RU196377U1 - Device for producing structured graphene - Google Patents
Device for producing structured graphene Download PDFInfo
- Publication number
- RU196377U1 RU196377U1 RU2019139948U RU2019139948U RU196377U1 RU 196377 U1 RU196377 U1 RU 196377U1 RU 2019139948 U RU2019139948 U RU 2019139948U RU 2019139948 U RU2019139948 U RU 2019139948U RU 196377 U1 RU196377 U1 RU 196377U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- graphene
- substrate
- catalytic layer
- heating element
- thickness
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
Abstract
Использование: для получения графена в среднесерийном производстве графенсодержащих композитных материалов и логических компонентов приборов наноэлектроники и спинтроники. Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для получения графена содержит вакуумную камеру с системой откачки и контроля давления, нагревательный элемент и источник питания нагревателя, на нагревательном элементе установлена графитовая подложка толщиной от 0,2 мм до 2 мм, на которую нанесен каталитический слой кобальта толщиной от 8 нм до 20 нм. Технический результат: обеспечение возможности улучшения кристаллической структуры и упрощения технологического процесса производства. 1 ил.Usage: to obtain graphene in the medium-series production of graphene-containing composite materials and logical components of nanoelectronics and spintronics devices. The essence of the utility model is that the device for producing graphene contains a vacuum chamber with a pumping and pressure control system, a heating element and a heater power supply, a graphite substrate with a thickness of 0.2 mm to 2 mm, on which a catalytic layer is deposited, is installed on the heating element cobalt thickness from 8 nm to 20 nm. Effect: providing the possibility of improving the crystal structure and simplifying the manufacturing process. 1 ill.
Description
Полезная модель относится к области наноэлектроники и может быть использована для получения графена в среднесерийном производстве графенсодержащих композитных материалов и логических компонентов приборов наноэлектроники и спинтроники.The utility model relates to the field of nanoelectronics and can be used to produce graphene in the medium-series production of graphene-containing composite materials and logical components of nanoelectronics and spintronics devices.
Известно устройство [1] для получения графена, представляющее из себя камеру, в которой происходит восстановление метана под воздействием высоких температур и в присутствии паров воды. Для получения графенового материала в устройстве применяются движущиеся форсунки, равномерно двигающиеся вдоль центрального стержня, на котором и происходит образования графена. Недостатком известного устройства, по сравнению с заявленным, является высокая стоимость получения графена за счет применения более сложного технологического процесса, который включает отжиг в среде метана и использование движущихся форсунок внутри камеры.A device [1] for producing graphene is known, which is a chamber in which methane is reduced under the influence of high temperatures and in the presence of water vapor. To obtain graphene material, the device uses moving nozzles uniformly moving along the central rod, on which graphene is formed. A disadvantage of the known device, compared with the claimed one, is the high cost of producing graphene through the use of a more complex process, which includes annealing in methane and the use of moving nozzles inside the chamber.
Известно устройство [2], в котором формирование графена происходит на металлической подложке (медной или никелевой фольге), помещенной в вакуумную камеру. Устройство работает следующим образом: в камеру напускается газообразный источник углерода (метан) до контролируемого давления, под воздействием импульсного источника переменного тока создается плазма, а сама подложка нагревается до температур 500-900°С. Таким образом, механизм синтеза графена в данном устройстве схож с методом парофазного осаждения. Недостатком известного устройства, по сравнению с заявленным, является высокая стоимость получения графена за счет применения сложного технологического процесса, который включает использование отжига в среде горючих углеродосодержащих газов, высокотемпературного нагрева подложки (до 900°С), а также применение технически сложного оборудования (импульсного источника переменного тока).A device [2] is known in which graphene is formed on a metal substrate (copper or nickel foil) placed in a vacuum chamber. The device operates as follows: a gaseous carbon source (methane) is injected into the chamber to a controlled pressure, plasma is created under the influence of a pulsed AC source, and the substrate itself is heated to temperatures of 500-900 ° C. Thus, the mechanism of graphene synthesis in this device is similar to the vapor deposition method. A disadvantage of the known device, compared with the claimed one, is the high cost of producing graphene due to the use of a complex technological process, which includes the use of annealing in an environment of combustible carbon-containing gases, high-temperature heating of the substrate (up to 900 ° C), as well as the use of technically sophisticated equipment (pulse source alternating current).
Наиболее близкой к заявленному устройству является установка рулонного типа для синтеза графена [3]. В данной установке синтез графена осуществляется внутри вакуумной камеры на металлической подложке, выполненной в виде ленты с перфорированными краями. В камере над подложкой закреплено сопло, через которое подается углеродосодержащий газ, а также в непосредственной близости от него расположен нагреватель подложки с источником инфракрасного излучения. По краям рабочей области расположены зоны охлаждения, для того, чтобы уменьшить размер участков градиента температуры, в которых не соблюдаются оптимальные условия для синтеза графена. Особенность данной установки заключается в получении графена с малым количеством дефектов.Closest to the claimed device is the installation of the roll type for the synthesis of graphene [3]. In this setup, the synthesis of graphene is carried out inside a vacuum chamber on a metal substrate made in the form of a tape with perforated edges. A nozzle is fixed in the chamber above the substrate, through which carbon-containing gas is supplied, and also in the immediate vicinity of it there is a substrate heater with an infrared radiation source. Cooling zones are located at the edges of the working area in order to reduce the size of the sections of the temperature gradient, in which the optimal conditions for the synthesis of graphene are not observed. A feature of this setup is the production of graphene with a small number of defects.
Недостатком известного устройства является применение сложного технологического процесса, который включает использование горючих углеродосодержащих газов, а также высокотемпературного нагрева подложки (до 1050°С) в зоне синтеза.A disadvantage of the known device is the use of a complex technological process, which includes the use of combustible carbon-containing gases, as well as high-temperature heating of the substrate (up to 1050 ° C) in the synthesis zone.
Заявленная полезная модель свободна от этих недостатков.The claimed utility model is free from these disadvantages.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является увеличение транспортных характеристик (подвижности носителей заряда) логических компонентов приборов наноэлектроники и спинтроники за счет улучшения кристаллической структуры на единице площади (итоговое качество кристаллической структуры определяется количеством разноориентированных доменов графена на единице площади) получаемого графена, а также упрощения технологического процесса синтеза графена за счет использования графитовых подложек с нанесенным на них каталитическим слоем кобальта, что позволяет получать графен при температурах нагрева подложки не более 500°С.The technical result of the claimed utility model is to increase the transport characteristics (mobility of charge carriers) of the logical components of nanoelectronics and spintronics devices by improving the crystal structure per unit area (the final quality of the crystal structure is determined by the number of differently oriented graphene domains per unit area) of the obtained graphene, as well as simplifying the process synthesis of graphene through the use of graphite substrates coated with catalytic nical layer of cobalt, which allows to obtain graphene substrate heating at temperatures not exceeding 500 ° C.
Указанный технический результат достигается за счет использования графитовой подложки с нанесенным на нее слоем каталитического металла, которым в данном случае является кобальт, с рассчитанной оптимальной толщиной каталитического слоя (от 8 до 20 нм), наносимого на углеродную подложку.The specified technical result is achieved through the use of a graphite substrate with a layer of catalytic metal deposited on it, which in this case is cobalt, with the calculated optimal thickness of the catalytic layer (from 8 to 20 nm) deposited on the carbon substrate.
Технический результат, достигаемый заявленным устройством получения структурированного графена, состоит в следующем:The technical result achieved by the claimed device for producing structured graphene is as follows:
- Увеличение подвижности носителей заряда в получаемом графене за счет уменьшения числа разнонаправленных доменов графена на микромасштабе, в следствие использования каталитического слоя кобальта с оптимальной толщиной (от 8 до 20 нм).- An increase in the mobility of charge carriers in the resulting graphene due to a decrease in the number of multidirectional graphene domains at the microscale, due to the use of a catalytic cobalt layer with an optimal thickness (from 8 to 20 nm).
- Упрощение технологического процесса достигается за счет использования иного физического принципа получения графена (проникновения атомов углерода через каталитический слой кобальта от углеродосодержащей подложки), а также за счет использования невысоких (не более 500°С) температур.- The simplification of the process is achieved through the use of a different physical principle for producing graphene (penetration of carbon atoms through a catalytic layer of cobalt from a carbon-containing substrate), as well as through the use of low (not more than 500 ° C) temperatures.
Сущность полезной модели поясняется Фиг. The essence of the utility model is illustrated in FIG.
На Фиг. приведена схема заявленной полезной модели: в вакуумную камеру 1 с системой откачки и контроля давления 2 помещен нагревательный элемент 3, подсоединенный к источнику питания 4. На нагревательном элементе закреплена графитовая подложка 5 с нанесенным на ее поверхность каталитическим слоем кобальта 6.In FIG. A diagram of the claimed utility model is shown: a
Устройство работает следующим образом. После получения в вакуумной камере 1 вакуума от 10-8 до 10-10 мбар при помощи системы откачки и контроля вакуума 2, с источника питания 4 подается ток на нагревательный элемент 3 с закрепленной на его поверхности графитовой подложкой 5, на которую предварительно нанесен каталитический слой кобальта 6. В это время на поверхности каталитического слоя 6, нагретого вместе с подложкой 5 до определенной температуры (в диапазоне от 300 до 500°С), происходит формирование упорядоченного графена за счет проникновения атомов углерода с подложки 5 сквозь кобальтовый слой 6 на его поверхность. По прошествии 15-20 минут источник питания 4 выключается и нагреватель 3 охлаждается до комнатной температуры. Полученный в результате работы устройства графен, сформировавшийся на поверхности каталитического слоя 6, снимается с подложки 5 химическим методом (растворением кобальтового слоя 6 в кислоте) или используется вместе с подложкой 5 и слоем кобальта 6.The device operates as follows. After receiving a vacuum of 10 -8 to 10 -10 mbar in the
Заявленная полезная модель была апробирована в ресурсном центре «Физические методы исследования поверхности» Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ).The claimed utility model was tested in the resource center “Physical Methods of Surface Research” of the Science Park of St. Petersburg State University (SPbU).
Конкретные примеры реализации приведены ниже:Specific implementation examples are provided below:
Пример 1.Example 1
Устройство для получения структурированного графена, в котором в качестве вакуумной камеры 1 использовалась подготовительная камера модуля фотоэлектронной спектроскопии научно-исследовательской станции «платформа Нанолаб» с имеющейся системой откачки и контроля вакуума 2. В течение всего времени вакуум поддерживался на уровне 10-8-10-10 мбар. В качестве нагревателя 3 использовалось устройство нагрева образцов данного модуля, на котором сверху была размещена подложка 5, выполненная из высокоориентированного пиролитического графита в виде прямоугольной пластины размером 15*15*2 мм. На подложку 5 предварительно методом физического осаждения был нанесен каталитический слой 6, состоящий из кобальта и имеющий толщину 20 нм.A device for producing structured graphene, in which the preparatory chamber of the photoelectron spectroscopy module of the Nanolab platform research station was used as the
Работа устройства апробировалась следующим образом. Нагреватель 3 подключался к регулируемому источнику питания 4 и нагревался до температуры 350°С. Через 15 минут источник питания нагревателя 4 выключался, и нагреватель 3 с закрепленной на нем подложкой 5 с нанесенным кобальтовым слоем 6 охлаждался естественным образом до комнатной температуры.The operation of the device was tested as follows. The
После окончания работы устройства, с нагревательного элемента 3 снималась графитовая подложка 5 (с нанесенным каталитическим слоем 6 и сформировавшимся на поверхности графеном) и помещалась в аналитическую камеру фотоэлектронного спектрометра. По результатам анализа, проведенного методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и дифракции медленных электронов, было подтверждено формирование на поверхности каталитического слоя 6 однослойного структурированного графена.After the operation of the device, a graphite substrate 5 (with a deposited
Пример 2.Example 2
Устройство для получения структурированного графена, отличающееся от примера 1 тем, что в качестве графитовой подложки 5 использовался монокристаллический графит размером 10*8*0,2 мм, а толщина каталитического слоя кобальта 6 составляла 14 нм.A device for producing structured graphene, which differs from Example 1 in that monocrystalline graphite 10 * 8 * 0.2 mm in size was used as the
Работа устройства апробировалась в той же последовательности действий, как и в приведенном выше примере 1. После достижения в вакуумной камере 1 вакуума порядка 1*10-9 мбар, нагреватель 3 подключался к источнику питания 4 и нагревал подложку 5 (с нанесенным каталитическим слоем 6) до температуры 450°С. Через 15 минут после достижения заданной температуры источник питания нагревателя 4 выключался и устройство охлаждалось до комнатной температуры.The operation of the device was tested in the same sequence of steps as in the above example 1. After reaching a vacuum of about 1 * 10 -9 mbar in a
После этого подложка 5 снималась с нагревателя 3, и проводился анализ поверхности каталитического слоя 6. По результатам анализа, проведенного методом дифракции медленных электронов, было подтверждено формирование на поверхности каталитического слоя 6 структурированного графена, все домены которого были ориентированы в одном направлении.After that, the
Пример 3.Example 3
Устройство для получения структурированного графена, отличающееся от примера 1 тем, что графитовая подложка 5 была выполнена в виде высокоориентированного пиролитического графита в виде прямоугольной пластины размером 20*20*1 мм, а толщина каталитического слоя кобальта 6 составляла 8 нм.A device for producing structured graphene, characterized in that the
Работа устройства апробировалась в той же последовательности действий, как и в приведенных выше примерах 1 и 2. После достижения в вакуумной камере 1 вакуума порядка 1*10-9 мбар, нагреватель 3 подключался к источнику питания 4 и нагревал подложку 5 (с нанесенным каталитическим слоем 6) до температуры 400°С. Через 20 минут после достижения заданной температуры источник питания нагревателя 4 выключался, и устройство охлаждалось до комнатной температуры.The operation of the device was tested in the same sequence of steps as in the above examples 1 and 2. After reaching a vacuum of about 1 * 10 -9 mbar in the
После этого подложка 5 снималась с нагревателя, и проводился анализ поверхности каталитического слоя 6. По результатам анализа, проведенного методом дифракции медленных электронов, было подтверждено формирование на поверхности каталитического слоя 6 структурированного графена.After that, the
Как видно из приведенных примеров, заявленное устройство позволяет получить графен с упорядоченной структурой (т.е. малым количеством доменов на единицу площади) за счет реализации более простого технологического процесса. Поскольку источником атомов углерода для формирования графена служит графитовая подложка с нанесенным каталитическим слоем кобальта, то это исключает необходимость в использовании углеродсодержащих газов и высоких температур. Графен, полученный с использованием заявленной полезной модели, обладает высокой подвижностью носителей заряда за счет малого количества доменов на единицу площади. Такой графен можно использовать в качестве базового компонента для производства логических элементов наноэлектроники и спинтроники (таких как графеновый спиновый фильтр, полевой транзистор).As can be seen from the above examples, the claimed device allows to obtain graphene with an ordered structure (i.e., a small number of domains per unit area) due to the implementation of a simpler technological process. Since the source of carbon atoms for the formation of graphene is a graphite substrate with a supported catalytic layer of cobalt, this eliminates the need for carbon-containing gases and high temperatures. Graphene obtained using the claimed utility model has a high mobility of charge carriers due to the small number of domains per unit area. Such graphene can be used as a basic component for the production of logic elements of nanoelectronics and spintronics (such as graphene spin filter, field effect transistor).
Список использованной литературыList of references
1. Патент CN 108383113.1. Patent CN 108383113.
2. Патент JP 5959990.2. JP 5959990.
3. Патент RU 2688839 (прототип).3. Patent RU 2688839 (prototype).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019139948U RU196377U1 (en) | 2019-12-05 | 2019-12-05 | Device for producing structured graphene |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019139948U RU196377U1 (en) | 2019-12-05 | 2019-12-05 | Device for producing structured graphene |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU196377U1 true RU196377U1 (en) | 2020-02-26 |
Family
ID=69630742
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019139948U RU196377U1 (en) | 2019-12-05 | 2019-12-05 | Device for producing structured graphene |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU196377U1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011051801A (en) * | 2009-08-31 | 2011-03-17 | National Institute For Materials Science | Method for producing graphene film |
US20130001515A1 (en) * | 2011-07-01 | 2013-01-03 | Academia Sinica | Direct growth of graphene on substrates |
RU2499850C1 (en) * | 2012-06-04 | 2013-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова" | Production method of metal-containing carbon nanomaterial |
RU2576298C2 (en) * | 2013-12-13 | 2016-02-27 | Владимир Ильич Мазин | Method for producing functionalised graphene and functionalised graphene |
CN104562195B (en) * | 2013-10-21 | 2017-06-06 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | The growing method of Graphene |
-
2019
- 2019-12-05 RU RU2019139948U patent/RU196377U1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011051801A (en) * | 2009-08-31 | 2011-03-17 | National Institute For Materials Science | Method for producing graphene film |
US20130001515A1 (en) * | 2011-07-01 | 2013-01-03 | Academia Sinica | Direct growth of graphene on substrates |
RU2499850C1 (en) * | 2012-06-04 | 2013-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова" | Production method of metal-containing carbon nanomaterial |
CN104562195B (en) * | 2013-10-21 | 2017-06-06 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | The growing method of Graphene |
RU2576298C2 (en) * | 2013-12-13 | 2016-02-27 | Владимир Ильич Мазин | Method for producing functionalised graphene and functionalised graphene |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Rybin et al. | Efficient nitrogen doping of graphene by plasma treatment | |
CN102229426B (en) | Preparation method of equiangular hexagonal graphene arranged in single layer sequentially | |
US8388924B2 (en) | Method for growth of high quality graphene films | |
US20130243969A1 (en) | Chemical vapor deposition of graphene on dielectrics | |
JP7039051B2 (en) | An improved method and system for producing graphene on a copper substrate by chemical vapor deposition (AP-CVD) at atmospheric pressure. | |
Soleimanpour et al. | The effect of UV irradiation on nanocrysatlline zinc oxide thin films related to gas sensing characteristics | |
Carraro et al. | Supported F-doped α-Fe2O3 nanomaterials: Synthesis, characterization and photo-assisted H2 production | |
Pan et al. | CVD synthesis of Cu 2 O films for catalytic application | |
Zhai et al. | Evolution of structural and electrical properties of carbon films from amorphous carbon to nanocrystalline graphene on quartz glass by HFCVD | |
Prasadam et al. | Study of VO2 thin film synthesis by atomic layer deposition | |
CN103303910A (en) | Method for preparing graphene and graphene prepared thereby | |
CN108441948B (en) | Preparation method of wafer-level graphene micro-nano single crystal array | |
CN102674335A (en) | Method for preparing graphene based on free radical reaction at low temperature | |
Safron et al. | Experimentally determined model of atmospheric pressure CVD of graphene on Cu | |
KR20140067956A (en) | Plasma annealing method and device for same | |
KR101252333B1 (en) | A controllable fabrication method of graphene sheets using the thermal plasma chemical vapor deposition method | |
Kondrashov et al. | Controlled graphene synthesis from solid carbon sources | |
RU196377U1 (en) | Device for producing structured graphene | |
WO2013038130A1 (en) | Method for producing graphene | |
Struzzi et al. | High-quality graphene on single crystal Ir (1 1 1) films on Si (1 1 1) wafers: Synthesis and multi-spectroscopic characterization | |
CN103787335B (en) | A kind of preparation method of needlepoint type silicon nanowires | |
Rusakov et al. | Chemical vapor deposition of graphene on copper foils | |
CN105621388A (en) | Single-walled carbon nanotube horizontal array and preparation method and application thereof | |
Maruyama et al. | Initial stage of carbon nanotube formation process by surface decomposition of SiC: STM and NEXAFS study | |
Qin et al. | Self-assembly of an oligo (p-phenylenevinylene)-based molecule on an HOPG surface: insights from multi-scale simulation and STM observation |