專利名稱：碳納米管生長裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳納米管生長裝置及方法，尤其是關(guān)于利用化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行碳納米管生長的碳納米管生長裝置及方法。
背景技術(shù)：
碳納米管是一種新型碳材料，由日本研究人員Iijima于1991年發(fā)現(xiàn)，請參見″Helical microtubules of graphitic carbon″，S Iijima，Nature，vol.354，p56(1991)。碳納米管具有極優(yōu)異的導(dǎo)電性能，且其具有幾乎接近理論極限的尖端表面積(尖端表面積愈小，其局部電場愈集中)，所以碳納米管是已知最好的場發(fā)射材料之一，它具有極低的場發(fā)射電壓，可傳輸極大的電流密度，并且電流極穩(wěn)定，因而非常適合做場發(fā)射器件的場發(fā)射材料。
目前，碳納米管的制備方法很多，其大致可分為石墨電極電弧放電沉積法、激光蒸發(fā)沉積法、及化學(xué)氣相沉積法等。其中，化學(xué)氣相沉積法因其可應(yīng)用于大表面積的碳納米管生長而成為目前最主要的方法之一。
現(xiàn)有技術(shù)中已揭露一種化學(xué)氣相沉積法—熱化學(xué)氣相沉積法，其是將表面形成有催化劑(如鐵、鈷、鎳、或其合金)的基底置于一石英管中，采用一加熱爐對該石英管內(nèi)的催化劑加熱至高溫(如700～1200攝氏度(℃))；再將CH4、C2H2、C2H4等碳?xì)浠衔锓磻?yīng)氣體通入高溫的石英管中進(jìn)行反應(yīng)，生長出碳納米管。然而，該種熱化學(xué)氣相沉積法的碳納米管生長溫度過高(一般為700～1200℃)，其造成許多應(yīng)用上的阻礙。例如，冷陰極場發(fā)射顯示器用陰極基底一般選用玻璃，該種玻璃的應(yīng)變點(diǎn)(Strain Point)最高為666℃；因此上述熱化學(xué)氣相沉積法就不適合于在該種玻璃上直接生長碳納米管以用于冷陰極場發(fā)射顯示器。
現(xiàn)有技術(shù)中已揭露另一種化學(xué)氣相沉積法—等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法，其是利用一高頻電源(如射頻電源及微波電源)激發(fā)出等離子體來替代熱化學(xué)氣相沉積法使用的加熱爐來加熱催化劑以進(jìn)行碳納米管生長。該種等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法的碳納米管生長溫度可達(dá)600℃以下，其在一定程度上可克服熱化學(xué)氣相沉積法生長碳納米管溫度過高的缺陷。然而利用等離子體激發(fā)對催化劑加熱所需等離子體功率一般需為1～5千瓦特(kW)，其功率較高，造成能耗較大。
有鑒于此，有必要提供一種改進(jìn)的碳納米管生長裝置及方法，其可具有生長溫度較低等特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容下面將以具體實(shí)施例說明一種碳納米管生長裝置及方法，其可具有生長溫度較低等特點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述內(nèi)容，提供一種碳納米管生長裝置，其包括一反應(yīng)腔，其具有一進(jìn)氣口；至少一微流管，其與該進(jìn)氣口相連接，該微流管用于碳納米管生長用碳源氣的預(yù)解離；及一加熱裝置，用以對通過該微流管的碳源氣進(jìn)行加熱解離。
第一實(shí)施例中，所述碳納米管生長裝置可為等離子體輔助化學(xué)氣相沈積碳納米管生長裝置，其進(jìn)一步包括一對相對設(shè)置的電極，其位于該反應(yīng)腔內(nèi)；及一高頻電源，其用于向該電極施加一電壓。
另一實(shí)施例中，所述碳納米管生長裝置可為熱化學(xué)氣相沈積碳納米管生長裝置，其進(jìn)一步包括一供裝載于該反應(yīng)腔內(nèi)的碳納米管生長用催化劑加熱的加熱裝置。
以及，提供一種碳納米管生長方法，其包括以下步驟將一表面形成有一催化劑層的基底裝載于一反應(yīng)腔內(nèi)；通過至少一被加熱的微流管向一反應(yīng)腔內(nèi)通入預(yù)解離碳源氣；以該預(yù)解離碳源氣為碳源，在該反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行化學(xué)氣相沉積生長碳納米管。
所述碳納米管生長溫度可為300～600攝氏度(℃)；所述化學(xué)氣相沉積法包括熱化學(xué)氣相沉積法及等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法。所述微流管是通過一加熱裝置加熱至600～1200℃。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明實(shí)施例所提供的碳納米管生長裝置及方法，其通過設(shè)置一向反應(yīng)腔提供碳源氣的微流管及供通過該微流管的碳源氣進(jìn)行高溫加熱的加熱裝置，由于微流管具有較小的管徑面積，其將向反應(yīng)腔內(nèi)提供一預(yù)解離的碳源氣，進(jìn)而可有效降低碳納米管生長溫度。若采用等離子體輔助氣相沉積法進(jìn)行碳納米管生長，還可有效降低等離子體功率。

圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例碳納米管生長裝置的示意圖。
圖2是本發(fā)明第二實(shí)施例碳納米管生長裝置的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖將對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
參見圖1，本發(fā)明第一實(shí)施例所提供的碳納米管生長裝置10，用于等離子體輔助化學(xué)氣相沉積生長碳納米管，其包括反應(yīng)腔12，微流管16，及加熱裝置18。
其中，反應(yīng)腔12上部設(shè)置有一進(jìn)氣口128，以供向該反應(yīng)腔12提供一碳納米管生長用碳源。該反應(yīng)腔12下部還設(shè)置有一出氣口129，其可外接一泵浦，用以維持碳納米管生長時該反應(yīng)腔12的腔內(nèi)壓強(qiáng)。
在該反應(yīng)腔12內(nèi)，還設(shè)置有一第一電極120及與該第一電極120相對設(shè)置的第二電極122；進(jìn)氣口128以設(shè)置于該第一電極120與第二電極122之間為佳。在反應(yīng)腔12外部設(shè)有一高頻電源14，該第一電極120及第二電極122與高頻電源14相連接。該高頻電源14可在第一電極120及第二電極122之間施加一高頻電壓，其可為一射頻電源或微波電源。本實(shí)施例中，高頻電源是指其輸出頻率為50千赫茲(kHz)及以上的電源；對于射頻電源，其輸出頻率范圍為50kHz～300兆赫茲(MHz)；對于微波電源，其輸出頻率范圍為300MHz～300千兆赫茲(GHz)。其中，典型的微波電源的輸出頻率為2.45GHz及915MHz；典型的射頻電源的輸出頻率為13.56MHz。
微流管16一端與該進(jìn)氣口128相連接，用于向該反應(yīng)腔12提供一預(yù)解離碳源氣；其另一端與氣體入口121相連接，用以接收由一氣體供給裝置提供的碳源氣，該碳源氣可選用CH4、C2H2、C2H4等碳?xì)浠衔?。本?shí)施例中，設(shè)置有一個微流管16(如圖1所示)，當(dāng)然，也可設(shè)置多個微流管，以增加氣體流量。該微流管的直徑一般為1毫米(mm)及以下；本實(shí)施例優(yōu)選為100～1000微米(μm)。由于微流管16的管徑面積較小，碳納米管生長用碳源氣通過該微流管16時容易受熱而解離，即碳源氣進(jìn)入反應(yīng)腔12之前被預(yù)解離；然后該預(yù)解離的碳源氣進(jìn)入反應(yīng)腔12內(nèi)的第一電極120與第二電極122之間，在第一電極120與第二電極122之間的高頻電場作用下將產(chǎn)生一等離子體126以用于碳納米管生長。
加熱裝置18用于對通過微流管16的碳源氣等氣體進(jìn)行加熱至高溫，一般為600～1200℃。該加熱裝置18可選用現(xiàn)有技術(shù)中熱化學(xué)氣相沉積法生長碳納米管用高溫爐；該高溫爐可環(huán)繞于微流管16，并對其進(jìn)行加熱，由于微流管16的管徑面積較小，該高溫爐可對通過微流管16的碳源氣等氣體進(jìn)行迅速加熱至其熱分解。
本碳納米管生長裝置10，通過微流管16及加熱裝置18對碳源氣進(jìn)行預(yù)解離，其可有效降低反應(yīng)腔12內(nèi)碳納米管生長所需等離子體功率，其可為200～600W(瓦特)。
下面將具體描述本實(shí)施例中碳納米管生長裝置10的工作過程(1)將一基底123置于反應(yīng)腔12內(nèi)的第一電極120與第二電極122之間，或第一電極120上，并對該反應(yīng)腔12抽真空。該第一電極120接地(如圖1所示)，其表面形成有一催化劑層124，該催化劑層124將用作碳納米管生長的觸媒層。該基底123可選用石英、玻璃、硅等材料。該催化劑層124的材質(zhì)可選用現(xiàn)有技術(shù)中常用的鐵、鈷、鎳、或其合金等。
(2)通過一氣體供給裝置(圖未示)經(jīng)由氣體入口121向微流管16提供一碳源氣，并對微流管16加熱，該碳源氣應(yīng)受熱而發(fā)生預(yù)解離。所述碳源氣可為CH4、C2H2、C2H4等碳?xì)浠衔?；?yōu)選的，向微流管16內(nèi)通入碳源氣與氨氣的混合氣體，氨氣的通入可促進(jìn)碳源氣的分解及提高催化劑的成核率，進(jìn)而加速碳納米管的生長。碳源氣的流量控制為20～60標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘(sccm)，若選用通入碳源氣與氨氣的混合氣體，可控制碳源氣與氨氣的流量比為1∶10～1∶2。本實(shí)施例選用碳源氣與氨氣的混合氣體作碳納米管生長用氣體。通過微流管16的混合氣經(jīng)加熱裝置18加熱至高溫(一般為600～1200℃)，由于微流管16的管徑面積較小(一般為1mm及以下，優(yōu)選為100～1000μm)；該混合氣體將在流經(jīng)該微流管16的過程中被預(yù)解離。
(3)開啟高頻電源14，在第一電極120與第二電極122之間施加一高頻電壓以等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行碳納米管生長。本實(shí)施例選用的高頻電源14為微波電源，其輸出頻率設(shè)置為2.45GHz，輸出功率為500W。經(jīng)微流管16預(yù)解離的混合氣體通過反應(yīng)腔12的進(jìn)氣口進(jìn)入第一電極120與第二電極122之間，在高頻電場作用下產(chǎn)生一等離子體126，進(jìn)行等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法生長碳納米管，基底123的具有催化劑層124的位置將生長出碳納米管。所述等離子體126的產(chǎn)生區(qū)域覆蓋催化劑層124。在碳納米管之生長過程中，通過出氣口129外接一泵浦(圖未示)進(jìn)行抽氣，以保持反應(yīng)腔12內(nèi)的壓強(qiáng)為10～100Torr(托)；反應(yīng)腔12內(nèi)的溫度范圍為300～550℃。
(4)待碳納米管生長30秒～30分鐘后，關(guān)閉高頻電源14；碳納米管的生長時間可根據(jù)所需碳納米管的長度確定。碳納米管停止生長后，先停止供應(yīng)碳源氣，再待反應(yīng)腔內(nèi)溫度達(dá)到室溫后，停止供應(yīng)氨氣。取出基底123，即可獲取所需碳納米管。
第二實(shí)施例參見圖2，本發(fā)明第二實(shí)施例所提供的碳納米管生長裝置20，用于熱化學(xué)氣相沉積生長碳納米管，其包括反應(yīng)腔22，微流管26，及加熱裝置28。
其中，反應(yīng)腔22一端設(shè)置有一進(jìn)氣口228，以供向該反應(yīng)腔22提供一碳納米管生長用碳源。該反應(yīng)腔12下部還設(shè)置有一出氣口229，其可外接一泵浦，用以維持碳納米管生長時該反應(yīng)腔22的腔內(nèi)壓強(qiáng)。
在該反應(yīng)腔22的外部設(shè)置有一加熱裝置24，以供裝載于該反應(yīng)腔22內(nèi)的碳納米管生長用催化劑加熱。該加熱裝置24可選用現(xiàn)有技術(shù)中熱化學(xué)氣相沉積法生長碳納米管用高溫爐；或選用高頻爐，其可僅對導(dǎo)體加熱，有利于在催化劑位置形成明顯溫度梯度，進(jìn)而可利于碳納米管的快速生長。
微流管26一端與該進(jìn)氣口228相連接，用于向該反應(yīng)腔22提供一預(yù)解離碳源氣；其另一端與氣體入口221相連接，用以接收由一氣體供給裝置提供的碳源氣。本實(shí)施例中，設(shè)置有一個微流管26(如圖2所示)，當(dāng)然，也可設(shè)置多個微流管，以增加氣體流量。該微流管的直徑一般為1mm及以下；本實(shí)施例優(yōu)選為100～1000μm。由于微流管26的管徑面積較小，碳納米管生長用碳源氣通過該微流管26時容易受熱而解離，即碳源氣進(jìn)入反應(yīng)腔22之前被預(yù)解離；然后該預(yù)解離的碳源氣進(jìn)入反應(yīng)腔22內(nèi)，在裝載于反應(yīng)腔22內(nèi)的催化劑的催化作用下進(jìn)行碳納米管生長。
加熱裝置28用于對通過微流管26的碳源氣等氣體進(jìn)行加熱至高溫，一般為600～1200℃。該加熱裝置28可選用現(xiàn)有技術(shù)中熱化學(xué)氣相沉積法生長碳納米管用高溫爐；該高溫爐可環(huán)繞于微流管26，并對其進(jìn)行加熱，由于微流管26的管徑面積較小，該高溫爐可對通過微流管26的碳源氣等氣體進(jìn)行迅速加熱至其熱分解。
本碳納米管生長裝置20，通過微流管26及加熱裝置28對碳源氣進(jìn)行預(yù)解離，其可有效降低反應(yīng)腔12內(nèi)熱化學(xué)氣相沉積生長碳納米管所需溫度，其可為300～600℃。
下面將具體描述本實(shí)施例中碳納米管生長裝置20的工作過程(1)將一表面形成有一催化劑層224的基底223置于反應(yīng)腔22內(nèi)，并向反應(yīng)腔22通入保護(hù)氣體(如氦氣、氬氣等惰性氣體)以排除反應(yīng)腔22內(nèi)的空氣。該催化劑層124將用作碳納米管生長的觸媒層，其材質(zhì)可選用現(xiàn)有技術(shù)中常用的鐵、鈷、鎳、或其合金等。該基底223可選用石英、玻璃、硅等材料。
(2)經(jīng)由加熱裝置24加熱催化劑層224至碳納米管生長溫度。該加熱裝置24可為一高溫爐，其將反應(yīng)腔22內(nèi)溫度升至600℃。
(3)通過一氣體供給裝置(圖未示)經(jīng)由氣體入口221向微流管26提供一碳源氣及保護(hù)氣體的混合氣體，并對微流管26加熱，該碳源氣應(yīng)受熱而發(fā)生預(yù)解離；該預(yù)解離碳源氣到達(dá)反應(yīng)腔22內(nèi)的催化劑層224位置處進(jìn)行熱化學(xué)氣相沉積生長碳納米管。在碳納米管生長過程中，保持反應(yīng)腔22內(nèi)的壓強(qiáng)為400～600Torr。所述碳源氣可為CH4、C2H2、C2H4等碳?xì)浠衔?；碳源氣的流量控制?0～60sccm，碳源氣與保護(hù)氣體的流量比為1∶10～1∶2。通過微流管26的混合氣經(jīng)加熱裝置28加熱至高溫(一般為600～1200℃)，由于微流管26的管徑面積較小(一般為1mm及以下，優(yōu)選為100～1000μm)；該混合氣體將在流經(jīng)該微流管26的過程中被預(yù)解離。
另，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可于本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，如適當(dāng)變更微流管的形狀，進(jìn)氣口的位置，第一電極及第二電極的形狀，只要其不偏離本發(fā)明的技術(shù)效果均可。這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管生長裝置，其包括一反應(yīng)腔，其具有一進(jìn)氣口；至少一微流管，其與該進(jìn)氣口相連接，該微流管用于碳納米管生長用碳源氣的預(yù)解離；及一加熱裝置，用以對通過該微流管的碳源氣進(jìn)行加熱解離。
2.如權(quán)利要求1所述的碳納米管生長裝置，其特征在于所述微流管的直徑大小范圍為100～1000微米。
3.如權(quán)利要求1所述的碳納米管生長裝置，其特征在于所述加熱裝置為一高溫爐，其環(huán)繞于該微流管。
4.如權(quán)利要求1所述的碳納米管生長裝置，其特征在于所述反應(yīng)腔設(shè)置有一出氣口，其與一泵浦相連接。
5.如權(quán)利要求1所述的碳納米管生長裝置，其特征在于所述碳納米管生長裝置為一等離子體輔助化學(xué)氣相沈積碳納米管生長裝置，其進(jìn)一步包括一對相對設(shè)置的電極，其位于該反應(yīng)腔內(nèi)；及一高頻電源，其用于向該電極施加一電壓。
6.如權(quán)利要求5所述的碳納米管生長裝置，其特征在于所述高頻電源為微波電源或射頻電源。
7.如權(quán)利要求1所述的碳納米管生長裝置，其特征在于所述碳納米管生長裝置為一熱化學(xué)氣相沈積碳納米管生長裝置，其進(jìn)一步包括另一加熱裝置，用以供裝載于該反應(yīng)腔內(nèi)的碳納米管生長用催化劑加熱。
8.如權(quán)利要求7所述的碳納米管生長裝置，其特征在于所述另一加熱裝置包括高溫爐及高頻爐。
9.一種碳納米管生長方法，其包括以下步驟將一表面形成有一催化劑層的基底裝載于一反應(yīng)腔內(nèi)；通過至少一被加熱的微流管向一反應(yīng)腔內(nèi)提供一預(yù)解離碳源氣；以該預(yù)解離碳源氣為碳源，在該反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行化學(xué)氣相沉積生長碳納米管。
10.如權(quán)利要求9所述的碳納米管生長方法，其特征在于碳納米管的生長溫度為300～600攝氏度。
11.如權(quán)利要求9項(xiàng)所述的碳納米管生長方法，其特征在于所述微流管是通過一高溫爐加熱至600～1200攝氏度。
12.如權(quán)利要求9項(xiàng)所述的碳納米管生長方法，其特征在于所述微流管的直徑大小范圍為100～1000微米。
13.如權(quán)利要求9所述的碳納米管生長方法，其特征在于所述化學(xué)氣相沉積包括熱化學(xué)氣相沉積及等離子體輔助化學(xué)氣相沉積。
14.如權(quán)利要求13所述的碳納米管生長方法，其特征在于所述等離子體輔助化學(xué)氣相沉積的等離子體功率為200～600瓦特。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳納米管生長裝置，其包括一反應(yīng)腔，其具有一進(jìn)氣口；至少一微流管，其與該進(jìn)氣口相連接，該微流管用于碳納米管生長用碳源氣的預(yù)解離；及一加熱裝置，用以對通過該微流管的碳源氣進(jìn)行加熱解離。本發(fā)明通過設(shè)置一向反應(yīng)腔提供碳源氣的微流管及供通過該微流管的碳源氣進(jìn)行高溫加熱的加熱裝置，由于微流管具有較小的管徑面積，其將向反應(yīng)腔內(nèi)提供一解離的碳源氣，進(jìn)而可有效降低碳納米管生長溫度。本發(fā)明還提供一種碳納米管生長方法。
文檔編號C01B31/00GK1923677SQ20051003704
公開日2007年3月7日 申請日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月2日
發(fā)明者張慶州 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司