本發(fā)明涉及利用激光的納米粒子制備裝置，更詳細(xì)地涉及在保持氮?dú)夥諊氖痔紫渲凶钄嗤ㄟ^(guò)在反應(yīng)室內(nèi)向原料氣體照射激光束而制備的納米粒子接觸空氣和水分以防止納米粒子氧化的同時(shí)進(jìn)行納米粒子的回收的利用激光的納米粒子制備裝置。

背景技術(shù)：

最近，在納米技術(shù)領(lǐng)域中，對(duì)該領(lǐng)域關(guān)注的企業(yè)正在進(jìn)行密集型投資。該納米技術(shù)作為利用目標(biāo)物質(zhì)的極細(xì)小化所帶來(lái)的特性的技術(shù)，不僅納米粒子的合成非常重要，而且有效地收集作為合成的細(xì)小粒子的納米粒子的技術(shù)也非常重要。

這種應(yīng)用于尖端技術(shù)等的納米材料的制備方法包括激光加熱法、液相合成法、固相合成法等。液相合成法由于基本上通過(guò)分批工藝進(jìn)行合成且必然伴隨與其它各種溶劑和異物的接觸而含有雜質(zhì)，因此具有難以合成高純度的納米粒子的問(wèn)題，而激光加熱法完全沒(méi)有與雜質(zhì)的接觸，因此具有能夠連續(xù)地制備納米粒子的優(yōu)點(diǎn)。

查看關(guān)于利用激光的納米粒子制備裝置的現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)，在作為發(fā)表在韓國(guó)材料學(xué)術(shù)期刊上的論文的《利用CO₂激光熱分解法合成硅納米粒子時(shí)H₂流量對(duì)納米粒子特性的影響》[Kim Seong-beom等，韓國(guó)材料學(xué)術(shù)期刊，23(2013)5]中的CO₂激光熱分解法的納米粒子合成裝置具有如圖1所示的一般結(jié)構(gòu)，即由激光照射部10、反應(yīng)室20、收集部30、真空泵40和注入管55構(gòu)成，所述注入管55具有用于向所述反應(yīng)室20內(nèi)供給諸如甲烷硅(SiH₄)等的原料氣體的原料氣體供給噴嘴50a和用于向所述反應(yīng)室20內(nèi)供給諸如氦氣(He)等的載體氣體的載體氣體供給噴嘴50b。

此外，如圖2所示，在韓國(guó)授權(quán)專(zhuān)利公報(bào)第10-1291966號(hào)(2013年7月25日授權(quán))“硅類(lèi)納米粒子收集系統(tǒng)和用于其的納米粒子收集/儲(chǔ)存容器”中公開(kāi)如下的納米粒子收集/儲(chǔ)存容器10：在納米粒子收集/儲(chǔ)存容器10的一側(cè)設(shè)置使納米粒子與載體氣體一起流入的納米粒子流入部11，在外部制備的納米粒子與諸如氬氣的載體氣體通過(guò)所述納米粒子流入部11流入所述納米粒子收集/儲(chǔ)存容器10內(nèi)，能夠通過(guò)濾網(wǎng)13防止通過(guò)所述納米粒子流入部11而流入的納米粒子排出到外部。

此外，由于使用利用激光的納米粒子制備裝置制備的硅納米粒子或鍺納米粒子的比表面積非常大且反應(yīng)性?xún)?yōu)異而容易進(jìn)行氧化反應(yīng)，因此為了防止這一點(diǎn)而需要小心處理。

因此，上述現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的納米粒子制備裝置將所制備的納米粒子收集在沒(méi)有恰當(dāng)?shù)馗綦x空氣等的容納空間中，從而擔(dān)心發(fā)生所收集的納米粒子容易與空氣接觸而變質(zhì)的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題

作為用于解決上述問(wèn)題的方案，本發(fā)明提供一種利用激光的納米粒子制備裝置，其特征在于，在保持氮?dú)夥諊氖痔紫渲凶钄嗤ㄟ^(guò)在反應(yīng)室內(nèi)向原料氣體照射激光束而制備的納米粒子接觸空氣和水分以防止納米粒子氧化的同時(shí)，進(jìn)行納米粒子的回收。

此外，本發(fā)明還提供一種利用激光的納米粒子制備裝置，其特征在于，安裝在收集箱內(nèi)部的、用于收集納米粒子的收集器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且能夠有效地收集納米粒子。

技術(shù)方案

本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種利用激光的納米粒子制備裝置，其特征在于，包括：激光照射部10；反應(yīng)室20，所述反應(yīng)室20利用由所述激光照射部10照射的激光束使流入的原料氣體進(jìn)行反應(yīng)以制備納米粒子；以及手套箱30，所述手套箱30回收從所述反應(yīng)室20流入的納米粒子。

而且，所述納米粒子制備裝置的特征在于，在所述手套箱30的內(nèi)部設(shè)置有收集箱60，并在所述收集箱60的內(nèi)部安裝有連接至使納米粒子和載體氣體流入的輸送管的收集器70，其中，所述收集器70借助連接至收集箱60的真空泵40的抽吸，在收集器70內(nèi)部利用過(guò)濾紙74對(duì)納米粒子進(jìn)行過(guò)濾并收集所述納米粒子。

此外，所述納米粒子制備裝置的特征在于，在收集箱60內(nèi)安裝多個(gè)收集器70，多個(gè)輸送管90分別連接至所述收集器70。

有益效果

本發(fā)明具有如下效果：在保持氮?dú)夥諊氖痔紫渲凶钄嗤ㄟ^(guò)在反應(yīng)室內(nèi)向原料氣體照射激光束而制備的納米粒子接觸空氣和水分以防止納米粒子氧化的同時(shí)，進(jìn)行納米粒子的回收，此外，用于分離納米粒子的收集器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且有效地收集納米粒子。

附圖說(shuō)明

圖1是示出現(xiàn)有的利用激光的納米粒子制備裝置的一般結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖2是在現(xiàn)有的納米粒子制備裝置中使用的納米粒子收集/儲(chǔ)存容器的立體圖。

圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的利用激光的納米粒子制備裝置的示意性結(jié)構(gòu)的模擬圖。

圖4是示出收集器安裝在設(shè)置在根據(jù)本發(fā)明的納米粒子制備裝置的手套箱內(nèi)的收集箱內(nèi)的狀態(tài)的圖。

圖5是示出多個(gè)收集器安裝在圖4的收集箱內(nèi)的狀態(tài)的圖。

圖6是示出用于將根據(jù)本發(fā)明制備的納米粒子供給到收集器的管道線(xiàn)路的圖。

圖7是示出組裝圖4的收集器的過(guò)程的圖。

圖8是拍攝圖4的收集器的照片。

圖9是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例回收的硅納米粒子的形狀的透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope，TEM)照片。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的利用激光的納米粒子制備裝置，簡(jiǎn)略說(shuō)明或省略詳細(xì)的說(shuō)明內(nèi)容中本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠容易地理解的部分的說(shuō)明內(nèi)容，且以與本發(fā)明關(guān)聯(lián)的部分為中心進(jìn)行圖示并說(shuō)明。

如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的利用激光的納米粒子制備裝置的特征在于，包括：激光照射部10；反應(yīng)室20，所述反應(yīng)室20利用由所述激光照射部10照射的激光束使流入的原料氣體進(jìn)行反應(yīng)以制備納米粒子；以及手套箱30，所述手套箱30回收從所述反應(yīng)室20流入的納米粒子。

本發(fā)明的基本原理的特征在于，在利用激光制備納米粒子時(shí)，由于硅納米粒子或鍺納米粒子的比表面積非常大且反應(yīng)性?xún)?yōu)異而容易被氧化，因此為了阻斷納米粒子與大氣中的氧氣和水等的反應(yīng)，利用激光的納米粒子制備裝置被構(gòu)造成內(nèi)部空間與保持氮?dú)夥諊氖痔紫?0連通。

根據(jù)本發(fā)明的納米粒子制備裝置的激光照射部10起到利用從激光發(fā)生器生成的激光照射流入反應(yīng)室20內(nèi)的原料氣體以使原料氣體熱分解的作用。

而且，所述激光束由CO₂激光發(fā)生器生成并照射，激光束的波長(zhǎng)根據(jù)用于制備納米粒子的原料氣體的種類(lèi)而不同，但通常以波長(zhǎng)為10.6μm的連續(xù)波的線(xiàn)光束(Line Beam)形式進(jìn)行照射。

在本發(fā)明中使用的CO₂激光發(fā)生器被產(chǎn)業(yè)化且出現(xiàn)各種高功率的激光器，與最大功率為60W、120W、300W、600W、1000W、2000W、3000W、4000W、6000W等的規(guī)模無(wú)關(guān)，可以根據(jù)想要生產(chǎn)的納米粒子的量而進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。

而且，在反應(yīng)室20中，若通過(guò)注入管55將儲(chǔ)存在氣體儲(chǔ)存瓶50中的諸如甲烷硅(SiH₄)或四甲基鍺(Ge(CH₃)₄)等的原料氣體與諸如氮?dú)饣蚝獾鹊妮d體氣體注入反應(yīng)室20的內(nèi)部，則從激光照射部10照射的激光使原料氣體熱分解以使原料氣體納米粒子化。

在本發(fā)明中，反應(yīng)室20根據(jù)所使用的原料氣體而不同，但是通常優(yōu)選內(nèi)部壓力為100托至500托的反應(yīng)室20。在反應(yīng)室的內(nèi)部壓力小于上述限定范圍時(shí)，具有原料氣體的分解過(guò)程反應(yīng)不充分從而納米粒子的生產(chǎn)率降低的憂(yōu)慮，在反應(yīng)室的內(nèi)部壓力超過(guò)上述限定范圍時(shí)，納米粒子會(huì)凝結(jié)在一起，從而引起納米粒子的質(zhì)量降低的問(wèn)題。

在本發(fā)明中，如圖3所示，在通過(guò)注入管55將儲(chǔ)存在氣體儲(chǔ)存瓶50中的原料氣體與載體氣體注入反應(yīng)室20內(nèi)的同時(shí)，使由激光照射部10向原料氣體照射的CO₂激光的波長(zhǎng)與諸如甲烷硅(SiH₄)或四甲基鍺(Ge(CH₃)₄)等的原料氣體的吸收截面積相符，從而使原料分子容易地吸收CO₂激光，激活諸如甲烷硅或四甲基鍺等的分子，通過(guò)諸如甲烷硅或四甲基鍺等的分子的強(qiáng)烈振動(dòng)甲烷硅分子的Si-H鍵或四甲基鍺分子的Ge-CH₃鍵斷開(kāi)，從而將甲烷硅分子或四甲基鍺分子分別分解為硅自由基或鍺自由基的形式。通過(guò)均勻成核(homogeneous nucleation)將如此生成的硅自由基或鍺自由基形成為硅納米粒子核(nuclei)或鍺納米粒子核，在硅納米粒子核(nuclei)或鍺納米粒子核與周?chē)墓枳杂苫蜴N自由基鍵合而逐漸生長(zhǎng)的同時(shí)制備成納米粒子(Nanoparticles,以下稱(chēng)為“NPs”)。

因此，硅自由基或鍺自由基的周?chē)h(huán)境、硅納米粒子核或鍺納米粒子核能夠停留在反應(yīng)部中的停留時(shí)間等是控制硅納米粒子(Si-NPs)或鍺納米粒子(Ge-NPs)的大小和特性的重要因素。

應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的納米粒子制備裝置的原料氣體可以使用能夠根據(jù)通過(guò)激光而施加的能量使原料氣體分解、反應(yīng)并生成納米粒子的所有材料作為所述納米粒子的原料物質(zhì)，具體包括選自硅化合物、鍺化合物、銦化合物、鎵化合物中的至少一者。

而且，所述載體氣體可以選擇并使用氮?dú)?、氬氣、氦氣中的至少一種。

在上文具體說(shuō)明了用于制備根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的納米粒子的原料氣體和載體氣體，但并不一定僅限于上文列舉的化合物的種類(lèi)，可以使用能夠借助激光的熱而分解的所有種類(lèi)的化合物。

此外，如圖3和圖4所示，根據(jù)本發(fā)明的手套箱30的內(nèi)部設(shè)置有收集箱60，在所述收集箱60的內(nèi)部安裝有連接至使納米粒子和載體氣體流入的輸送管的收集器70，所述收集器70借助真空泵40的通過(guò)連接至收集箱60的抽吸管45的抽吸，通過(guò)過(guò)濾紙將納米粒子過(guò)濾并將納米粒子收集在收集器70內(nèi)部。

此外，在所述收集器70中，如圖7(a)所示，上蓋70a和下蓋70b通過(guò)多個(gè)網(wǎng)架72而結(jié)合為一體，如圖7(b)所示，在所述多個(gè)網(wǎng)架72的外部卷繞過(guò)濾紙74。而且，如圖7(c)所示，作為通過(guò)上部帶75a和下部帶75b使卷繞在網(wǎng)架72的外部的過(guò)濾紙74固定的結(jié)構(gòu)，在所述上蓋70a的中央部形成用于排放載體氣體的排氣部76。

所述網(wǎng)架72起到在通過(guò)真空泵40抽吸載體氣體時(shí)支撐卷繞在網(wǎng)架72的外部的過(guò)濾紙74以使其不損壞的作用，不特別限定網(wǎng)架72的形狀。

可以以圓柱形、四角形等各種結(jié)構(gòu)制造應(yīng)用于本發(fā)明的收集器70，在能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的目的范圍內(nèi)，帶和過(guò)濾紙也可以使用各種材料。

而且，借助真空泵40的抽吸力通過(guò)輸送管90將在反應(yīng)室20內(nèi)生成的納米粒子與載體氣體一起從反應(yīng)室20輸送到手套箱30的內(nèi)部的收集箱60，在輸送到收集箱60內(nèi)部的納米粒子(NPs)和載體氣體的流動(dòng)組合物中僅載體氣體通過(guò)過(guò)濾紙74流過(guò)收集器70的內(nèi)部空間排出到外部，不能通過(guò)過(guò)濾紙74的納米粒子(NPs)聚集在收集箱60的內(nèi)部。

為了防止在本發(fā)明中回收的納米粒子與氧氣或水分等接觸而氧化，在手套箱30的內(nèi)部保持氮?dú)夥諊?/p>

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的具有上述技術(shù)結(jié)構(gòu)的利用激光的納米粒子制備裝置的激光照射部10的激光照射條件、反應(yīng)室20的反應(yīng)條件等都由控制器80自動(dòng)控制。

此外，如圖5和圖6所示，根據(jù)需要，在根據(jù)本發(fā)明的納米粒子制備裝置的收集箱60內(nèi)安裝多個(gè)收集器70a、70b、70c、79d、70e，多個(gè)輸送管分別連接至所述收集器70，收集器的安裝數(shù)量根據(jù)納米粒子制備裝置的規(guī)?；蚣{米粒子的制備量而進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，此外，如圖6所示，也可以調(diào)節(jié)安裝至各輸送管的閥90a、90b、90c、90d、90e，從而獨(dú)立地將納米粒子收集在各收集器70a、70b、70c、79d、70e中。作為參考，圖6(a)示出在僅閥90b打開(kāi)的狀態(tài)下使納米粒子(NPs)和載體氣體通過(guò)的狀態(tài)的圖，圖6(b)示出在閥90b和閥90c同時(shí)打開(kāi)的狀態(tài)下使納米粒子(NPs)和載體氣體通過(guò)的狀態(tài)的圖。

作為參考，作為本發(fā)明的附圖的圖7是示出組裝圖4的收集器的過(guò)程的圖，圖8是拍攝圖4的收集器的照片。

以下，具體說(shuō)明關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的利用激光的納米粒子制備裝置的作用，本發(fā)明的技術(shù)結(jié)構(gòu)不一定僅限于下面的說(shuō)明。

以下，作為在本發(fā)明中使用的單位的每分鐘的標(biāo)準(zhǔn)立方厘米(Standard Cubic Centimeters Per Minute，sccm)表示流量單位。

作為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，通過(guò)原料氣體供給噴嘴50a將作為儲(chǔ)存在氣體儲(chǔ)存瓶50中的原料氣體的甲烷硅(SiH₄)25sccm和作為載體氣體的氦氣(He)100sccm供給到內(nèi)部壓力為100托的反應(yīng)室20內(nèi)，同時(shí)通過(guò)激光照射部10將從CO₂激光發(fā)生器生成的激光束以波長(zhǎng)為10.6μm的連續(xù)波的線(xiàn)光束(Line Beam)形式照射1小時(shí)，以激活甲烷硅(SiH₄)分子，通過(guò)甲烷硅(SiH₄)分子的強(qiáng)烈的振動(dòng)使甲烷硅(SiH₄)分子的Si-H鍵斷開(kāi)而生成的硅自由基通過(guò)均勻成核而形成硅納米粒子核(nuclei)，在該硅納米粒子核與周?chē)墓枳杂苫I合并逐漸生長(zhǎng)的同時(shí)制備成納米粒子。

通過(guò)真空泵40的抽吸而在收集器70中回收在所述反應(yīng)室20內(nèi)生成的硅納米粒子(Si-NPs)，放置在包裝容器中并進(jìn)行真空包裝。

圖9是通過(guò)上述實(shí)施例的方法制備的硅納米粒子(Si-NPs)的TEM照片(圖9a)和高分辨率TEM照片(圖9b)。可知根據(jù)實(shí)施例制備并收集在收集器中的硅納米粒子具有球形的獨(dú)立的納米粒子形狀，且具有很好地觀(guān)察到原子晶格的圖案的結(jié)晶性。

上文描述了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的利用激光的納米粒子制備裝置并根據(jù)描述示出了附圖，但這僅用于舉例說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠理解，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)，可以進(jìn)行各種變化和變更。

實(shí)施方式

本發(fā)明的用于實(shí)施發(fā)明的方式為一種利用激光的納米粒子制備裝置，其特征在于，包括：激光照射部10；反應(yīng)室20，所述反應(yīng)室20利用由所述激光照射部10照射的激光束使流入的原料氣體進(jìn)行反應(yīng)以制備納米粒子；以及手套箱30，所述手套箱30回收從所述反應(yīng)室20流入的納米粒子。

而且，所述納米粒子制備裝置的特征在于，在所述手套箱30的內(nèi)部設(shè)置有收集箱60，并在所述收集箱60的內(nèi)部安裝有連接至使納米粒子和載體氣體流入的輸送管的收集器70，其中，所述收集器70借助連接至收集箱60的真空泵40的抽吸，在收集器70內(nèi)部利用過(guò)濾紙74對(duì)納米粒子進(jìn)行過(guò)濾并收集所述納米粒子。

此外，所述納米粒子制備裝置的特征在于，在收集箱60內(nèi)安裝有多個(gè)收集器70，多個(gè)輸送管90分別連接至所述收集器70。

工業(yè)適用性

本發(fā)明在保持氮?dú)夥諊氖痔紫渲凶钄嗤ㄟ^(guò)在反應(yīng)室內(nèi)向原料氣體照射激光束而制備的納米粒子接觸空氣和水分以防止納米粒子氧化的同時(shí)進(jìn)行納米粒子的回收，此外，用于分離納米粒子的收集器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且有效地收集納米粒子，因此預(yù)計(jì)將在工業(yè)上被廣泛使用。