CN102650046B - 一种规模化连续制备二维纳米薄膜的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种规模化连续制备二维纳米薄膜的装置，包括进料腔室、处理腔室、第一平衡腔室、第一薄膜制备腔室、第二平衡腔室、第二薄膜制备腔室、第三平衡腔室、化学气相沉积腔室和出料腔室等；各腔室之间设有阀门，样品通过传送装置实现在各腔室之间的连续传输；薄膜制备腔室设有物理气相沉积系统；化学气相沉积系统设有加热装装置和气体连接口等；整套装置设有自动化控制系统以控制腔室之间的阀门的开关、样品的传输、气体流量的控制、抽真空等。利用本设备，可以规模化连续制备石墨烯、金属硫族化合物、硅烯、锗烯或氮化硼等二维纳米薄膜。本设备具有连续成膜的特征，可以在不同腔室实现规模化连续制备二维纳米薄膜的所需的衬底/催化层以及样品预处理等，适合于二维纳米薄膜的产业化制备。

Description

一种规模化连续制备二维纳米薄膜的装置

技术领域

本发明涉及一种新材料的制备装置，特别是涉及一种规模化连续制备石墨烯、金属硫族化物、硅烯、锗烯、氮化硼等新型二维纳米材料的装置。

背景技术

石墨烯(graphene)具有卓越的二维电学、光学、热学、力学性能以及化学稳定性,石墨烯在超快光电子器件、洁净能源、传感器等方面具有广泛的应用前景。电子在石墨烯中传输速度是硅的150倍，IBM等著名公司已经制备速度可达太赫兹的超快速光电子器件，美国加州大学利用石墨烯研制成光学调制解调器，有望将网速提高1万倍；全球每年半导体晶硅的需求量在2500吨左右，石墨烯如果替代十分之一的晶硅制成高端集成电路如射频电路，市场容量至少在5000亿元以上。因为石墨烯只有2.3%光吸收，这使石墨烯可用于制备光电子器件如显示器件、太阳能电池、触摸面板等的柔性透明电极，从而取代成本昂贵、资源稀少、不可自由折叠的由铟为主要成分的ITO透明导电膜；据报道，2011年全球ITO导电玻璃的需求量在8500万-9500万片，这样，石墨烯的替代空间巨大。由于石墨烯独特的电子传输特性，作为传感器，它具有单分子的敏感性；如果基于石墨烯的基因电子测序技术能够实现，人类全基因谱图测定的测序成本将由目前的约10万美元/人而大大降低到约1000美元/人，从而有助于生物医学的创新，有助于实现个性化的医疗保健。经过这几年的快速发展，石墨烯产品已经出现在触摸屏应用上。因此，石墨烯良好的商业价值和广阔的市场已经展现曙光，石墨烯材料的产业化将是对材料、信息、能源工业的一次革命性变革！

除了石墨烯外，类石墨烯(graphene-like)的新型二维纳米材料也具有其独特的光电子性能，具有广泛的应用前景。类石墨烯的新型二维纳米材料包括层状的金属硫族化物（metalchalcogenides）、硅烯（silicene）、锗烯(germanene)、氮化硼(boron nitride)等。

然而，目前还没有规模化连续制备石墨烯等二维纳米薄膜的装置，化学气相沉积法(CVD)以及碳偏析(surface segregation)法是大面积制备二维纳米薄膜的技术方法，采用这两种方法制备二维纳米薄膜的设备基本上都是石英管高温炉[Science 324,1312-1314(2009);Nature Nanotechnology 5,574(2010);Nano Lett.11,297-303(2011)]。基于石英管的高温炉仅具备在已有金属催化层上合成二维纳米薄膜的单一功能，即不能先后连续对衬底的表面进行处理，在衬底上制备合成二维纳米薄膜所需的催化层和之后的二维纳米薄膜的合成。并且，采用石英管式炉合成的二维纳米薄膜存在许多结构缺陷，导致制备薄膜的电子传输性能较差，石英管式炉已经严重制约了二维纳米薄膜如石墨烯薄膜的应用，不适合规模化连续制备如石墨烯等二维纳米薄膜。

为了实现二维纳米薄膜的规模化连续制备，即包括衬底的处理、催化层的制备、二维薄膜的制备等连续过程，各腔室在二维纳米薄膜的制备过程中应该承担专有的独特的功能角色。

发明内容

为克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种能够大面积规模化连续制备石墨烯、金属硫族化物、硅烯、锗烯、氮化硼等二维纳米薄膜的装置，在本发明的装置中，各腔室都有各自独特的功能，以便实现二维纳米薄膜的规模化连续制备，本发明的装置具有结构简单、操作简单、安全性好等特点，采用此装置制备二维纳米薄膜生产成本较低。

本发明采用如下技术方案：

一种规模化连续制备二维纳米薄膜的装置，其特征在于依次设有进料腔室、处理腔室、第一平衡腔室、第一薄膜制备腔室、第二平衡腔室、第二薄膜制备腔室、第三平衡腔室、化学气相沉积腔室和出料腔室，其中：

进料腔室设有与大气相通的阀门，进料腔室与处理腔室之间设有阀门，处理腔室与第一平衡腔室之间设有阀门，第一平衡腔室与第一薄膜制备腔室之间设有阀门，第一薄膜制备腔室与第二平衡腔室之间设有阀门，第二平衡腔室与第二薄膜制备腔室之间设有阀门，第二薄膜制备腔室与第三平衡腔室之间设有阀门，第三平衡腔室与化学气相沉积腔室之间设有阀门，化学气相沉积腔室与出料腔室之间设有阀门，出料腔室设有与大气相通的阀门。

进料腔室、处理腔室、第一平衡腔室、第一薄膜制备腔室、第二平衡腔室、第二薄膜制备腔室、第三平衡腔室、化学气相沉积腔室和出料腔室的腔室内均设有样品传送装置；样品通过样品传送装置传送到进料腔室，从进料腔室传送到处理腔室，从处理腔室传送到第一平衡腔室，从第一平衡腔室传送到第一薄膜制备腔室，从第一薄膜制备腔室传送到第二平衡腔室，从第二平衡腔室传送到第二薄膜制备腔室，从第二薄膜制备腔室传送到第三平衡腔室，从第三平衡腔室传送到化学气相沉积腔室，从化学气相沉积腔室传送到出料腔室，以便实现二维纳米薄膜的连续制备。进料腔室的基本功能是实现样品装载并进入二维纳米薄膜的制备装置，处理腔室实现对衬底或催化层的预处理，第一薄膜制备腔室和第二薄膜制备腔室可以用于制备合成二维纳米材料所需的衬底、催化层、二维纳米薄膜的前驱体或者二维纳米薄膜，化学气相沉积腔室可以用来制备二维纳米薄膜，平衡腔室在样品传送过程中可以起到过渡、稳定、平衡样品的功能。

所述的样品传送装置包括滚轮、皮带轮和传送带等中的任意一种或二种以上的组合。

整套设备通过样品传送装置与阀门将进料腔室、处理腔室、第一平衡腔室、第一薄膜制备腔室、第二平衡腔室、第二薄膜制备腔室、第三平衡腔室、化学气相沉积腔室和出料腔室连接成一个整体。

进料腔室、处理腔室、第一平衡腔室、第一薄膜制备腔室、第二平衡腔室、第二薄膜制备腔室、第三平衡腔室、化学气相沉积腔室和出料腔室中的至少一个腔室设有抽真空装置，抽真空装置包括各种真空泵、真空管道、真空阀门、真空计等，通过抽真空装置可以使各腔室的真空度在常压至1.0×10^-10Pa之间。

作为优选，进料腔室、处理腔室、第一平衡腔室、第一薄膜制备腔室、第二平衡腔室、第二薄膜制备腔室、第三平衡腔室、化学气相沉积腔室和出料腔室都设有独立的抽真空装置，每一抽真空装置包括各种真空泵、真空管道、真空阀门、真空计等，通过抽真空装置可以使各腔室的真空度在常压至1.0×10^-10Pa之间。

第一薄膜制备腔室和第二薄膜制备腔室中的至少一个的腔室内设有物理气相沉积系统，用于制备合成二维纳米材料所需的衬底、催化层、二维纳米薄膜的前驱体或者二维纳米薄膜；所述的物理气相沉积系统包括离子束沉积系统、溅射沉积系统、电子束沉积系统、热蒸镀沉积系统、激光沉积系统、离子注入系统中的任意一种或二种以上的组合。

化学气相沉积腔室的腔室内设有加热装置，以便达到一定的温度如20~2000°C；加热装置可以是电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等。

进料腔室、处理腔室、第一平衡腔室、第一薄膜制备腔室、第二平衡腔室、第二薄膜制备腔室、第三平衡腔室、化学气相沉积腔室和出料腔室中的至少一个腔室设有一个或二个以上的气体连接口。

所述的气体连接口可以是一种气体的连接口，气体连接口也可以与混气盒连接；混气盒的入口至少并联有两个或两个以上的气路，可使两种或两种以上的气体同时进入混气盒；作为优选，每一个气路独立连接有质量流量计、电磁截止阀等计量和流量调节装置，以便达到独立精确控制每一种气体的流量。

通入的气体可以选自惰性气体如Ar和N₂，还原性气体如H₂，氧化性气体如O₂，合成二维纳米薄膜所需的气体如CH₄,C₂H₄,C₂H₂,NH₃,B₃N₃H₆或乙醇的蒸汽等，依据所合成的二维薄膜的不同，可以适当选择不同的气体。

化学气相沉积腔室、加热装置与气体连接口可构成一个化学气相沉积系统；还可以在化学气相沉积腔室中设有化学气相沉积系统，所述的化学气相沉积系统为等离子体增强化学气相沉积系统、微波等离子体化学气相沉积系统、气溶胶辅助化学气相沉积系统、电感耦合等离子体化学气相沉积系统中的任意一种或二种以上的组合；

第一薄膜制备腔室、第二薄膜制备腔室或处理腔室可分别与加热装置和气体连接口结合构成一种化学气相沉积系统；

作为优选，在第一薄膜制备腔室、第二薄膜制备腔室、处理腔室或化学气相沉积腔室中既设有化学气相沉积系统又设有物理气相沉积系统。

作为优选，所述的处理腔室、第一薄膜制备腔室和第二薄膜制备腔室中的至少一个腔室内设有加热装置，以便达到一定的温度如20~2000°C；加热装置可以是电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等。

作为优选，所述处理腔室设有样品处理装置，所述的样品处理装置为等离子样品处理装置、对气体离子化的线圈或加热装置等能够实现对样品进行改性的装置，所述的对气体离子化的线圈可在真空高频条件下实现气体的离子化；加热装置为电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等能实现对样品加热的装置。

作为优选，为了将热量集中在样品处，并减少向不需要热的地方的热传递，所述的处理腔室、第一薄膜制备腔室、第二薄膜制备腔室和化学气相沉积腔室中的至少一个腔室内设有隔热屏蔽系统；作为优选，只有当有高温（如高于400°C）存在的腔室内设有隔热屏蔽系统。

作为优选，为了使设备安全稳定运转，所述的处理腔室、第一薄膜制备腔室、第二薄膜制备腔室和化学气相沉积腔室中的至少一个腔室的腔壁设有冷却系统；作为优选，只有当有高温（如高于400°C）存在的腔室的腔壁设有冷却系统。

作为优选，所述的处理腔室、第一薄膜制备腔室、第二薄膜制备腔室和化学气相沉积腔室的中的至少一个腔室的腔室内既设有隔热屏蔽系统的腔室，腔壁也设有冷却系统。

作为优选，整套装置还设有控制系统，以实现对设备或工艺的控制，所述的控制系统包括样品传送控制系统、气路控制系统、真空控制系统、阀门控制系统或温度控制系统中的任意一种或二种以上的组合。

本发明的装置可规模化连续制备二维纳米薄膜，所述的二维纳米薄膜包括石墨烯、金属硫族化物、硅烯、锗烯或氮化硼薄膜等。

作为优选，处理腔室作为衬底和/或催化层的表面处理腔室，第一薄膜制备腔室作为催化层的制备腔室，第二薄膜制备腔室作为在衬底和/或催化层上制备二维纳米薄膜所需的前驱体的制备腔室，化学气相沉积腔室作为将前驱体进行处理而形成二维纳米薄膜的腔室。

在制备二维纳米薄膜时，由于所选用的衬底、催化层以及工艺等方面的差异，本发明装置的各腔室承担的功能随制备工艺条件的不同而有所变化，在不同的制备工艺条件中可能同时承担多种功能，也可能不承担特定的功能。

设置于各腔室内或与各腔室相连接的部件如阀门、气体连接口、样品处理器、加热器、物理气相沉积系统、化学气相沉积系统、隔热屏蔽系统、冷却系统等可以依据制备二维纳米薄膜的具体工艺的不同而设置于各腔室的不同位置，并且可以根据具体工艺的有选择性地选取相关部件。

二维纳米材料的前驱体是指含有组成二维纳米材料的元素或含有组成二维纳米材料的元素的化合物，以制备石墨烯为例，前驱体包括无定型碳、非晶碳膜、碳靶材、含碳元素的聚合物等；以合成MoS₂为例，前驱体包括MoS₂靶材、Mo靶材、硫粉等。

规模化连续制备二维纳米薄膜的基本过程包括但不局限于此：

将合成二维纳米薄膜所需的衬底和/或催化层放置在载料台架上，并从进料腔室由样品传送装置传送到处理腔室；在一定的气氛环境下，衬底和/或催化层在处理腔室进行处理，然后通过第一平衡腔室由样品传送装置将衬底和/或催化层传输到第一薄膜制备腔室；在第一薄膜制备腔室里利用物理气相沉积方法或化学气相沉积方法制备二维纳米薄膜生长所需的催化层等；然后经过第二平衡腔室，由样品传送装置送到第二薄膜制备腔室，在一定的气氛下，在衬底和/或催化层上制备二维纳米薄膜。二维纳米薄膜在第二薄膜制备腔室制备后，经第三平衡腔室、化学气相沉积腔室以及出料腔室而传送出二维纳米薄膜制备装置。

制备二维纳米薄膜的基本过程也可以是：将合成二维纳米薄膜所需的衬底和/或催化层放置在载料台架上，并从进料腔室由样品传送装置传送到处理腔室；在一定的气氛环境下，衬底和/或催化层在处理腔室进行处理，然后通过第一平衡腔室由样品传送装置将衬底和/或催化层传输到第一薄膜制备腔室；在第一薄膜制备腔室里利用物理气相沉积方法或化学气相沉积方法制备二维纳米薄膜生长所需的催化层等；然后经过第二平衡腔室，由样品传送装置送到第二薄膜制备腔室，在一定的气氛下，在衬底和/或催化层上制备二维纳米薄膜生长所需的前驱体；前驱体制备后，由样品传送装置经第三平衡腔室传送到化学气相沉积腔室制备二维纳米薄膜；二维纳米薄膜制备后经出料腔室传送出二维纳米薄膜制备装置。

为了实现对各腔室的设备或工艺的控制，整套制备装置还设有控制系统，所述的控制系统包括样品传送控制系统、气路控制系统、真空控制系统、阀门控制系统或温度控制系统中的任意一种或二种以上的组合。

本发明的装置适合于所有二维纳米薄膜的规模化连续制备，所述的二维纳米薄膜包括石墨烯、金属硫族化物、硅烯、锗烯或氮化硼薄膜等，依据所制备的二维纳米薄膜的不同，可以适当选择制备二维纳米薄膜所需的固体、液体或气体等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：具有规模化连续制备二维纳米薄膜的特点，各个腔室在整个二维纳米薄膜制备过程中承担其独特的功能：进料腔室的基本功能是实现样品装载并进入二维纳米薄膜的制备装置，处理腔室实现对衬底或催化层的预处理，第一薄膜制备腔室和第二薄膜制备腔室可以用于制备合成二维纳米材料所需的衬底、催化层、二维纳米薄膜的前驱体或者二维纳米薄膜，化学气相沉积腔室可以用来制备二维纳米薄膜，平衡腔室在样品传送过程中可以起到过渡、稳定、平衡样品的功能。本发明的装置可以大面积、规模化连续制备如石墨烯、金属硫族化物、硅烯、锗烯或氮化硼薄膜等二维纳米薄膜，适合于工业化应用，有助于实现二维纳米薄膜技术的产业化。

附图说明：

图1是本发明的规模化连续制备二维纳米薄膜装置的整体结构示意图，其中，处理腔室设有加热装置、隔热屏蔽系统和冷却系统，第一薄膜制备腔室设有加热装置和物理气相沉积系统，第二薄膜制备腔室设有加热装置和物理气相沉积系统，化学气相沉积腔室设有样品处理装置、加热装置、隔热屏蔽系统、冷却系统和气体混气盒接口；

图2是本发明的规模化连续制备二维纳米薄膜装置的整体结构示意图，其中，处理腔室设有加热装置和样品处理装置，第一薄膜制备腔室设有物理气相沉积系统、加热装置、隔热屏蔽系统和混气盒连接口，第二薄膜制备腔室设有加热装置和物理气相沉积系统，化学气相沉积腔室设有化学气相沉积系统、加热装置、隔热屏蔽系统、冷却系统和混气盒接口；

图3是本发明的规模化连续制备二维纳米薄膜装置的整体结构示意图，其中，处理腔室设有样品处理装置，第一薄膜制备腔室设有物理气相沉积系统和加热装置，第二薄膜制备腔室设有加热装置、隔热屏蔽系统、冷却系统和物理气相沉积系统，化学气相沉积腔室设有样品处理装置、加热装置、隔热屏蔽系统、冷却系统和混气盒接口，出料腔室设有样品处理装置；

图中所示：

进料腔室1，处理腔室2，第一平衡腔室3，第一薄膜制备腔室4、第二平衡腔室5、第二薄膜制备腔室6、第三平衡腔室7、化学气相沉积腔室8，出料腔室9；

阀门10、11、12、13、14、15、16、17、18、19；

抽真空装置20、21、22、23、24、25、26、27、28；

载料台架29；

传送装置30；

物理气相沉积系统33、34、35、36；

化学气相沉积系统38；

加热装置40、41、42、43；

样品处理装置50、51、52；

气体连接口60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、78；

混气盒85、85、87；

冷却系统90、91、92；

隔热屏蔽系统96、97、98、99。

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明和本发明所产生的技术效果，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

参见图1，本发明的规模化连续制备二维纳米薄膜的装置依次设有进料腔室1，处理腔室2，第一平衡腔室3，第一薄膜制备腔室4、第二平衡腔室5、第二薄膜制备腔室6、第三平衡腔室7、化学气相沉积腔室8和出料腔室9；进料腔室1设有与大气相通的阀门10，进料腔室1与处理腔室2之间设有阀门11，处理腔室2与第一平衡腔室3之间设有阀门12，第一平衡腔室3与第一薄膜制备腔室4之间设有阀门13，第一薄膜制备腔室4与第二平衡腔室5之间设有阀门14，第二平衡腔室5与第二薄膜制备腔室6之间设有阀门15，第二薄膜制备腔室6与第三平衡腔室7之间设有阀门16，第三平衡腔室7与化学气相沉积腔室8之间设有阀门17，化学气相沉积腔室8与出料腔室9之间设有阀门18，出料腔室9设有与大气相通的阀门19；整套设备在进料腔室1、处理腔室2、第一平衡腔室3、第一薄膜制备腔室4、第二平衡腔室5、第二薄膜制备腔室6、第三平衡腔室7、化学气相沉积腔室8和出料腔室9的腔室内均设有传送样品送装置30；所述的样品传送装置30包括滚轮、皮带轮和传送带等中的任意一种或二种以上的组合；整套设备通过样品传送装置与阀门将进料腔室1、处理腔室2、第一平衡腔室3，第一薄膜制备腔室4、第二平衡腔室5、第二薄膜制备腔室6、第三平衡腔室7、化学气相沉积腔室8和出料腔室9连接成一个整体。

处理腔室2设有加热装置40，加热装置可以是电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等，温度可以在20~2000°C之间调节；还设有隔热屏蔽系统96和冷却系统90。

处理腔室2、加热装置40与气体连接口61或62可以构成一个热化学气相沉积系统。

第一薄膜制备腔室4设有物理气相沉积系统33和加热装置41；物理气相沉积系统包括离子束沉积系统、溅射沉积系统、电子束沉积系统、热蒸镀沉积系统、激光沉积系统、离子注入系统中的任意一种或二种以上的组合；加热装置可以是电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等，温度可以在20~2000°C之间调节。第一薄膜制备腔室4、加热装置41和气体连接口64可以构成一个热化学气相沉积系统。

第二薄膜制备腔室6设有物理气相沉积系统34和加热装置42；物理气相沉积系统包括离子束沉积系统、溅射沉积系统、电子束沉积系统、热蒸镀沉积系统、激光沉积系统、离子注入系统中的任意一种或二种以上的组合；加热装置可以是电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等，温度可以在20~2000°C之间调节。第二薄膜制备腔室6、加热装置42和气体连接口66可以构成一个热化学气相沉积系统。

化学气相沉积腔室8设有样品处理装置51、加热装置43、冷却系统91和隔热屏蔽系统97；所述的样品处理装置51可以为等离子样品处理装置、对气体离子化的线圈或加热装置等能够实现对样品进行改性的装置，所述的对气体离子化的线圈可在真空高频条件下实现气体的离子化；加热装置可以是电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等，温度可以在20~2000°C之间调节。

进料腔室1设有气体连接口60，处理腔室2设有两个气体连接口61和62，第一平衡腔室3设有气体连接口63，第一薄膜制备腔室4设有气体连接口64，第二平衡腔室5设有气体连接口65，第二薄膜制备腔室6设有气体连接口66，第三平衡腔室7设有气体连接口67，化学气相沉积腔室设有气体连接口68和69、气体连接口69连接混气盒87、混气盒87连接三个气体连接口76、77和78，出料腔室连接有两个气体连接口70和71；每一气路都可以精确控制气体的流量，可包括质量流量计和电磁截止阀等计量和流量调节装置，每一气体连接口联有质量流量计而控制各气体的流量，每个质量流量计的两端各设有一个电磁截止阀，电磁截止阀和质量流量计通过管路与气体连接口相连接。

化学气相沉积腔室8、加热装置43与气体连接口68和/或69可以构成一个热化学气相沉积系统。

化学气相沉积腔室8还可以设有等离子体增强化学气相沉积系统、微波等离子体化学气相沉积系统、气溶胶辅助化学气相沉积系统、电感耦合等离子体化学气相沉积系统中的任意一种或二种以上的组合。

进料腔室1设有抽真空装置20，处理腔室2设有抽真空装置21，第一平衡腔室3设有抽真空装置22，第一薄膜制备腔室4设有抽真空装置23，第二平衡腔室5设有抽真空装置24，第二薄膜制备腔室6设有抽真空装置25，第三平衡腔室7设有抽真空装置26，化学气相沉积腔室8设有抽真空装置27，出料腔室9设有抽真空装置28。每一独立的抽真空装置包括各种真空泵、真空管道、真空阀门、真空计等，通过抽真空装置可以使各腔室的真空度在常压至1.0×10^-10Pa之间。

规模化连续制备二维纳米薄膜的基本过程可以是：将制备二维纳米薄膜所需的衬底/催化层放置在载料台架29上，由样品传送装置30传送经过进料腔室1到达处理腔室2；衬底/催化层在处理腔室2内采用加热装置40进行热处理，之后经过第一平衡腔室3被传送到第一薄膜制备腔室4；在第一薄膜制备腔室4利用物理气相沉积系统33如溅射沉积系统将二维纳米薄膜的前驱体(precursor)沉积在衬底/催化层上，然后由样品传送装置30经第二平衡腔室5、第二薄膜沉积腔室6和第三平衡腔室7传送到化学气相沉积腔室8；在化学气相沉积腔室8内于一定的气氛环境下，采用化学气相沉积系统将二维纳米材料的前驱体转化为二维纳米薄膜；最后，制备的二维纳米薄膜经由出料腔室9传送出制备装置，从而完成二维纳米薄膜的连续制备。

二维纳米材料的前驱体是指含有组成二维纳米材料的元素或含有组成二维纳米材料的元素的化合物，以制备石墨烯为例，前驱体包括无定型碳、非晶碳膜、含碳元素的聚合物等；以制备MoS₂为例，前驱体包括MoS₂靶材、Mo靶材等。

规模化连续制备二维纳米薄膜的基本过程也可以是：将制备二维纳米薄膜所需的衬底/催化层放置在载料台架29上，由样品传送装置30传送经过进料腔室1到达处理腔室2；衬底/催化层在处理腔室2内采用加热装置40进行热处理后，由样品传送装置30经第二平衡腔室5、第二薄膜沉积腔室6和第三平衡腔室7传送到化学气相沉积腔室8；在化学气相沉积腔室8内采用化学气相沉积系统制备二维纳米薄膜；最后，制备的二维纳米薄膜经由出料腔室9传送出制备装置，从而完成二维纳米薄膜的连续制备。

实施例2：

参见图2，本发明的规模化连续制备二维纳米薄膜的装置依次设有进料腔室1，处理腔室2，第一平衡腔室3，第一薄膜制备腔室4、第二平衡腔室5、第二薄膜制备腔室6、第三平衡腔室7、化学气相沉积腔室8和出料腔室9；进料腔室1设有与大气相通的阀门10，进料腔室1与处理腔室2之间设有阀门11，处理腔室2与第一平衡腔室3之间设有阀门12，第一平衡腔室3与第一薄膜制备腔室4之间设有阀门13，第一薄膜制备腔室4与第二平衡腔室5之间设有阀门14，第二平衡腔室5与第二薄膜制备腔室6之间设有阀门15，第二薄膜制备腔室6与第三平衡腔室7之间设有阀门16，第三平衡腔室7与化学气相沉积腔室8之间设有阀门17，化学气相沉积腔室8与出料腔室9之间设有阀门18，出料腔室9设有与大气相通的阀门19；整套设备在进料腔室1、处理腔室2、第一平衡腔室3、第一薄膜制备腔室4、第二平衡腔室5、第二薄膜制备腔室6、第三平衡腔室7、化学气相沉积腔室8和出料腔室9的腔室内均设有样品传送装置30；所述的样品传送装置30包括滚轮、皮带轮和传送带等中的任意一种或二种以上的组合；整套设备通过样品传送装置与阀门将进料腔室1、处理腔室2、第一平衡腔室3，第一薄膜制备腔室4、第二平衡腔室5、第二薄膜制备腔室6、第三平衡腔室7、化学气相沉积腔室8和出料腔室9连接成一个整体。

处理腔室2设有样品处理装置50和加热装置40；样品处理装置可以是等离子处理器、对气体离子化的线圈和加热装置等；加热装置可以是电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等，温度可以在20~2000°C之间调节。

处理腔室2、加热装置40与气体连接口61或62可以构成一个热化学气相沉积系统。

第一薄膜制备腔室4设有物理气相沉积系统33和35、加热装置41和隔热屏蔽系统98；所述的物理气相沉积系统包括离子束沉积系统、溅射沉积系统、电子束沉积系统、热蒸镀沉积系统、激光沉积系统、离子注入系统中的任意一种或二种以上的组合；加热装置41可以是电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等，温度可以在20~2000°C之间调节。第一薄膜制备腔室4、加热装置41和气体连接口64可以构成一个热化学气相沉积系统。

第二薄膜制备腔室6设有物理气相沉积系统装置34和加热装置42；物理气相沉积系统34包括离子束沉积系统、溅射沉积系统、电子束沉积系统、热蒸镀沉积系统、激光沉积系统、离子注入系统中的任意一种或二种以上的组合；加热装置42可以是电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等，温度可以在20~2000°C之间调节。第二薄膜制备腔室6、加热装置42和气体连接口66可以构成一个热化学气相沉积系统。

化学气相沉积腔室8设有化学气相沉积系统38、加热装置43、冷却系统91和隔热屏蔽系统97；所述的化学气相沉积系统38包括等离子体增强化学气相沉积系统、微波等离子体化学气相沉积系统、气溶胶辅助化学气相沉积系统、电感耦合等离子体化学气相沉积系统中的任意一种或二种以上的组合。

出料腔室9设有样品处理装置52，样品处理装置可以是等离子处理器、对气体离化的线圈和加热装置等。

进料腔室1设有气体连接口60，处理腔室2设有两个气体连接口61和62，第一平衡腔室3设有气体连接口63，第一薄膜制备腔室4设有气体连接口64、气体连接口64连接混气盒85、混气盒85连接两个气体连接口72和73，第二平衡腔室5设有气体连接口65，第二薄膜制备腔室6设有气体连接口66、气体连接口66连接混气盒86、混气盒86连接两个气体连接口74和75，第三平衡腔室7设有气体连接口67，化学气相沉积腔室设有气体连接口68和69、气体连接口69连接混气盒87、混气盒87连接三个气体连接口76、77和78，出料腔室连接有两个气体连接口70和71；每一气路都可以精确控制气体的流量，可包括质量流量计和电磁截止阀等计量和流量调节装置，每一气体连接口联有质量流量计而控制各气体的流量，每个质量流量计的两端各设有一个电磁截止阀，电磁截止阀和质量流量计通过管路与气体连接口相连接。

化学气相沉积腔室8、加热装置43与气体连接口68和/或69可以构成一个化学气相沉积系统。

进料腔室1设有抽真空装置20，处理腔室2设有抽真空装置21，第一平衡腔室3设有抽真空装置22，第一薄膜制备腔室4设有抽真空装置23，第二平衡腔室5设有抽真空装置24，第二薄膜制备腔室6设有抽真空装置25，第三平衡腔室7设有抽真空装置26，化学气相沉积腔室8设有抽真空装置27，出料腔室9设有抽真空装置28。每一独立的抽真空装置包括各种真空泵、真空管道、真空阀门、真空计等，通过抽真空装置可以使各腔室的真空度在常压至1.0×10^-10Pa之间。

规模化连续制备二维纳米薄膜的基本过程可以是：将制备二维纳米薄膜所需的衬底放置在载料台架29上，衬底由样品传送装置30传送经过进料腔室1到达处理腔室2；在一定温度下，衬底在处理腔室2内进行预处理，之后经过第一平衡腔室3被传送到第一薄膜制备腔室4；在第一薄膜制备腔室4利用物理气相沉积系统33和35如电子束沉积系统将催化层制备在衬底上，然后经过第二平衡腔室5，被传送到第二薄膜沉积腔室6；在第二薄膜制备腔室6，利用物理气相沉积系统34如离子束沉积系统将二维纳米薄膜的前驱体离化在催化层上，然后经过第三平衡腔室7，被传送到化学气相沉积腔室8；在化学气相沉积腔室8，对样品进行处理而形成二维纳米薄膜；最后，制备的二维纳米薄膜经由出料腔室9传送出制备装置，从而完成二维纳米薄膜的连续制备。

二维纳米材料的前驱体是指含有组成二维纳米材料的元素或含有组成二维纳米材料的元素的化合物，以制备石墨烯为例，前驱体包括甲烷、乙醇等；以制备MoS₂为例，前驱体包括H₂S等。

规模化连续制备二维纳米薄膜的基本过程也可以是：将制备二维纳米薄膜所需的衬底放置在载料台架29上，衬底由样品传送装置30传送经过进料腔室1到达处理腔室2；在一定温度下，衬底在处理腔室2内进行预处理，之后经过第一平衡腔室3被传送到第一薄膜制备腔室4；在第一薄膜制备腔室4分别利用物理气相沉积系统33和35如电子束沉积系统和溅射沉积系统将两种不同的催化层材料同时沉积在衬底上，然后经过第二平衡腔室5，被传送到第二薄膜沉积腔室6；在第二薄膜制备腔室6，利用物理气相沉积系统34如热蒸镀沉积系统将二维纳米薄膜的前驱体沉积到催化层上，然后经过第三平衡腔室7，被传送到化学气相沉积腔室8；在化学气相沉积腔室8，对样品进行处理而形成二维纳米薄膜；最后，制备的二维纳米薄膜经由出料腔室9传送出制备装置，从而完成二维纳米薄膜的连续制备。

二维纳米材料的前驱体是指含有组成二维纳米材料的元素或含有组成二维纳米材料的元素的化合物，以制备石墨烯为例，前驱体包括石墨粉、炭黑等；以制备MoS₂为例，前驱体包括MoS₂粉等。

规模化连续制备二维纳米薄膜的基本过程还可以是：将制备二维纳米薄膜所需的衬底放置在载料台架29上，衬底由样品传送装置30传送经过进料腔室1到达处理腔室2；在一定温度下，衬底在处理腔室2内进行预处理，之后经过第一平衡腔室3被传送到第一薄膜制备腔室4；在第一薄膜制备腔室4利用物理气相沉积系统33和35如电子束沉积系统在衬底上制备第一种催化层，然后经过第二平衡腔室5，被传送到第二薄膜沉积腔室6；在第二薄膜制备腔室6，利用物理气相沉积系统34如溅射沉积系统将第二种催化层沉积在第一种催化层之上，然后经过第三平衡腔室7，被传送到化学气相沉积腔室8；在化学气相沉积腔室8，利用化学气相沉积系统38如等离子增强化学气相沉积系统在催化层上制备二维纳米薄膜；最后，制备的二维纳米薄膜经由出料腔室9传送出制备装置，从而完成二维纳米薄膜的连续制备。

规模化连续制备二维纳米薄膜的基本过程还可以是：将制备二维纳米薄膜所需的衬底/催化层放置在载料台架29上，由样品传送装置30传送先后经过进料腔室1、处理腔室2和第一平衡腔室3到达第一薄膜制备腔室4；在第一薄膜制备腔室4对衬底/催化层进行表面处理，然后经过第二平衡腔室5、第二薄膜沉积腔室6和第三平衡腔室7，由样品传送装置30传送到化学气相沉积腔室8；在化学气相沉积腔室8，利用化学气相沉积系统38如微波等离子化学气相沉积系统制备二维纳米薄膜；最后，制备的二维纳米薄膜经由出料腔室9传到大气，从而完成二维纳米薄膜的连续制备。

实施例3：

参见图3，本发明的规模化连续制备二维纳米薄膜的装置依次设有进料腔室1，处理腔室2，第一平衡腔室3，第一薄膜制备腔室4、第二平衡腔室5、第二薄膜制备腔室6、第三平衡腔室7、化学气相沉积腔室8和出料腔室9；进料腔室1设有与大气相通的阀门10，进料腔室1与处理腔室2之间设有阀门11，处理腔室2与第一平衡腔室3之间设有阀门12，第一平衡腔室3与第一薄膜制备腔室4之间设有阀门13，第一薄膜制备腔室4与第二平衡腔室5之间设有阀门14，第二平衡腔室5与第二薄膜制备腔室6之间设有阀门15，第二薄膜制备腔室6与第三平衡腔室7之间设有阀门16，第三平衡腔室7与化学气相沉积腔室8之间设有阀门17，化学气相沉积腔室8与出料腔室9之间设有阀门18，出料腔室9设有与大气相通的阀门19；整套设备在进料腔室1、处理腔室2、第一平衡腔室3、第一薄膜制备腔室4、第二平衡腔室5、第二薄膜制备腔室6、第三平衡腔室7、化学气相沉积腔室8和出料腔室9的腔室内均设有样品传送装置30；所述的样品传送装置30包括滚轮、皮带轮和传送带等中的任意一种或二种以上的组合；整套设备通过样品传送装置与阀门将进料腔室1、处理腔室2、第一平衡腔室3，第一薄膜制备腔室4、第二平衡腔室5、第二薄膜制备腔室6、第三平衡腔室7、化学气相沉积腔室8和出料腔室9连接成一个整体。

处理腔室2设有样品处理装置50；样品处理装置可以是等离子处理器、对气体离子化的线圈和加热装置等。

处理腔室2、样品处理装置50与气体连接口61或62可以构成一个热化学气相沉积系统。

第一薄膜制备腔室4设有物理气相沉积系统装置33和加热装置41；物理气相沉积系统包括离子束沉积系统、溅射沉积系统、电子束沉积系统、热蒸镀沉积系统、激光沉积系统、离子注入系统中的任意一种或二种以上的组合；加热装置可以是电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等，温度可以在20~2000°C之间调节。第一薄膜制备腔室4、加热装置41和气体连接口64可以构成一个热化学气相沉积系统。

第二薄膜制备腔室6设有物理气相沉积系统装置34和36、加热装置42、冷却系统92和隔热屏蔽系统99；物理气相沉积系统包括离子束沉积系统、溅射沉积系统、电子束沉积系统、热蒸镀沉积系统、激光沉积系统、离子注入系统中的任意一种或二种以上的组合；加热装置可以是电阻加热装置、红外加热装置、激光加热装置等，温度可以在20~2000°C之间调节。第二薄膜制备腔室6、加热装置42和气体连接口74或75可以构成一个热化学气相沉积系统。

化学气相沉积腔室8设有样品处理装置51、加热装置43、冷却系统91和隔热屏蔽系统97；化学气相沉积腔室8、加热装置43和气体连接口68或69构成一个热化学气相沉积系统；化学气相沉积腔室8还可以设有等离子体增强化学气相沉积系统、微波等离子体化学气相沉积系统、气溶胶辅助化学气相沉积系统、电感耦合等离子体化学气相沉积系统中的任意一种或二种以上的组合。

出料腔室9设有样品处理装置52，样品处理装置可以是等离子处理器、对气体离子化的线圈和加热装置等。

进料腔室1设有气体连接口60，处理腔室2设有两个气体连接口61和62，第一平衡腔室3设有气体连接口63，第一薄膜制备腔室4设有气体连接口64，第二平衡腔室5设有气体连接口65，第二薄膜制备腔室6设有气体连接口74和75，第三平衡腔室7设有气体连接口67，化学气相沉积腔室设有气体连接口68和69、气体连接口69连接混气盒87、混气盒87连接三个气体连接口76、77和78，出料腔室连接有两个气体连接口70和71；每一气路都可以精确控制气体的流量，可包括质量流量计和电磁截止阀等计量和流量调节装置，每一气体连接口联有质量流量计而控制各气体的流量，每个质量流量计的两端各设有一个电磁截止阀，电磁截止阀和质量流量计通过管路与气体连接口相连接。

化学气相沉积腔室8、加热装置43与气体连接口68和/或69可以构成一个化学气相沉积系统。

进料腔室1设有抽真空装置20，处理腔室2设有抽真空装置21，第一平衡腔室3设有抽真空装置22，第一薄膜制备腔室4设有抽真空装置23，第二平衡腔室5设有抽真空装置24，第二薄膜制备腔室6设有抽真空装置25，第三平衡腔室7设有抽真空装置26，化学气相沉积腔室8设有抽真空装置27，出料腔室9设有抽真空装置28。每一独立的抽真空装置包括各种真空泵、真空管道、真空阀门、真空计等，通过抽真空装置可以使各腔室的真空度在常压至1.0×10^-10Pa之间。

规模化连续制备二维纳米薄膜的基本过程可以是：将制备二维纳米薄膜所需的衬底放置在载料台架29上，经过进料腔室1，衬底传送到达处理腔室2；衬底在处理腔室2内进行预处理，之后经过第一平衡腔室3被传送到第一薄膜制备腔室4；在第一薄膜制备腔室4利用物理气相沉积系统33如电子束沉积系统将催化层制备在衬底上，然后经过第二平衡腔室5，被传送到第二薄膜沉积腔室6；在第二薄膜制备腔室6，利用物理气相沉积系统34和36如溅射沉积系统将二维纳米薄膜的前驱体沉积在催化层上，然后经过第三平衡腔室7，被传送到化学气相沉积腔室8；在化学气相沉积腔室8，采用化学气相沉积方法制备二维纳米薄膜；最后，制备的二维纳米薄膜经由出料腔室9传送出制备装置，从而完成二维纳米薄膜的连续制备。

二维纳米材料的前驱体是指含有组成二维纳米材料的元素或含有组成二维纳米材料的元素的化合物，以制备石墨烯为例，前驱体包括石墨粉、炭黑等；以制备MoS₂为例，前驱体包括MoS₂粉等。

规模化连续制备二维纳米薄膜的基本过程也可以是：将制备二维纳米薄膜所需的衬底和/或催化层放置在载料台架29上，经过进料腔室1，衬底和/或催化层传送到达处理腔室2；衬底和/或催化层在处理腔室2内进行预处理，之后经过第一平衡腔室3被传送到第一薄膜制备腔室4；在第一薄膜制备腔室4利用物理气相沉积系统33如电子束沉积系统将二维纳米材料的一种前驱体沉积在衬底和/或催化层上，然后经过第二平衡腔室5，被传送到第二薄膜沉积腔室6；在第二薄膜制备腔室6，利用物理气相沉积系统34和36如热蒸镀沉积系统将另一种二维纳米薄膜的前驱体沉积到衬底和/或催化层上，然后经过第三平衡腔室7，被传送到化学气相沉积腔室8；在化学气相沉积腔室8，对样品进行处理而形成二维纳米薄膜；最后，制备的二维纳米薄膜经由出料腔室9传送出制备装置，从而完成二维纳米薄膜的连续制备。

二维纳米材料的前驱体是指含有组成二维纳米材料的元素或含有组成二维纳米材料的元素的化合物，以制备石墨烯为例，前驱体包括石墨粉、炭黑等；以制备MoS₂为例，前驱体包括MoS₂粉等。

规模化连续制备二维纳米薄膜的基本过程还可以是：将制备二维纳米薄膜所需的衬底和/或催化层放置在载料台架29上，经过进料腔室1，衬底和/或催化层传送到达处理腔室2；衬底和/或催化层在处理腔室2内进行预处理，之后先后经过第一平衡腔室3、第一薄膜制备腔室4、第二平衡腔室5，被传送到第二薄膜沉积腔室6；在第二薄膜制备腔室6，利用物理气相沉积系统34和36如离子注入沉积系统将二维纳米薄膜的前驱体沉积注入到衬底和/或催化层中，然后经过第三平衡腔室7，被传送到化学气相沉积腔室8；在化学气相沉积腔室8，对样品进行处理而形成二维纳米薄膜；最后，制备的二维纳米薄膜经由出料腔室9传到大气，从而完成二维纳米薄膜的连续制备。

二维纳米材料的前驱体是指含有组成二维纳米材料的元素或含有组成二维纳米材料的元素的化合物，以制备石墨烯为例，前驱体包括石墨粉、炭黑等；以制备MoS₂为例，前驱体包括MoS₂粉等。

虽然已经明确展示且参考本发明的示范性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将了解，可在不脱离有所附权利要求书界定的本发明的精神和范围的情况下，对本文作各种形式上和细节上的改变。

Claims (10)

1.一种规模化连续制备二维纳米薄膜的装置，其特征在于依次设有进料腔室(1)、处理腔室(2)、第一平衡腔室(3)、第一薄膜制备腔室(4)、第二平衡腔室(5)、第二薄膜制备腔室(6)、第三平衡腔室(7)、化学气相沉积腔室(8)和出料腔室(9)，其中：

进料腔室(1)设有与大气相通的第一阀门(10)，进料腔室(1)与处理腔室(2)之间设有第二阀门(11)，处理腔室(2)与第一平衡腔室(3)之间设有第三阀门(12)，第一平衡腔室(3)与第一薄膜制备腔室(4)之间设有第四阀门(13)，第一薄膜制备腔室(4)与第二平衡腔室(5)之间设有第五阀门(14)，第二平衡腔室(5)与第二薄膜制备腔室(6)之间设有第六阀门(15)，第二薄膜制备腔室(6)与第三平衡腔室(7)之间设有第七阀门(16)，第三平衡腔室(7)与化学气相沉积腔室(8)之间设有第八阀门(17)，化学气相沉积腔室(8)与出料腔室(9)之间设有第九阀门(18)，出料腔室(9)设有与大气相通的第十阀门(19)；

进料腔室(1)、处理腔室(2)、第一平衡腔室(3)、第一薄膜制备腔室(4)、第二平衡腔室(5)、第二薄膜制备腔室(6)、第三平衡腔室(7)、化学气相沉积腔室(8)和出料腔室(9)的腔室内均设有样品传送装置；

进料腔室(1)、处理腔室(2)、第一平衡腔室(3)、第一薄膜制备腔室(4)、第二平衡腔室(5)、第二薄膜制备腔室(6)、第三平衡腔室(7)、化学气相沉积腔室(8)和出料腔室(9)中的至少一个的腔室设有抽真空装置；

第一薄膜制备腔室(4)和第二薄膜制备腔室(6)的至少一个的腔室内设有物理气相沉积系统；

进料腔室(1)、处理腔室(2)、第一平衡腔室(3)、第一薄膜制备腔室(4)、第二平衡腔室(5)、第二薄膜制备腔室(6)、第三平衡腔室(7)、化学气相沉积腔室(8)和出料腔室(9)中的至少一个腔室设有一个或二个以上的气体连接口；

化学气相沉积腔室(8)的腔室内设有加热装置。

2.根据权利要求1所述的规模化连续制备二维纳米薄膜的装置，其特征在于所述的物理气相沉积系统包括离子束沉积系统、溅射沉积系统、电子束沉积系统、热蒸镀沉积系统、激光沉积系统、离子注入系统中的任意一种或二种以上的组合。

3.根据权利要求1所述的规模化连续制备二维纳米薄膜的装置，其特征在于所述的化学气相沉积腔室(8)中还设有等离子体增强化学气相沉积系统、微波等离子体化学气相沉积系统、气溶胶辅助化学气相沉积系统、电感耦合等离子体化学气相沉积系统中的任意一种或二种以上的组合。

4.根据权利要求1所述的规模化连续制备二维纳米薄膜的装置，其特征在于所述的处理腔室(2)、第一薄膜制备腔室(4)和第二薄膜制备腔室(6)中的至少一个腔室内设有加热装置。

5.根据权利要求1所述的规模化连续制备二维纳米薄膜的装置，其特征在于所述处理腔室(2)内设有样品处理装置。

6.根据权利要求1所述的规模化连续制备二维纳米薄膜的装置，其特征在于它还设有控制系统，所述的控制系统包括样品传送控制系统、气路控制系统、真空控制系统、阀门控制系统或温度控制系统中的任意一种或二种以上的组合。

7.根据权利要求1所述的规模化连续制备二维纳米薄膜的装置，其特征在于所述的样品传送装置包括滚轮、皮带轮和传送带中的任意一种或二种以上的组合。

8.根据权利要求1所述的规模化连续制备二维纳米薄膜的装置，其特征在于所述的处理腔室(2)、第一薄膜制备腔室(4)、第二薄膜制备腔室(6)和化学气相沉积腔室(8)中的至少一个腔室内设有隔热屏蔽系统。

9.根据权利要求1所述的规模化连续制备二维纳米薄膜的装置，其特征在于所述的处理腔室(2)、第一薄膜制备腔室(4)、第二薄膜制备腔室(6)和化学气相沉积腔室(8)中的至少一个腔室的腔壁设有冷却系统。

10.根据权利要求1所述的规模化连续制备二维纳米薄膜的装置，其特征在于所述的二维纳米薄膜包括石墨烯、金属硫族化物、硅烯、锗烯或氮化硼薄膜。

Images