二维纳米薄膜制备装置及方法与流程

文档序号:11061918阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种二维纳米薄膜制备装置,其特征在于包括:

衬底储存室,至少用于提供衬底;

沉积室,至少用以提供适于在所述衬底上生长二维纳米薄膜而形成样品的环境;

取样室,至少用以收集所述样品;以及,

样品传送室,包括:

样品运送装置,至少用以在样品传送室和能够与所述样品传送室真空级联的衬底储存室、沉积室或取样室之间传送所述衬底和/或样品。

2.根据权利要求1所述的二维纳米薄膜制备装置,其特征在于还包括:

镀膜室,至少用以提供适于对所述衬底进行预处理而利于二维纳米薄膜生长的环境,并且所述镀膜室亦能够与所述样品传送室真空级联;

优选的,所述衬底储存室、镀膜室、沉积室以及取样室环绕布置于样品传送室周围;

优选的,所述镀膜室包括高温和/或等离子体处理单元和/或物理气相沉积系统和/或化学气相沉积系统;

优选的,所述物理气相沉积系统包括溅射镀膜系统、电子束蒸发镀膜系统、热蒸镀系统中的任意一种或两种以上的组合。

3.根据权利要求1所述的二维纳米薄膜制备装置,其特征在于:

所述沉积室至少选自化学、物理气相沉积室中的任意一种;

优选的,所述沉积室包括高温生长区和等离子体发生器;

进一步的,所述高温生长区设有加热装置,所述加热装置包括电阻加热、红外加热、激光加热、电子束加热装置中的任意一种或两种以上的组合;

进一步的,所述等离子体发生器包括射频等离子体发生器、电感耦合等离子体发生器中的任意一种或两种以上的组合;

和/或,优选的,所述样品运送装置选自能够以平面式传输方式将所述衬底或样品在真空级联的任意两个腔室之间进行传送的样品运送装置;

进一步的,所述样品运送装置包括:

机械传动装置,至少用以实现在样品传送室和能够与所述样品传送室真空级联的腔室之间进行衬底或样品的取放和传送,

样品托盘,至少用以临时存放所述衬底和/或样品,

转盘,至少用以驱使样品托盘按设定角度转动而到达设定位置;

优选的,至少在所述衬底储存室或取样室内还设有一个以上样品托;

优选的,所述机械传动装置包括至少一滑轨和至少一机械手臂,所述机械手臂能于所述滑轨上自由移动。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的二维纳米薄膜制备装置,其特征在于:

所述二维纳米薄膜制备装置还包括:真空发生装置,至少用以使样品传送室和/或能够与所述样品传送室真空级联的任一腔室内形成真空环境;

优选的,所述真空环境的真空度为10-1Pa~10-8Pa;

进一步的,所述真空发生装置包括机械泵和/或分子泵机组;

和/或,所述二维纳米薄膜制备装置中至少两个可相互连通的腔室之间还分布有可开合闸门;

优选的,至少在所述衬底储存室和能够与所述样品传送室真空级联的任一腔室之间设有可开合闸门;

和/或,所述样品传送室和能够与所述样品传送室真空级联的腔室中的至少一个腔室还与温度调控机构连接;

优选的,所述温度调控机构包括分布于所述样品传送室和能够与所述样品传送室真空级联的腔室中的至少一个腔室腔壁内的冷却机构;

进一步优选的,所述冷却机构选自双层水冷系统;

和/或,所述样品传送室和能够与所述样品传送室真空级联的腔室中的至少一个腔室还具有一个以上气体连接口,所述气体连接口与单一气源连接或与混气盒连接,所述混气盒的入口至少并联有两个以上气路;

和/或,所述二维纳米薄膜制备装置还包括:人机交互操作系统界面,至少用以对所述衬底或样品于各腔室之间的传送操作、二维纳米薄膜的生长过程进行实时监测和控制。

5.根据权利要求1所述的二维纳米薄膜制备装置,其特征在于所述衬底选自硬质衬底;

优选的,所述硬质衬底选自与硅工艺匹配的衬底;

进一步的,所述硬质衬底至少选自硅片、镀有氧化层或氮化层的硅片、石英、蓝宝石、氧化镁、Ⅲ-Ⅴ族半导体衬底中的任意一种。

6.一种二维纳米薄膜制备方法,其特征在于包括:以样品传送室内的样品运送装置将衬底从衬底储存室中取出,并移送入沉积室,以在所述衬底上生长二维纳米薄膜而形成样品,之后将所述样品从沉积室中取出,并移送入取样室;并且,至少在将所述衬底或样品于前述的任意两个腔室之间传送时,该任意两个腔室之间均保持真空级联。

7.根据权利要求6所述的二维纳米薄膜制备方法,其特征在于还包括:以样品运送装置将衬底从衬底储存室中取出后,先移送入镀膜室进行预处理,之后取出并移送入沉积室进行二维纳米薄膜的生长,从而形成样品;其中,在将所述衬底于衬底储存室、样品传送室、镀膜室和沉积室中的任意两者之间传送时,该任意两者之间均保持真空级联。

8.根据权利要求6或7所述的二维纳米薄膜制备方法,其特征在于所述真空级联采用的真空度为10-1Pa~10-8Pa,优选为10-2Pa~10-7Pa,尤其优选为10-3Pa~10-6Pa。

9.根据权利要求7所述的二维纳米薄膜制备方法,其特征在于所述的预处理包括对所述衬底进行高温退火和/或等离子体处理和/或催化剂薄膜沉积;

优选的,所述高温退火至少在氢气、氩气中的任意一种或两种混合形成的氛围下进行;

优选的,所述等离子体处理至少在氢气、氮气、氩气、氧气中的任意一种或两种以上混合形成的气氛中进行;

进一步优选的,所述等离子体处理采用的等离子体功率0~1000W;

优选的,所述催化剂薄膜沉积包括:在真空或保护性气氛下,通过物理和/或化学气相沉积方法在衬底表面沉积催化剂薄膜;

进一步优选的,所述物理气相沉积方法包括溅射、电子束蒸发、热蒸镀中的任意一种或两种以上方式的组合;

进一步优选的,所述催化剂薄膜的厚度为2~2000nm。

10.根据权利要求6-9中任一项所述的二维纳米薄膜制备方法,其特征在于包括:采用化学气相沉积工艺在衬底上生长二维纳米薄膜材料而形成样品;

优选的,所述化学气相沉积工艺包括:使前驱物在设定气体氛围和压强下,经高温或等离子体辅助裂解断键、分解,在经过预处理的衬底上成核、生长成膜得到二维纳米薄膜材料;

进一步优选的,所述化学气相沉积工艺采用的工艺条件包括:

真空度为10-1Pa~10-8Pa,优选为10-2Pa~10-7Pa,尤其优选为10-3Pa~10-6Pa;

和/或,采用的等离子体功率为10~1000W,优选为100~500W;

和/或,采用的生长温度为室温~800℃,优选为300~650℃;

和/或,生长时气压维持在10-8~1000Pa,优选为10-3~10Pa;

和/或,生长时间为0.1~30min,优选为1~10min。

11.根据权利要求6-10中任一项所述的二维纳米薄膜制备方法,其特征在于:

所述二维纳米薄膜材料包括石墨烯、石墨烯衍生材料、氮化硼、过渡金属硫族化合物、黑磷中的任意一种或任意一种的原子混杂和/或平面联结和/或堆垛结构。

优选的,所述二维纳米薄膜材料的厚度为单个原子层或多个原子层厚,且厚度范围为0.3~30nm。

12.根据权利要求6-11中任一项所述的二维纳米薄膜制备方法,其特征在于:

所述二维纳米薄膜制备方法主要是基于权利要求1-5中任一项所述的二维纳米薄膜制备装置而实施的;

优选的,所述二维纳米薄膜制备方法与硅工艺匹配。

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