一种制备腔室及CVD沉积石墨烯的规模化制备设备

本实用新型涉及石墨烯制取设备技术领域，尤其是涉及一种制备腔室及CVD沉积石墨烯的规模化制备设备。制备腔室为密闭腔室，所述制备腔室包括主腔室和副腔室，所述主腔室的出口端和副腔室的进口端连通，所述制备腔室的部分底面向下凹陷形成液体气密池，且主腔室出口端和副腔室的进口端均位于液体气密池的液位以下；所述副腔室的出口端设置有弹性气密组件。通过去液体气密池够对制备腔室形成第一道密封，通过弹性气密组件能够对制备腔室形成第二道密封。通过弹性气密组件进行二次密封的作用，防止在制备腔室抽真空时，因去离子水和刻蚀液的液位发生变化导致的第一道密封失效。

技术领域

本实用新型涉及石墨烯制取设备技术领域，尤其是涉及一种制备腔室及CVD沉积石墨烯的规模化制备设备。

背景技术

石墨烯即“单层石墨片”是碳晶体家族中的一位新成员，具有独特的单原子层二维晶体结构，集多种优异特性于一身。如超高的载流子迁移率、电导率、热导率、透光率、高强度等。

目前石墨烯的制备方法有：

1.固相法，固相法中又分机械剥离法和外延生长法两种；

2.液相法，液相法又分为氧化还原法、超声波分散法、有机合成法和溶剂热法等。

3.气相法，气相法又可以分为化学气相沉积法等离子增强法、火焰法、电弧放电法等。

经过对上述石墨烯所有制备方法进行梳理，对每种石墨烯的制备方法进行比较分析，发现只有化学气相沉积法最适合制备出高质量的石墨烯产品，但是化学气相沉积法在现实制取石墨烯中存在以下技术问题：

1：碳源性气体如甲烷、乙炔、液体如乙醇，必须在真空无氧环境下制取，否则碳源性气体浓度达到5％～15％时，其与空气中的氧气混合后便会发生爆炸。

2：实验室生成石墨烯机制比较固定，导致制取石墨烯的面积过小，不能达到规模化大批量生成。

3：间隙性的制取导致能源消耗大，加工生成石墨烯成本非常大。

发明内容

本实用新型的第一目的在于提供一种制备腔室，因制备腔室在密封问题，不能规模化生产的问题。

本实用新型提供一种制备腔室，所述制备腔室为密闭腔室，所述制备腔室包括主腔室和副腔室，所述主腔室的出口端和副腔室的进口端连通，所述制备腔室的部分底面向下凹陷形成液体气密池，且主腔室出口端和副腔室的进口端均位于液体气密池的液位以下；

所述副腔室的出口端设置有弹性气密组件。

优选的，所述液体气密池包括相互套接刻蚀槽和清洗槽；

所述清洗槽为制备腔室部分底面向下凹陷形成的结构；

所述制备腔室内设置有隔板，该隔板将制备腔室分割成主腔室和副腔室；

隔板其中一侧与清洗槽的侧壁构成主腔室的出口端，其另一侧与清洗槽的侧壁构成副腔室的进口端；

隔板的下端插接在刻蚀槽中，且隔板下端位于刻蚀槽液位以下。

优选的，所述清洗槽内设置有去离子水；

所述刻蚀槽的内表面，以及隔板的下端设置有防腐层。

优选的，所述刻蚀槽内设置有超声波发生器。

优选的，所述副腔室的出口端与弹性气密件闭连接的；

所述弹性气密件上设置有传送带组件上设置有供传送带组件穿过的通道；

所述弹性气密组件还包括加紧部，所述加紧部向弹性气密件施加压力，以控制通道与传送带组件之间的间距。

优选的，所述弹性气密件包括从从上到下依次设置的第一垫板、第二垫板、第三垫板和第四垫板；

第二垫板和第三垫板之间，以及第三垫板和第四垫板之间设置有传送带组件通道。

优选的，所述加紧部包括拉杆和拖杆支架；

所述第二垫板、第三垫板和第四垫板上均插接有拖杆支架；

所述拉杆固定在副腔室的出口端，并且拉杆上设置有多个调节组件，每个拖杆支架均对应一个调节组件；

调节组件包括一对螺母，以及设置在两螺母之间的弹簧，调节组件与垫板配合时，垫板套设在拉杆上并且垫板被夹持在弹簧和螺母之间。

优选的，所述加紧部还包括紧密螺栓，第一垫板通过紧密螺栓设置在副腔室的出口端。

优选的，所述副腔室出口端朝向弹性气密件一侧具有压花结构。

一种CVD沉积石墨烯的规模化制备设备，其包括如以上所述的制备腔室。

有意效果：

通过去液体气密池够对制备腔室形成第一道密封，通过弹性气密组件能够对制备腔室形成第二道密封。通过弹性气密组件进行二次密封的作用，防止在制备腔室抽真空时，因去离子水和刻蚀液的液位发生变化导致的第一道密封失效。

附图说明null实施方式

下面将结合实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1所示，一种制备腔室，该制备腔室为密闭腔室，制备腔室包括主腔室和副腔室，所述主腔室的出口端和副腔室的进口端连通，所述制备腔室的部分底面向下凹陷形成液体气密池，且主腔室出口端和副腔室的进口端均位于液体气密池的液位以下。

所述副腔室的出口端设置有弹性气密组件。

在本实施方式中，通过去液体气密池够对制备腔室形成第一道密封，通过弹性气密组件能够对制备腔室形成第二道密封。通过弹性气密组件进行二次密封的作用，防止在制备腔室抽真空时，因去离子水和刻蚀液的液位发生变化导致的第一道密封失效。

液体气密池4和弹性气密组件的具体组成结构如以下所示：

液体气密池4

参照图8所示，液体气密池4包括相互套接清洗槽41和刻蚀槽42。

清洗槽41为制备腔室部分底面向下凹陷形成的结构。

制备腔室1内设置有隔板13，该隔板13将制备腔室分割成主腔室11和副腔室12。

隔板13其中一侧与清洗槽41的侧壁构成主腔室11的出口端，其另一侧与清洗槽41的侧壁构成副腔室12的进口端。

隔板13的下端插接在刻蚀槽42中，且隔板13下端位于刻蚀槽42液位以下。

通过隔板13将制备腔室1成主腔室11和副腔室12，并且隔板的下端插入刻蚀槽42内。当清洗槽41和刻蚀槽42内充满液体时，清洗槽41和刻蚀槽42中的液体会在主腔室11和副腔室12处形成液封结构。使主腔室11和副腔室12形成相对独立的空间，尤其是能够使主腔室11形成密闭的空间，为石墨烯的生产提供了密闭的空间。

液体密封池4在清洗槽41的基础上增加刻蚀槽42的原因为：

传送带组件5是一个环状结构，传送带组件5上层传送带上具有石墨烯产品，其需要进入刻蚀槽42进行石墨烯产品的剥离。传送带组件5下层传送带上石墨烯产品已经完全剥离，其需要进入制备设备进行再一次石墨烯的产生，在进入石墨烯生产之前需要清洗槽41对传送带进行清洗。故此，需要刻蚀槽42和清洗槽41，一个用于对石墨烯的剥离，另一个用于对传送带的清洗。

具体的，

刻蚀槽42内设置有刻蚀剂(低浓度酸)，清洗槽41内设置有去离子水，刻蚀槽42的内表面，以及隔板13的下端设置有防腐层。

刻蚀槽42中的刻蚀剂能够对生长在传送带基底上粘附的石墨烯进行刻蚀剥离，以便后续工艺将石墨烯从基底上卷离。石墨烯的卷离是通过卷曲设备7实现的。本申请中主要保护的是石墨烯的制备设备，石墨烯的卷离工艺不是本申请中重点保护内容，故此，卷曲设备7就不做详细介绍。

刻蚀槽42内设置有超声波发生器43，通过超声波发生器43能够使刻蚀剂振动，提高了石墨烯刻蚀剥离的效率。超声波发生器43还连接有超声波主机44。

清洗槽41内设有纯净的去离子水，去离子水能够对传送带组件进行彻底的清洗，防止杂质吸附在基底箔面上影响下一步石墨烯的品质。

刻蚀剂具有一定的腐蚀性，传送带组件位于刻蚀槽内的滚筒表面设置有防腐层，防止滚筒被刻蚀剂腐蚀。

弹性气密件8

参照图9至图18所示，副腔室12的出口端设置有与副腔室12出口端密闭连接的弹性气密件8。

弹性气密件8上设置有传送带组件5上设置有供传送带组件5穿过的通道。

弹性气密组件8还包括加紧部，加紧部向弹性气密件施加压力，以控制通道与传送带组件之间的间距。

副腔室12的出口端是传送带组件5的进出口，通过弹性气密件8的设置，传动带能够弹性气密件的通道经过，通过加紧部对弹性气密件施加压力，能够改变传送带组件与通道之间的间距，使通道的侧壁与传送带组件紧密贴合，实现对副腔室出口端的封闭，进一步的实现制备腔室的封闭，使制备腔室形成密封空间。当传送带组件的运行时，调整加紧部件对弹性气密件施加的压力。增大传送带组件与通道之间的间距。使通道具有传送带组件运行的空间，使传送带组件能够正常的运行。

弹性气密件8包括从从上到下依次设置的第一垫板81、第二垫板82、第三垫板83和第四垫板84。

第二垫板82和第三垫板83之间，以及第三垫板83和第四垫板84之间设置有传送带组件通道85。

加紧部包括拉杆86和拖杆支架87。

第二垫板82、第三垫板83和第四垫板84上均插接有拖杆支架87。

拉杆86固定在副腔室的出口端，并且拉杆86上设置有多个调节组件，每个拖杆支架87均对应一个调节组件。

调节组件包括一对螺母88，以及设置在两螺母88之间的弹簧89，调节组件与垫板配合时，垫板套设在拉杆上并且垫板被夹持在弹簧89和螺母88之间。

通过调整螺母相对于拉杆的位置，能够实现对拖杆支架位置的调整，拖杆支架能够实现压缩垫板，进而改变垫板之间通道之间的间距。

进一步的，第二垫板82、第三垫板83和第四垫板84的两侧均设置有拖杆支架87，位于外侧托板支架87与具有调节组件的拉杆86套接。位于内侧的拖杆支架87套设在滑杆上。滑杆对内侧的拖杆支架进行支撑、导向，当外侧托板带动垫板移动时，内侧托板支架也随垫板同步移动，进而提高垫板移动的稳定性。

加紧部还包括紧密螺栓90，第一垫板81通过紧密螺栓90设置在副腔室12的出口端。紧密螺栓90的螺纹连接在副腔室12的出口端，紧密螺栓90的端部与第一垫板81连接，通过调整紧密螺栓90相对于副腔室12出口端的位置，能够实现调整第一垫板81的位置。

副腔室12出口端朝向弹性气密件8一侧具有压花结构。通过压花结构设置，能够提高弹性气密件与副腔室12出口端的接触面积，进而提高了两者之间的气密性。

具体的，弹性气密件8有橡胶材质制成。

如图1至图19所示，本实施方式提供了一种CVD沉积石墨烯的规模化制备设备，其包括制备腔室1、反应室2、冷却室3、液体气密池4和传送带组件5。

制备腔室1为密闭腔室，制备腔室1包括主腔室11和副腔室12，主腔室11的出口端和副腔室12的进口端连通，制备腔室1的部分底面向下凹陷形成液体气密池4，且主腔室11出口端和副腔室12的进口端均位于液体气密池的液位以下。

传送带组件5布置在制备腔室1内，经过液体气密池4后经副腔室12出口端延伸至制备腔室1的外侧。

沿传送带组件5的输送方向，反应室2和冷却室3依次布置在制备腔室1内，且反应室2和冷却室3的开口端均朝向传送带组件5设置。

在本实施方式中，将反应室2、冷却室3设置在密闭的制备腔室1内，并且通过液体气密池4对主腔室内的空间进行密封，确保主腔室11内具有良好的密闭性，避免了在石墨烯生产过程中进入空气发生设备爆炸的事故；传送带组件能够带动基底依次通过反应室2和冷却室3，能够实现基底相对于反应室2的连续性输出，进而实现了石墨烯生产的连续性，完整性，实现了石墨烯的规模化生产。

反应室2

参照图3至图7，反应室2为底部具有开口的腔体，且反应室2两个相对设置的侧板上设置有凹槽结构21，凹槽结构21罩设在传送带组件5的上部。

通过在反应室2相对设置的侧板上设置凹槽结构21，可以使反应室2骑跨在传送带组件5上。这样能够减少传送带组件5与反应室2之间的间隙。这样可以减少反应室2内热量的散失。

进一步的，在竖直方向上，反应室2下端(凹槽结构的顶面)和传送带组件5之间存在间距，该间距为0.4-0.6mm，具体的，该间距为0.5mm。

反应室2由绝缘体制成，如反应室由石英、陶瓷等材质制成，由于CVD的反应温度一般在1000℃左右，因此选用石英反应室最为经济实用，并且可以具备更快的升降温速度，石英高温反应室可以提供至2米宽*2米反应区长度甚至6米宽*2米反应区长度；如果选择陶瓷作为高温反应仓，壁厚超过2厘米，升降温速度不易过快，否则会缩短陶瓷反应仓的使用寿命。

反应室2顶板外侧与制备腔室之间存在保温间距，反应室顶板和侧板外侧包裹有保温材料6。保温材料6为石棉纤维，保温材料6能够对反应室2进行保温。

反应室2的顶板外侧通过绝缘结构吊设在制备腔室1内，反应室2顶板内侧通过绝缘结构吊设有放电芒线22，放电芒线22与负极连接。具体的，吊装结构为绝缘瓷瓶。反应室2的外侧设置有外侧悬挂孔23，反应室2的内侧设置有内侧悬挂孔24。外侧悬挂孔内通过吊装结构与制备腔室1连接，内侧悬挂孔通过吊装结构吊装放电芒线22.

在本实施方式中，还提供了放电芒线22的具体结构。

放电芒线包括顶部框架221，主吊杆222、次吊杆223和芒刺224。

顶部框架221的边角均设置有向下延伸的主吊杆222，在顶部框架的侧边上设置有多个向下延伸的次吊杆223。

主吊杆222和次吊杆223上均设置有多个均匀分布的芒刺224。

反应室2的顶部设置有接线柱，接线柱与放电芒线22连接，接线柱设置在反应室2顶部的接线柱孔25内。

反应室2上设置有三个进气口26，三个进气口分别为碳源性气体进气口，氩气进气口和氢气进气口。

碳源性气体或液体通过碳源性气体进气口进入反应室。氩气进气口用于向反应室内通入氩气，氢气进气口用于向反应室内通入氢气。

另外，碳源性气体、氩气和氢气的量需要精确的控制，在碳源性气体进气口、氩气进气口和氢气进气口均设置有流量控制计、电磁阀。

通过流量控制计的设置能够对反应气体流量控制系统，对不同碳源性气体反应设定不同参数，实现自动化石墨烯加工制备，满足不同客户需求。

反应室还包括排气管，排气管设置有泄压阀，排气管与尾气燃烧装置连接，排气管将反应室排出的尾气通入燃烧装置进行燃烧进行尾气的处理。

反应室内设置有热电偶。反应室内的最高温度需要控制在1000度，通过热电偶的设置能够实施监测反应室内的温度。

反应室2的下部设置加热元件支架27，加热元件支架27上设置有加热元件，在竖直方向上，所述加热元件支架27和加热元件延伸至反应室2的开口处。

传送带组件5的上层传送带和下层传送带分别位于加热元件的上侧和下侧。

加热元件采用康奈尔(Kanthal)加热器，加热元件的控制采用欧陆(Eurotherm)控制器。通过控制器能够控制加热元件的温度，避免出温度过高或过低的情况。

制备腔室1的空腔与真空泵连通，高温反应仓工作前，必须先抽真空再通惰性气氛，反复几次，用于除去空气或氧气。CVD反应仓为了达到更高真空度(0.00001mbar)，必需配置分子泵，彻底除去反应仓体内部空气(或氧气)。真空泵的真空度为0.00001mbar。

冷却室3

参照图1，冷却室3包括底部具有开口的腔体，且冷却室的两个相对设置的侧板上设置有凹槽结构，冷却室的凹槽结构罩设在传送带组件5的上部。

冷却室3的结构与反应室的结构类似，通过在冷却室3的两个侧板上设置有凹槽结构，冷却室可以骑跨在传送带组件上。冷却室下端(凹槽结构的顶面)与传送带组件5之间存在间距，该间距为0.4-0.6mm，具体的，间距为0.5mm。通过冷却室3骑跨在传送带组件上，能够减小冷却室3与传送带组件5之间的缝隙。

冷却室3内设置有冷排管31，冷排管31的液氮进口32和液氮出口33延伸至制备腔室1的外侧，冷排管31处于传送带组件5的上部。

具体的，冷排管31与传送带之间距离是20cm。通过在冷排管31内输送液氮，通过液氮气化吸热，能够对基底上的石墨烯进行降温。

反应室2和冷却室3之间设置有隔热棉，防止反应室2和冷却室3之间互相影响。

液氮进口32处设置有流量控制系统，以调整进入冷排管内液氮的量。

传送带组件5

参照图19所示，传送带组件包括滚筒，以及缠绕在滚筒上传送带，传动带的上表面设置有基底，并且基底与阳极相连。

传送带上的基底为铜箔、镍箔等，优选的，采用铜箔作为基底，并且铜箔基底需要先用氢气和氩气进行高温煅烧以增加铜品质。

传送带上的滚筒包括主滚筒和辅助滚筒，主滚筒在电机的电动下转动。主滚筒和辅助滚筒的线性速度一致，并且速度可手动调节。另外，需要说明的是，位于刻蚀槽中的滚筒采用防腐塑料制成，除此之外的滚筒均采用不锈钢材质制造，并且滚筒的表面必须经过磨外圆处理。

需要说明的是，传送带组件的一种实施方式为：传送带整个环状结构的大部分位置处于制备腔室内，仅环状结构的一端延伸至制备腔室的外侧。

在另一种实施方式中，传送带也可以仅是一条带状结构，如该传送带中的基体制备完石墨烯之后，更换一条新的传送带。具有石墨烯的传送带将石墨烯剥离之后，传送带卷绕成一卷备用。

为了对上述CVD沉积石墨烯规模化制备设备进行进一步的说明，本实施方式还提供了上述规模化制备设备的制备方法。

装配好制备设备并调试后，先分别注入去离子水及蚀刻专用低浓度酸(刻蚀液)进入清洗槽及蚀刻槽，达到指定深度。

通过调整弹性气密组件的加紧部，使制备腔室内形成密闭空间。

需要说明的是：通过去离子水和刻蚀液能够对制备腔室形成第一道密封，通过弹性气密组件能够对制备腔室形成第二道密封。通过弹性气密组件进行二次密封的作用，防止在制备腔室抽真空时，因去离子水和刻蚀液的液位发生变化导致的第一道密封失效。

待弹性气密组件密封副腔室出口端后，在室温下对制备腔室进行抽真空，再通氩气，重复4-7次，用于去除制备腔室内的氧气或空气。循环几次上述抽真空通氩气的操作后，关闭真空泵，再充入氩气，使制备腔室与大气压一致，松开橡胶密封压板，利用清洗池去离子水及蚀刻池低浓度酸液阻隔空气进入主腔室内部。

开动电滚筒使传送带带动基底动起来，打开液态氮让制冷仓制冷，打开电加热器对高温反应室进行加热，加热至1000度时首先通入适量氢气后慢慢打开反应气体甲烷或乙炔进行CVD反应，透过显示屏观察传送带基底上石墨烯成形情况再逐步加大碳源气体供给量直至石墨烯成形良好再规模化稳定生产。输送带将基底反应区慢慢传送进入冷却室，在冷却室传输带上的基底由1000度急速冷却300度，传送带带动基底在冷却室冷却结束后再自然冷却。冷却后基底(如铜)在慢慢传送到蚀刻液池中进行化学蚀刻反应，将石墨烯从基底上剥离，为后到工序复合卷取作准备。由于配置了反应气体安全装置，所以高温反应仓在950度以下时是不能通入反应气体的，从而确保了安全性。

反应气体安全装置，如果采用了甲烷和乙炔作为碳源，因此如何正确安全地使用上述两种气体，非常重要。危险性气体主要的危害有“窒息”、“中毒”、“爆炸”，使用甲烷和乙炔时，主要考虑的是可燃气体的“爆炸”问题。理论上，可燃气体必须同时满足以下三个条件才会发生“爆炸”：

3.1可燃气氛与空气(或氧气)同时存在

3.2可燃气体与空气(或氧气)在低于其着火温度条件下，相互混合的体积达到一定比例(爆炸极限)

3.3以上气体混合物在足够的温度或能量的着火源作用下。

因此，易燃气体CO+H2+CH4(Max.<1％)>5％时，容易发生爆炸，因此需要精确的气体流量控制。

针对上述问题，反应气体安全装置可以为流量计、气体检测传感器和温度传感器。由此，可以实现对制备腔室内的反应气体的量、成分和反应温度等参数进行监测。

制备腔室上设置有真空泵和真空计，由于安装了真空泵和真空计，也可以监测整个制备腔室是否存在泄漏现象。一旦发生意外，安全气罐将立即进行氩气，氮气冲刷。尾气处理方面，采用了工业级高端的燃烧装置，可将多余的反应气体燃烧掉，从而不直接排入大气，避免潜在的危险。因此该方案无论从反应仓本身的性能角度、使用的安全性角度，都是CVD制备石墨烯的设备的必需配置。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。