化学气相沉积方法与流程

本发明属于石墨烯的制备领域，具体涉及一种在绝缘基底上化学气相沉积生长客体材料的方法及该方法制备的复合结构。

背景技术：

1、石墨烯作为一种物理化学性质优异的材料，实现其厚度可调的高质量均匀生长是实现其大面积应用的先决条件。化学气相沉积(chemical vapor deposition，cvd)法是目前制备高质量连续态石墨烯薄膜的主要方法之一。cvd法通常是在以铜、镍为代表的金属基底上生长石墨烯薄膜，制备的石墨烯的生长速度快，结晶质量好，但是往往需要通过转移剥离过程将石墨烯从金属基底上转移至目标基底上，而原子级厚度的石墨烯的转移剥离过程无疑是另一大挑战，因此在目标基底，通常是绝缘基底上直接生长石墨烯是实现石墨烯应用的重要技术路线。与在金属基底上制备石墨烯不同，绝缘基底往往缺少催化活性，从而导致石墨烯成核密度高、畴区尺寸小、生长质量差、生长速率慢等问题。

2、现有化学气相沉积石墨烯通常在石英管与管式炉组成的热壁cvd体系中进行或者电磁感应线圈与石墨盘组成的冷壁cvd体系中进行。为了提高石墨烯的生长速率和结晶质量，一般选择更高的温度。

3、然而，对于热壁cvd体系，石英管的熔点限制了石墨烯生长极限温度为1100℃，管式炉限制了石英管的升温速率不能高过20℃/min，而更高的温度可以有利于提高石墨烯的结晶质量，更快的升温速率可以节省制备石墨烯所需要的时间。并且现有装置的传热方式是从炉膛向样品传热，所以整个生长环境都是热的，碳源在气相中会大量裂解，并进一步反应生成副产物吸附在样品上，进一步降低石墨烯的质量。

4、对于冷壁cvd体系，线圈缠绕在石英管的外周，产生磁场，石墨盘在磁场的作用下产生热量，用于加热生长基底。该加热方式为间接加热，必然存在界面热阻，导致加热效率低且加热不均匀，影响制备效率及制备质量。

5、因此，能够实现石墨烯在绝缘基底上高质量均匀生长成为石墨烯大面积应用中亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为了解决绝缘基底的化学气相沉积过程中导热不均匀以及生长温度受到石英管熔点限制的问题，本发明提供一种化学气相沉积方法及该方法制备的复合结构。

2、本发明提供一种化学气相沉积方法，在绝缘基底表面包覆导电薄膜，得到导电复合材料；采用导电复合材料作为生长基底，使得所述生长基底通电自发热至生长温度，沉积生长客体材料。

3、根据本发明一实施方式，在所述客体材料生长阶段所述生长基底与其周围的温度梯度大于等于500℃/cm。

4、根据本发明另一实施方式，所述生长基底为石墨烯复合纤维织物、石墨烯复合纤维毡或石墨烯复合纤维，所述绝缘基底为绝缘纤维织物、绝缘纤维毡或绝缘纤维；优选所述生长基底为石墨烯复合纤维织物。

5、根据本发明另一实施方式，所述石墨烯复合纤维织物为在绝缘纤维织物上沉积石墨烯得到，或者向绝缘纤维织物表面涂覆石墨烯浆料后得到，或者向绝缘纤维织物表面涂覆氧化石墨烯浆料后还原得到；所述石墨烯复合纤维毡为在绝缘纤维毡上沉积石墨烯得到，或者向绝缘纤维毡表面涂覆石墨烯浆料后得到，或者向绝缘纤维毡表面涂覆氧化石墨烯浆料后还原得到；所述石墨烯复合纤维为在绝缘纤维上沉积石墨烯得到，或者向绝缘纤维表面涂覆石墨烯浆料后得到，或者向绝缘纤维表面涂覆氧化石墨烯浆料后还原得到；优选，所述石墨烯复合纤维织物、石墨烯复合纤维毡或所述石墨烯复合纤维通过在绝缘纤维织物、绝缘纤维毡或绝缘纤维表面化学气相沉积石墨烯得到。

6、根据本发明另一实施方式，所述绝缘纤维织物为玻璃纤维织物、氧化铝纤维织物、碳化硅纤维织物、玄武岩纤维织物中的一种或多种；所述绝缘纤维毡为玻璃纤维毡、氧化铝纤维毡、碳化硅纤维毡、玄武岩纤维毡中的一种或多种；所述绝缘纤维为玻璃纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维中的一种或多种。

7、根据本发明另一实施方式，所述客体材料为石墨烯、碳纳米管、半导体材料；优选，所述客体材料为石墨烯。

8、根据本发明另一实施方式，以升温速率为400-1400℃/s升温至生长温度。

9、根据本发明另一实施方式，所述生长温度为900-1500℃；优选，所述生长温度为1100-1500℃。

10、根据本发明另一实施方式，在生长阶段对所述生长基底施加恒定功率密度。

11、本发明还提供一种上述方法制备的复合结构。

12、本发明的方法通过在绝缘基底表面包覆导电薄膜，使其具备导电性能，从而实现后续的通电自发热。进一步的，通过对基底原位加热，使得仅基底表面温度高，可以减少前驱体(例如碳源)裂解副产物的污染提高客体材料的质量，同时可以实现在石英管中更高的升温速率(400-1400℃/s)、生长温度(大于1100℃)，提高客体材料的生长速率和结晶质量。本发明的方法直接对基底加热避免了间接加热导致的加热不均匀，显著提高客体材料的结晶质量。

1.一种化学气相沉积方法，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述客体材料生长阶段所述生长基底与其周围的温度梯度大于等于500℃/cm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生长基底为石墨烯复合纤维织物、石墨烯复合纤维毡或石墨烯复合纤维，所述绝缘基底为绝缘纤维织物、绝缘纤维毡或绝缘纤维；优选所述生长基底为石墨烯复合纤维织物。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述石墨烯复合纤维织物为在绝缘纤维织物上沉积石墨烯得到，或者向绝缘纤维织物表面涂覆石墨烯浆料后得到，或者向绝缘纤维织物表面涂覆氧化石墨烯浆料后还原得到；

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述绝缘纤维织物为玻璃纤维织物、氧化铝纤维织物、碳化硅纤维织物、玄武岩纤维织物中的一种或多种；

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述客体材料为石墨烯、碳纳米管、半导体材料；优选，所述客体材料为石墨烯。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以升温速率为400-1400℃/s升温至生长温度。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生长温度为900-1500℃；优选，所述生长温度为1100-1500℃。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在生长阶段对所述生长基底施加恒定功率密度。

10.一种复合结构，其特征在于，由权利要求1-9中任一项所述的化学气相沉积方法制备。