CN103459316B - 用于制造石墨烯的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于合成石墨烯的方法和设备。所述方法包括：将催化剂金属以水平方向或者垂直方向装载到室中；通过加热催化剂金属来增大催化剂金属的颗粒的尺寸；在催化剂金属中提供气相碳源的同时，升高室内部的温度；以及通过冷却催化剂金属来形成石墨烯。

Description

用于制造石墨烯的方法和设备
技术领域
本发明的一个或多个实施例涉及用于合成石墨烯的方法和设备，所述方法和设备可以用于制造石墨烯。
背景技术
当前，在各种领域中正在研究诸如碳纳米管、金刚石、石墨和石墨烯的碳基材料。
在这些材料中，碳纳米管已经自二十世纪九十年代起引人注目。然而，近来，具有板状结构的石墨烯正在被关注。石墨烯是具有几纳米厚度的薄膜，在该薄膜中，碳原子是二维布置的，并且其中的电荷是作为有效质量为零的粒子。因此，石墨烯具有高导电性、高导热性和高弹性。
因此，自从引入了石墨烯，已经在各种领域中对石墨烯的特性和石墨烯的应用进行了各种研究。由于高导电性和高弹性，所以石墨烯适于应用到透明柔性装置。
发明内容
技术问题
本发明的一个或多个实施例包括用于合成大量的优质石墨烯的方法和设备。
问题的解决方案
另外的方面将部分地在以下的描述中阐述，部分地通过该描述将是清楚的，或者可以通过给出的实施例的实施而明了。
根据本发明的一个或多个实施例，提供了一种合成石墨烯的方法，所述方法包括：将催化剂金属以水平方向或者竖直方向装载到室中；通过加热催化剂金属来增大催化剂金属的颗粒的尺寸；在催化剂金属中提供气相碳源的同时，升高室内部的温度；以及通过冷却催化剂金属来形成石墨烯。
催化剂金属的颗粒的尺寸可以大于100μm。
催化剂金属可以包含从由镍（Ni）、钴（Co）、铁（Fe）、铂（Pt）、金（Au）、铝（Al）、铬（Cr）、铜（Cu）、镁（Mg）、锰（Mn）、钼（Mo）、铑（Rh）、硅（Si）、钽（Ta）、钛（Ti）和钨（W）组成的组中选择的一种或多种。
在催化剂金属中提供气相碳源的同时，升高室内部的温度的步骤可以包括热化学气相沉积（C-TVD）、快速热化学气相沉积（RT-CVD）、电感耦合等离子体化学气相沉积（ICP-CVD）或者等离子体增强化学气相沉积（PECVD）。
在装载催化剂金属的步骤中，可以使用卷到卷的方法由至少一对辊单元装载催化剂金属。
在装载催化剂金属的步骤中，可以通过将催化剂金属的表面或边缘固定到框架来装载催化剂金属。
根据本发明的一个或多个实施例，使用上述的方法合成石墨烯。
石墨烯的表面电阻可以小于35Ohm/sq。
根据本发明的一个或多个实施例，提供了一种用于制造石墨烯的石墨烯合成设备，所述石墨烯合成设备包括：框架，包括容纳空间，容纳空间用于容纳沿着竖直方向或者水平方向延伸的催化剂金属；以及支撑催化剂金属的支撑单元，其中，催化剂金属彼此分隔开。
支撑单元可以被布置为在催化剂金属周围彼此分开。
支撑单元可以结合到催化剂金属的至少一个边缘。
支撑单元可以支撑催化剂金属的表面。
根据本发明的一个或多个实施例，提供了一种用于制造石墨烯的石墨烯合成设备，所述石墨烯合成设备包括：框架，包括容纳空间，容纳空间用于容纳沿着竖直方向或者水平方向延伸的催化剂金属；以及辊单元，支撑并传送催化剂金属，使得催化剂金属被布置成在容纳空间的内部彼此分隔开。
辊单元可以包括成对的辊，所述成对的辊彼此平行地布置并且布置在容纳空间周围。
可以布置多对辊，每对辊可以被布置成在垂直于催化剂金属的表面的方向上彼此分隔开。
所述成对的辊可以包括：第一辊单元，提供催化剂金属层；以及第二辊单元，支撑并沿着一方向传送由第一辊单元提供的催化剂金属。
发明的有益效果
根据本发明的以上实施例中的一个或多个，可以通过增大催化剂金属的颗粒的尺寸来简单地合成大量的优质石墨烯。
附图说明
通过下面结合附图对实施例的描述，这些和/或其他的方面将变得清楚和更容易理解，在附图中：
图1是根据本发明的实施例的石墨烯合成设备的催化剂金属装载装置的透视图；
图2A和图2B是示出了图1的催化剂金属装载装置中的支撑单元和催化剂金属的结合的示意性透视图；
图3是包括图1的催化剂金属装载装置的石墨烯合成设备的示意性正视图；
图4是根据本发明的另一个实施例的催化剂金属装载装置的示意性透视图；
图5是根据本发明的另一个实施例的催化剂金属装载装置的示意性透视图；
图6是包括图5的催化剂金属装载装置的石墨烯合成设备的示意性正视图；
图7是根据本发明的另一个实施例的催化剂金属装载装置的示意性透视图；
图8是包括图7的催化剂金属装载装置的石墨烯合成设备的示意性正视图；
图9是根据本发明的实施例的催化剂金属装载装置的示意性透视图；
图10是根据本发明的另一个实施例的合成石墨烯的方法的示意性流程图；
图11A和图11B是催化剂金属的区域X的放大图，用于示出催化剂金属的颗粒尺寸变化；
图12是示出了催化剂金属在被加热时彼此相邻的颗粒彼此合并的图；
图13是示出了使用根据本发明的实施例的合成石墨烯的方法合成的石墨烯的表面电阻特性的图。
具体实施方式
现在将详细参照实施例，在附图中示出了实施例的示例，其中相同的标号始终表示相同的元件。就此而言，给出的实施例可以具有不同的形式，并且不应该被解释为局限于这里阐述的描述。因此，以下通过参照附图仅描述这些实施例来解释本描述的各方面。
将参照附图更充分地描述本发明的优点和特征以及实现所述优点和特征的方法，在附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在这里所阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并将本发明的构思充分地传达给本领域普通技术人员。同时，这里使用的术语仅为了描述具体实施例的目的，而不意图成为示例性实施例的限制。如这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。还将理解的是，这里使用的术语“包含”和/或“包括”说明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。将理解的是，虽然术语“第一”、“第二”等在这里可以用来描述各种元件，但是这些元件不应该受这些术语的限制。这些术语仅用来将一个元件与另一元件区别开来。
在下文中，术语“催化剂金属”是指用于形成石墨烯的催化剂金属，并且可以被设置为仅包含金属的单金属层或者与其他构件结合。例如，催化剂金属可以被设置为被布置在诸如包含氧化硅（SiO2）的硅晶片的基底的表面上。
图1是根据本发明的实施例的石墨烯合成设备的催化剂金属装载装置的透视图。图2A和图2B是示出了图1的催化剂金属装载装置中的支撑单元和催化剂金属的结合的示意性透视图。
参照图1，石墨烯合成设备的催化剂金属装载装置10包括框架100和支撑单元200，支撑单元200支撑装载到框架100的催化剂金属300。
框架100具有基本上六面体的形状，框架100的6个表面可以是开放的。用于容纳具有水平延伸的表面的催化剂金属300的容纳空间布置在框架100的内部，催化剂金属300可以被布置为在竖直方向（方向D3）上彼此分隔开预定的距离。在这种情况下，多个催化剂金属300可以被布置为彼此平行。
催化剂金属300具有板状的形状和预定的面积，并且可以包含从由镍（Ni）、钴（Co）、铁（Fe）、铂（Pt）、金（Au）、铝（Al）、铬（Cr）、铜（Cu）、镁（Mg）、锰（Mn）、钼（Mo）、铑（Rh）、硅（Si）、钽（Ta）、钛（Ti）和钨（W）组成的组中选择的一种或多种。
支撑单元200固定布置在框架100内部的催化剂金属300的位置。多个支撑单元200可以被布置为在催化剂金属300周围彼此分开，并且可以支撑催化剂金属300的四个角部。例如，如果催化剂金属300具有矩形的形状，则支撑单元200可以被布置在催化剂金属300的周围，并可通过支撑催化剂金属300的四个角部来固定催化剂金属300。
参照图2A，支撑单元200可以包括槽210，催化剂金属300可以***到槽210。支撑单元200和催化剂金属300可以通过槽210结合到彼此。槽210可以被形成为具有与催化剂金属300的厚度相同的深度，使得催化剂金属300可以***到槽210中。
参照图2B，支撑单元200'可以是例如大钢夹（bulldogclip）的夹子。例如，催化剂金属300可以被***到通过按压夹子状的支撑单元200'的把柄220'而形成的间隙210'中。支撑单元200可以具有孔，使得支撑单元200'可以结合到催化剂金属300并同时固定到框架100。
虽然以上参照图2A和图2B描述了包括槽210的支撑单元200以及是夹子的支撑单元200，但是本发明不限于此。只要催化剂金属300可以被固定到框架100，就可以采用各种形状和类型的支撑单元中的任一种。
图3是包括图1的催化剂金属装载装置的石墨烯合成设备的示意性正视图。
参照图3，石墨烯合成设备可以包括室30和布置在室30内部的催化剂金属装载装置10。框架100可以被容纳在室30的内部，其中，框架100容纳通过支撑单元200彼此平行地布置的催化剂金属300。
可以通过使用催化剂金属300的化学气相沉积（CVD）在室30的内部合成石墨烯。CVD的示例可以包括热化学气相沉积（T-CVD）、快速热化学气相沉积（RT-CVD）、电感耦合等离子体化学气相沉积（ICP-CVD）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）。可选择地，可以采用原子层沉积（ALD）或者快速热退火（RTA）。
图4是根据本发明的另一个实施例的催化剂金属装载装置的示意性透视图。根据本实施例的石墨烯合成设备也包括室（未示出）和布置在室内部的催化剂金属装载装置10。例如，图4中示出的催化剂金属装载装置10可以布置在室的内部，如图3中所示。
参照图4，催化剂金属装载装置10包括框架100和支撑单元400，支撑单元400支撑装载到框架100上的催化剂金属。另外，框架100包括用于容纳多个板状的催化剂金属的空间。就此而言，图4中示出的催化剂金属装载装置10与以上参照图1至图3描述的催化剂金属装载装置10相似。
然而，在本实施例中，支撑单元400布置在催化剂金属的表面上，即，底表面上。由于支撑单元400布置在催化剂金属的底表面上并整个地支撑催化剂金属，所以催化剂金属沿着水平方向被装载。另外，支撑单元400保持多个催化剂金属之间的距离。支撑单元400可以固定到框架100。
图5是根据本发明的另一个实施例的催化剂金属装载装置的示意性透视图。
参照图5，催化剂金属装载装置10包括框架100和支撑单元500，支撑单元500支撑装载到框架100的催化剂金属。另外，框架100包括用于容纳多个板状的催化剂金属的空间。就此而言，图5中示出的催化剂金属装载装置10与以上参照图1至图3描述的催化剂金属装载装置10相似。
然而，在本实施例中，催化剂金属300具有沿着竖直方向延伸的表面，并且被布置为在水平方向（方向D1）上彼此分隔开，支撑单元500的位置与以上的实施例中支撑单元的位置不同。以下的描述将集中在它们之间的差异上。
支撑单元500可以结合到催化剂金属300的边缘以固定催化剂金属300的位置。这里，支撑单元500结合到催化剂金属300的上边缘，使得催化剂金属300沿着竖直方向被装载。
如上面参照图2A和图2B所描述的，支撑单元500可以包括催化剂金属300可以***到其中的槽，或者支撑单元500可以是夹子。多个支撑单元500可以布置为彼此分隔开。
虽然在本实施例中提供了支撑单元500结合到催化剂金属300的整个边缘的情况，但是本发明不限于此。例如，可以布置多个支撑单元500，所述多个支撑单元500可以布置为彼此分隔开，并且结合到催化剂金属300的两个相对的上角部以固定催化剂金属300的位置。
图6是包括图5的催化剂金属装载装置的石墨烯合成设备的示意性正视图。
参照图6，石墨烯合成设备可以包括室60和布置在室60内部的催化剂金属装载装置10。催化剂金属300由支撑单元500沿着竖直方向被装载到框架，框架100可以被容纳在室60的内部，其中，多个催化剂金属300彼此平行地装载到框架100。可以在室60内部通过CVD来制造石墨烯。
图7是根据本发明的另一个实施例的催化剂金属装载装置的示意性透视图。
参照图7，石墨烯合成设备包括框架100和辊单元700，辊单元700支撑并传送装载到框架100的催化剂金属300。
框架100具有基本上六面体的形状，框架100的6个表面可以是开放的。用于容纳具有水平延伸的表面的催化剂金属300的容纳空间布置在框架100的内部，多个催化剂金属300可以被布置为在竖直方向（方向D3）上彼此分隔开预定的距离。在这种情况下，多个催化剂金属300可以被布置为彼此平行。
催化剂金属300具有板状的形状和预定的面积，并且可以包含从由镍（Ni）、钴（Co）、铁（Fe）、铂（Pt）、金（Au）、铝（Al）、铬（Cr）、铜（Cu）、镁（Mg）、锰（Mn）、钼（Mo）、铑（Rh）、硅（Si）、钽（Ta）、钛（Ti）和钨（W）组成的组中选择的一种或多种。
辊单元700支撑并传送布置在框架100内部的催化剂金属300。辊单元700包括成对的辊单元710和720。成对的辊单元710和720彼此平行地布置，使得催化剂金属300可以位于二者之间。第一辊单元710和第二辊单元720可以布置在框架100的外表面上相同的高度处。例如，第一辊单元710卷绕有催化剂金属300，并沿着某方向（例如顺时针或者逆时针）旋转，第二辊单元720沿着与第一辊单元710相同的方向旋转，因此，催化剂金属300可以沿着方向D1被传送。
多对辊710和720被布置为在D3方向上彼此分隔开，其中，每对辊710和720包括第一辊单元710和第二辊单元720。根据多对辊710和720的布置，沿着水平方向装载的催化剂金属300可以被布置为在竖直方向上彼此分隔开。
图8是包括图7的催化剂金属装载装置的石墨烯合成设备的示意性正视图。
参照图8，石墨烯合成设备可以包括室80和布置在室80内部的催化剂金属装载装置10。催化剂金属300由辊单元710和720沿着水平方向被装载到框架100，框架100可以被容纳在室80的内部，其中，多个催化剂金属300彼此平行地装载到框架100。
卷绕有催化剂金属300的第一辊单元710可以布置在室80的外部并且可以将催化剂金属300提供到室80中。通过旋转第一辊单元710和第二辊单元720而沿着方向D1被传送的催化剂金属300可以用于在室80内部形成/合成石墨烯。
图9是根据本发明的实施例的催化剂金属装载装置的示意性透视图。
参照图9，如同以上参照图7描述的催化剂金属装载装置，催化剂金属装载装置10包括框架100和支撑并传送催化剂金属300的辊单元900，其中，框架100包括用于容纳多个催化剂金属300的空间。
然而，在本实施例中，催化剂金属300具有沿着竖直方向延伸的表面，并且被布置为在水平方向上彼此分隔开。辊单元900的位置与辊单元700的位置不同。以下的描述将集中在它们之间的差异上。
辊单元900包括成对的辊单元910和920。成对的辊单元910和920彼此平行地布置，使得容纳空间位于它们之间。第一辊单元910和第二辊单元920沿着竖直方向延伸。
第一辊单元910和第二辊单元920被布置在框架100的外表面上。第一辊单元910卷绕有催化剂金属300，并沿着某方向（顺时针或者逆时针）旋转，第二辊单元920沿着与第一辊单元910相同的方向旋转，并沿着方向D1传送催化剂金属300。
多对辊单元910和920（每对辊单元910和920包括第一辊单元910和第二辊单元920）被布置为在水平方向（方向D2）上彼此分隔开，使得催化剂金属300可以被装载为彼此分隔开并且彼此平行。
在根据本实施例的催化剂金属装载装置10中，第一辊单元910被布置在室（未示出）的外部，并将催化剂金属300提供到室中用于石墨烯的形成。尽管未示出，但催化剂金属装载装置10可以被布置在室80中以构成石墨烯合成设备。
图10是根据本发明的另一个实施例的合成石墨烯的方法的示意性流程图。
参照图10，在操作S1010中，装载催化剂金属。例如，可以将催化剂金属沿着水平方向装载到以上参照图1和图4描述的催化剂金属装载装置。可选择地，可以将催化剂金属装载到以上参照图5描述的催化剂金属装载装置。当将催化剂金属结合到支撑单元时，可以装载催化剂金属。
根据本发明的另一个实施例，可以将催化剂金属沿着水平方向装载到以上参照图7描述的催化剂金属装载装置。可选择地，可以沿着竖直方向将催化剂金属装载到以上参照图9描述的催化剂金属装载装置。可以使用卷到卷（reel-to-reel）的方法由成对的辊单元装载催化剂金属。通过使用卷到卷的方法，可以将催化剂金属连续地提供到室中。
催化剂金属可以包含从由镍（Ni）、钴（Co）、铁（Fe）、铂（Pt）、金（Au）、铝（Al）、铬（Cr）、铜（Cu）、镁（Mg）、锰（Mn）、钼（Mo）、铑（Rh）、硅（Si）、钽（Ta）、钛（Ti）和钨（W）组成的组中选择的一种或多种。
如果必要，则可以在将催化剂金属装载到催化剂金属装载装置之前执行预处理操作。例如，可以通过使用酸性/碱性溶液来清洗催化剂金属的表面。
在操作S1020中，加热催化剂金属以增大催化剂金属的颗粒（grain，或称为晶粒）的尺寸。可以将催化剂金属加热至大约900℃或者更高的温度，并且，随着催化剂金属被加热，催化剂金属的颗粒的尺寸可以是大约100μm或者更大。这里，术语“颗粒的尺寸”是指通过线法（linemethod）测量的值。线法是在电子背散射衍射（EBSD）图或者精细组织图像中对任意直线经过的颗粒的数量进行统计，然后用该任意直线的长度除以统计的颗粒数量来确定颗粒的尺寸的方法。
图11A和图11B是催化剂金属的区域X的放大图，用于示出催化剂金属的颗粒尺寸变化；图12是示出了催化剂金属在被加热时彼此相邻的颗粒彼此合并的图。
参照图11A，多个颗粒密集地布置在催化剂金属中。当加热如图11A中示出的催化剂金属时，催化剂金属的状态改变为图11B中示出的状态。随着催化剂金属被加热，彼此相邻的颗粒彼此合并，如图12的部分A中所示，因此颗粒的尺寸增大。
参照示出了催化剂金属在被加热之前的状态的图11A和示出了催化剂金属在被加热之后的状态的图11B，在相同的部分X中，颗粒的数量减少，颗粒的尺寸增大。
在操作S1030中，将气态碳源注射到催化剂金属并升高室内的温度。
可以通过CVD来执行操作S1030。例如，可以采用热化学气相沉积（T-CVD）、快速热化学气相沉积（RT-CVD）、电感耦合等离子体化学气相沉积（ICP-CVD）或者等离子体增强化学气相沉积（PECVD）。
气态碳源可以是从由一氧化碳、乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、丙烷、丙烯、丁烷、丁二烯、戊烷、环戊二烯、己烷、环己烷、苯和甲苯组成的组中选择的一种或多种。
例如，随着室内部温度的升高，作为气态碳源的甲烷（CH4）气体被分离为碳原子和氢原子，分离的碳原子被催化剂金属的表面吸收。分离的碳原子扩散到催化剂金属的颗粒中。
在操作S1040中，通过冷却催化剂金属来形成石墨烯。
随着催化剂金属被冷却，在操作S1030中被催化剂金属的表面吸收的碳原子被合成到催化剂金属的表面，也就是说，合成了石墨烯。可以在相对短的时间段内冷却催化剂金属。在操作S1030之后，可以在室内部冷却催化剂金属，或者可在将催化剂金属从室内取出之后在室的外部冷却催化剂金属。
然后，如果需要，可以在石墨烯上堆叠载体构件（未示出），可以通过蚀刻来去除催化剂金属。例如，载体构件可以是聚二甲基硅氧烷（PDMS）。
通过载体构件转移去除了催化剂金属的石墨烯，并且可将石墨烯转移到目标基底（未示出）。例如，目标基底可以是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。
通常，在使用催化剂金属合成石墨烯的过程中，可能经常发生缺陷，例如，石墨烯的结晶度和方向性在颗粒之间的边界处会改变或者构成石墨烯的碳原子之间的键会断开。石墨烯的结晶度和方向性影响电子的运动。因此，如果石墨烯的结晶度和方向性改变，则电子的流动被干扰，因此石墨烯的表面电阻增加。在颗粒之间的边界周围发生的缺陷也干扰电子的流动，因此石墨烯的表面电阻增加。
然而，根据本发明的实施例，可以通过增大催化剂金属的颗粒的尺寸来合成高品质的石墨烯。如以上参照图11A和图11B所述，在加热催化剂金属之前，颗粒密集地布置在预定的部分X的内部。然而，在加热催化剂金属以增大颗粒的尺寸之后，在相同部分X内的颗粒的数量减少。
由于颗粒的尺寸增大，在操作S1030中分离的碳原子可以均匀地扩散到其中的区域增大，因此在操作S1040中被冷却之后形成的石墨烯具有高品质。
另外，由于颗粒的尺寸增大，所以颗粒之间的边界占据的面积减小，由此可以将颗粒之间的边界处的问题（例如，如上所述的石墨烯的结晶度和方向性的变化或者其他缺陷）最小化。
图13是示出了使用根据本发明的实施例的合成石墨烯的方法合成的石墨烯的表面电阻特性的图。
实施例A是催化剂金属沿着竖直方向被装载的实施例，而实施例B是催化剂金属沿着水平方向被装载的实施例。
参照图13，在催化剂金属沿着竖直方向被装载（实施例A）和催化剂金属沿着水平方向被装载（实施例B）的两种情况中，表面电阻都小于35Ohm/sq。所述值比未执行操作S1020而合成的石墨烯的表面电阻小大约20%。低表面电阻的原因是如上所述的在操作S1020中催化剂金属的颗粒的尺寸增大。
具体地，在催化剂金属沿着竖直方向被装载的情况下，其特征是优异的表面电阻特性。这一点的原因是，当催化剂金属沿着竖直方向被装载时，催化剂金属的颗粒不仅在操作S1020中被加热，而且还受到重力的影响。换言之，当催化剂金属的颗粒的尺寸随着彼此相邻的颗粒彼此合并而增大时，重力对颗粒起作用，因此颗粒的尺寸进一步增大。因此，可以提供用于合成优质石墨烯的环境。
如上所述，根据本发明的上述实施例中的一个或多个，可以通过增大催化剂金属的颗粒的尺寸来简单地合成大量的优质石墨烯。
应该理解的是，这里描述的示例性实施例应该仅以描述性的意义来考虑，而不出于限制的目的。对每个实施例中的特征或方面的描述通常应该被认为可用于其他实施例中的其他相似的特征或方面。

Claims (14)

1.一种合成石墨烯的方法，所述方法包括：
将催化剂金属以竖直方向装载到室中，其中，催化剂金属彼此分隔开；
通过加热催化剂金属来增大催化剂金属的颗粒的尺寸；
在催化剂金属中提供气相碳源的同时，升高室内部的温度；以及
通过冷却催化剂金属来形成石墨烯。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，催化剂金属的颗粒的尺寸大于100μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，催化剂金属包含从由Ni、Co、Fe、Pt、Au、Al、Cr、Cu、Mg、Mn、Mo、Rh、Si、Ta、Ti和W组成的组中选择的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在催化剂金属中提供气相碳源的同时，升高室内部的温度的步骤包括热化学气相沉积、快速热化学气相沉积、电感耦合等离子体化学气相沉积或者等离子体增强化学气相沉积。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在装载催化剂金属的步骤中，使用卷到卷的方法由至少一对辊单元装载催化剂金属。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在装载催化剂金属的步骤中，通过将催化剂金属的表面或边缘固定到框架来装载催化剂金属。
7.一种用于制造石墨烯的石墨烯合成***，所述石墨烯合成***包括：
框架，包括容纳空间，容纳空间用于容纳沿着竖直方向延伸的催化剂金属；
催化剂金属，沿竖直方向容纳于容纳空间中，其中，催化剂金属是被加热的以增大催化剂金属的颗粒的尺寸；以及
支撑催化剂金属的支撑单元，
其中，催化剂金属彼此分隔开。
8.根据权利要求7所述的石墨烯合成***，其中，支撑单元被布置为在催化剂金属周围彼此分开。
9.根据权利要求7所述的石墨烯合成***，其中，支撑单元结合到催化剂金属的至少一个边缘。
10.根据权利要求7所述的石墨烯合成***，其中，支撑单元支撑催化剂金属的表面。
11.一种用于制造石墨烯的石墨烯合成***，所述石墨烯合成***包括：
框架，包括容纳空间，容纳空间用于容纳沿着竖直方向延伸的催化剂金属；
催化剂金属，沿竖直方向容纳于容纳空间中，其中，催化剂金属是被加热的以增大催化剂金属的颗粒的尺寸；以及
辊单元，支撑并传送催化剂金属，使得催化剂金属被布置成在容纳空间的内部彼此分隔开。
12.根据权利要求11所述的石墨烯合成***，其中，辊单元包括成对的辊，所述成对的辊彼此平行地布置并且布置在容纳空间周围。
13.根据权利要求12所述的石墨烯合成***，其中，布置多对辊，以及
每对辊被布置成在垂直于催化剂金属的表面的方向上彼此分隔开。
14.根据权利要求12所述的石墨烯合成***，其中，所述成对的辊包括：
第一辊单元，提供催化剂金属层；以及
第二辊单元，支撑并沿着一方向传送由第一辊单元提供的催化剂金属。
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101446069B1 (ko) * 2012-08-13 2014-10-02 한국표준과학연구원 전자기 유도 공중 부양을 이용한 그래핀 전사 방법
WO2014035068A1 (ko) * 2012-08-30 2014-03-06 엘지전자 주식회사 그래핀의 제조 방법 및 그 그래핀과 그 제조 장치
KR102083960B1 (ko) 2012-08-30 2020-03-03 엘지전자 주식회사 그래핀의 제조 방법 및 그 그래핀과 그 제조 장치
KR102025365B1 (ko) 2012-11-19 2019-09-25 한화에어로스페이스 주식회사 그래핀 합성장치 및 그래핀 합성방법
KR101458045B1 (ko) * 2013-05-15 2014-11-04 한국과학기술원 대면적 고품질의 그래핀 성장을 위한 cvd 보조 장치
KR101484770B1 (ko) * 2013-06-27 2015-01-21 재단법인 나노기반소프트일렉트로닉스연구단 커버부재를 이용한 그래핀의 제조방법 및 그를 포함하는 전자소자의 제조방법
US10093072B2 (en) * 2014-03-18 2018-10-09 Ut-Battelle, Llc Graphene reinforced materials and related methods of manufacture
DE102014104011A1 (de) 2014-03-24 2015-09-24 Aixtron Se Vorrichtung zum Abscheiden von Nanotubes
DE102014104009A1 (de) * 2014-03-24 2015-09-24 Aixtron Se Auf seinen beiden voneinander wegweisenden Breitseiten je ein Substrat tragender Substratträger
CN104609416B (zh) * 2015-02-15 2017-01-18 重庆墨希科技有限公司 一种用于石墨烯生长的载具以及制备石墨烯的方法
KR101648832B1 (ko) 2015-03-25 2016-08-17 한화테크윈 주식회사 그래핀 제조장치
CL2016001858A1 (es) * 2016-07-21 2017-02-17 Univ Técnica Federico Santa Mar+Ia Método y sistema para producir grafeno sobre un sustrato de cobre por deposición de vapores químicos (ap_cvd) modificado
KR20180012054A (ko) * 2016-07-26 2018-02-05 해성디에스 주식회사 그래핀 와이어, 이를 채용하는 케이블 및 그 제조방법
JP7090811B2 (ja) 2018-12-21 2022-06-24 パフォーマンス ナノカーボン、インコーポレイテッド 気液物質移動による炭素材料のその場製造および機能化ならびのその使用
KR102037990B1 (ko) * 2019-04-18 2019-10-29 세종대학교산학협력단 그래핀 제조장치 및 그래핀 제조방법
CN111892042A (zh) * 2020-08-07 2020-11-06 河南墨特石墨烯科技有限公司 一种生产石墨烯的装置及利用该装置生产石墨烯的方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1072693A1 (en) * 1999-07-27 2001-01-31 Iljin Nanotech Co., Ltd. Chemical vapor deposition apparatus and method of synthesizing carbon nanotubes using the apparatus
WO2008153609A1 (en) * 2007-02-07 2008-12-18 Seldon Technologies, Inc. Methods for the production of aligned carbon nanotubes and nanostructured material containing the same
CN101423209A (zh) * 2007-10-29 2009-05-06 三星电子株式会社 石墨烯片及其制备方法
CN101835609A (zh) * 2007-09-10 2010-09-15 三星电子株式会社 石墨烯片及其制备方法
WO2011046415A2 (ko) * 2009-10-16 2011-04-21 성균관대학교산학협력단 그래핀의 롤투롤 전사 방법, 그에 의한 그래핀 롤, 및 그래핀의 롤투롤 전사 장치
CN102249221A (zh) * 2011-05-23 2011-11-23 长春理工大学 一种条纹宽度可控的激光加热制备单层石墨烯的方法
CN102275858A (zh) * 2011-06-20 2011-12-14 南京航空航天大学 石墨烯-离子交换聚合物电致动器及其制备方法与应用

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1059266A3 (en) * 1999-06-11 2000-12-20 Iljin Nanotech Co., Ltd. Mass synthesis method of high purity carbon nanotubes vertically aligned over large-size substrate using thermal chemical vapor deposition
WO2004060800A1 (ja) 2002-12-27 2004-07-22 Bussan Nanotech Research Institute Inc. 単層カーボンナノチューブの製造方法および製造装置
KR101344493B1 (ko) 2007-12-17 2013-12-24 삼성전자주식회사 단결정 그라펜 시트 및 그의 제조방법
US8512669B2 (en) * 2010-11-29 2013-08-20 Empire Technology Development Llc Graphene production using laser heated crystal growth

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1072693A1 (en) * 1999-07-27 2001-01-31 Iljin Nanotech Co., Ltd. Chemical vapor deposition apparatus and method of synthesizing carbon nanotubes using the apparatus
CN1282801A (zh) * 1999-07-27 2001-02-07 李铁真 化学汽相淀积设备及利用该设备合成碳纳米管的方法
WO2008153609A1 (en) * 2007-02-07 2008-12-18 Seldon Technologies, Inc. Methods for the production of aligned carbon nanotubes and nanostructured material containing the same
CN101835609A (zh) * 2007-09-10 2010-09-15 三星电子株式会社 石墨烯片及其制备方法
CN101423209A (zh) * 2007-10-29 2009-05-06 三星电子株式会社 石墨烯片及其制备方法
WO2011046415A2 (ko) * 2009-10-16 2011-04-21 성균관대학교산학협력단 그래핀의 롤투롤 전사 방법, 그에 의한 그래핀 롤, 및 그래핀의 롤투롤 전사 장치
CN102249221A (zh) * 2011-05-23 2011-11-23 长春理工大学 一种条纹宽度可控的激光加热制备单层石墨烯的方法
CN102275858A (zh) * 2011-06-20 2011-12-14 南京航空航天大学 石墨烯-离子交换聚合物电致动器及其制备方法与应用

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Publication number Publication date
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