19)、衍射平顶光束整形元件(110)、第一二向色镜(111)和聚焦物镜(112)；所述温度监控单元(2)包括近红外温度测量仪(21)、近红外远心镜头(22)、第二二向色镜(23)和分光镜(24)；所述激光光斑监测单元(3)包括成像装置与照明装置；所述成像装置包括工业镜头(31)和相机(32)；所述照明装置包括准直透镜(33)、光纤(34)和照明光源(35)；所述真空及流量控制单元(4)包括氢气(41)、甲烷(42)、氩气(43)、氢气质量流量控制器(44)、甲烷质量流量控制器(45)、氩气质量流量控制器(46)、四通阀(47)、真空计(48)、真空腔(49)、针阀(410)、防返油阀(411)、真空泵(412)；所述六轴精密平移台(5)设置在所述气浮隔振平台(6)上；所述真空腔(49)内部固定放置有基底，其固定设置在所述六轴精密平移台(5)上，六轴精密平移台(5)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(5)的运动轨迹，使得六轴精密平移台(5)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；所述半波片(12)接收所述激光器(11)发射的激光，通过旋转角度改变激光束的偏振方向；所述偏振分光镜(14)接收所述半波片(12)的输出，将激光分成两路分别输出至所述光束采样器(16)和光束收集器(15)；所述光束采样器(16)将1％的入射光反射至激光功率计(13)；所述扩束镜(17)对所述光束采样器(16)输出的激光束进行扩束；所述扩束镜(17)输出的激光束经所述反射镜(18)反射到所述激光快门(19)；扩束后的激光束进入所述衍射平顶光束整形元件(110)进行整形为平顶激光束；所述平顶激光束经所述聚焦物镜(112)后聚焦于所述基底表面；所述基底被加热区域的热辐射经聚焦物镜(112)收集后，依次由所述第一二向色镜(111)、分光镜(24)反射后进入所述近红外远心镜头(22)，并成像于所述近红外温度测量仪(21)上；所述基底上的光斑反射进入聚焦物镜(112)后成为平行光，依次由所述第一二向色镜(111)、分光镜(24)、第二二向色镜(23)反射后进入工业镜头(31)，成像于相机(32)上，相机(32)与计算机相连，通过图像处理算法实时计算光斑大小；所述照明光源(35)发出的光通过所述光纤(34)经准直透镜(33)准直后平行入射光路中，聚焦于所述基底表面；在所述照明光源(35)下，相机(32)可采集到清晰的基底表面图像，从而将石墨烯生长在所需要的基底位置；所述氢气(41)与所述氢气质量流量控制器(44)相连；所述甲烷(42)与所述甲烷质量流量控制器(45)相连；所述氩气(43)与所述氩气质量流量控制器(46)相连；所述氢气质量流量控制器(44)、甲烷质量流量控制器(45)和氩气质量流量控制器(46)的输出汇集进四通阀(47)并进入真空腔(49)进行石墨烯合成；所述四通阀(47)与真空腔(49)入口之间设有真空计(48)；所述真空泵(412)通过真空管道与真空腔(49)出口相连；所述真空泵(412)与真空腔(49)之间设有针阀(410)和防返油阀(411)。