本實用新型涉及量子點合成的微通道,具體涉及一種具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道。
背景技術(shù):
量子點是一種納米顆粒,其粒徑一般在1~10nm之間,由于電子和空穴被量子限域,連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)變成具有分子特性的分立能級結(jié)構(gòu),受激后可以發(fā)射出熒光?;诹孔有?yīng),量子點在太陽能電池,發(fā)光器件,光學(xué)生物標記等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景??茖W(xué)家已經(jīng)實用新型出許多不同的方法來制造量子點,并預(yù)期這種納米材料在21世紀的納米電子學(xué)上有極大的應(yīng)用潛力。
微通道合成法是量子點水相直接合成法的一種具體操作形式及方案。微通道合成法以其高效的傳熱、傳質(zhì)以及精確的反應(yīng)控制為納米材料的連續(xù)、可控合成提供了可靠的方法,并且在反應(yīng)工藝參數(shù)的高通量篩選、工藝的直接放大等方面體現(xiàn)的獨特的優(yōu)勢。在實際應(yīng)用中,一方面,微通道流道的截面積在平方毫米甚至平方微米級別,外部推動流體的泵需要克服一定的截面阻力和流體粘性;另一方面,由于量子點的合成條件,微通道的內(nèi)部需要提供100℃以上的高溫條件,此條件下反應(yīng)液中部分水的蒸發(fā)造成的微通道內(nèi)部的壓強增大,增大了外部液體進入微通道的阻力,增加了泵的工作難度。另外,微通道環(huán)境下,流體的流動狀態(tài)主要受粘性力的影響,此時,通道壁面施加到流體表面的剪切力使流體流經(jīng)通道時呈拋物線流型,即在通道中心處的流體流速快,而管壁處的流速慢。此時,在通道截面不同徑向位置的流體存在顯著的停留時間分布不均勻現(xiàn)象。并且,停留時間的差異使通道中前驅(qū)體的濃度表現(xiàn)出顯著的非均一性。特別是當(dāng)流體的徑向擴散速率慢于反應(yīng)速率時,通道中將出現(xiàn)明顯的徑向濃度梯度。停留時間以及濃度的分布不均勻?qū)?dǎo)致納米晶的生長尺寸不一致。雖然降低流速可以使通道中流體的停留時間分布接近,但也會造成合成效率的降低。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本實用新型的目的是利用復(fù)合多階毛細結(jié)構(gòu)優(yōu)化量子點合成的微通道,改善微通道的流通性能,提高合成質(zhì)量和效率,同時實現(xiàn)微通道的單向流通功能。
本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。
一種具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道,具有復(fù)合多階的毛細結(jié)構(gòu),同時起到單向傳輸和輔助驅(qū)動的作用;在宏觀上解決微通道反應(yīng)過程中液體流動不暢的問題,輔助外部泵的工作,實現(xiàn)輔助驅(qū)動;同時微通道內(nèi)反應(yīng)液流速均勻,可得到均勻顆粒的量子點。
一種具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道,具有三階毛細結(jié)構(gòu),第一階毛細結(jié)構(gòu)為線型的溝槽微通道;第二階毛細結(jié)構(gòu)為在第一階毛細結(jié)構(gòu)壁面上化學(xué)腐蝕或激光雕刻的尺寸更微小的,且與第一階毛細結(jié)構(gòu)同向的微溝槽微通道;第三階毛細結(jié)構(gòu)為依附在第二階毛細結(jié)構(gòu)上的銅粉燒結(jié)式毛細芯,且銅粉粒徑在沿線型方向上呈梯度分布。
進一步地,所述線型包括直線、曲線或折線。
進一步地,所述第一階毛細結(jié)構(gòu)在線型方向上起引導(dǎo)作用。
進一步地,所述第二階毛細結(jié)構(gòu)在具有毛細作用的同時,為第三階毛細結(jié)構(gòu)提供依附場所,起過渡作用。
進一步地,所述第三階毛細結(jié)構(gòu)形成線型方向上的毛細力梯度,實現(xiàn)單向傳輸效果。
進一步地,所述第一階毛細結(jié)構(gòu)和第二階毛細結(jié)構(gòu)的微通道的截面形狀為對稱V形或?qū)ΨQ梯形。
更進一步地,所述第一階毛細結(jié)構(gòu)的深度為1mm~2mm;其中,V型溝槽的斜邊角度范圍為45°~80°;梯形溝槽上寬為0.9mm~4mm,下寬為1mm~2mm。
更進一步地,所述第二階毛細結(jié)構(gòu)的深度為0.2mm~0.5mm;其中,V型溝槽的斜邊角度范圍為45°~80°;梯形溝槽上寬為0.5mm~1.6mm,下寬為0.4mm~0.8mm。
進一步地,所述第一階毛細結(jié)構(gòu)采用包括機械加工、化學(xué)腐蝕、激光燒結(jié)、激光雕刻或壓印的方法得到。
更進一步地,所述機械加工包括拉削或刨削,利用相應(yīng)仿形的刀具得到相應(yīng)形狀的溝槽。
進一步地,所述第三階毛細結(jié)構(gòu)為將高溫?zé)Y(jié)的不同粒徑的銅粉通過人工或機械方法,按銅粉粒徑大小分層加入,并通過超聲震實。
進一步地,所述第三階毛細結(jié)構(gòu)中,在線型方向上,從入口處至出口處,銅粉尺寸呈由大到小的梯度分布。
更進一步地,在入口處的銅粉粒徑最大,毛細芯結(jié)構(gòu)的間距最大,毛細空隙也最大,毛細力最小;而在出口處的銅粉粒徑最小,毛細芯結(jié)構(gòu)的間距最小,毛細空隙也最小,毛細空隙也最小,毛細力最大;形成毛細力在入口-出口線型方向上逐漸由小到大的梯度分布,在接近出口處的液體受到更大的毛細力而無法逆向流動,實現(xiàn)流入微通道的流體只能沿著入口-出口方向的單向流動功能。
進一步地,所述第三階毛細結(jié)構(gòu)中,銅粉的粒徑大小為200目~1000目,即13μm~75μm。
進一步地,所述具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道具有變截面;入口截面的尺寸最大,銅粉粒徑最大,第一階毛細結(jié)構(gòu)和第二階毛細結(jié)構(gòu)的溝槽尺寸也最大;出口截面的尺寸最小,銅粉粒徑最小,第一階毛細結(jié)構(gòu)和第二階毛細結(jié)構(gòu)的溝槽尺寸也最小;在入口-出口線型方向上,微通道截面和三階毛細結(jié)構(gòu)形成由大到小的梯度尺寸分布。
變截面尺寸的具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道,入口截面的尺寸最大,銅粉粒徑最大,是為了入口處的液體更加容易進入微通道,并且截面的尺寸和銅粉粒徑在通道流通方向上遞減,在出口處達到最小值;在出口處的毛細力最大,使液體單向流動的驅(qū)動力更大。
進一步地,在量子點合成過程中,反應(yīng)液在微通道中流通的速度由毛細力的大小決定,且流通的距離由其流通的距離和反應(yīng)需要的時間決定;由于第三階毛細結(jié)構(gòu)的銅粉燒結(jié)式毛細芯的存在,增大了與反應(yīng)液熱交換的接觸面積,有利于量子點合成的充分進行。
進一步地,所述具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道在量子點合成的過程中,主要利用多階的毛細溝槽及毛細芯產(chǎn)生的毛細吸力,對流入微通道的反應(yīng)液流體進行吸附和引流,減少了反應(yīng)液流入時受到的阻力,并且轉(zhuǎn)化為微通道的主動引流,對工作泵起到輔助驅(qū)動作用,減小了對外部泵的功率需求;且復(fù)合毛細結(jié)構(gòu)極大的利用了毛細力的作用,起到毛細疊加的功效。
將單層具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道采用雙層交錯,得到雙層交錯具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道,第一階毛細結(jié)構(gòu)的溝槽相互契合,實際形成了折線狀的入口邊線,微通道截面基本由毛細結(jié)構(gòu)覆蓋,由毛細力的引導(dǎo)和輔助驅(qū)動的作用,在外部工作水泵的配合下,使量子點的反應(yīng)液通過毛細空隙沿入口-出口的方向單向流動。雙層交錯微通道的外部平面作為加熱平面,其材料包括具有導(dǎo)熱率的鋼材或鋁材材料,加熱系統(tǒng)采用加熱板進行加熱,以穩(wěn)定且均勻地提供量子點合成的必要溫度,同時第三階銅粉燒結(jié)結(jié)構(gòu)也繼承了銅良好的導(dǎo)熱性能,使在燒結(jié)銅粉間隙的反應(yīng)液均勻且充分的接受熱量,使反應(yīng)合成的量子點均勻且質(zhì)量優(yōu)良。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本實用新型具有如下優(yōu)點及有益效果:
(1)本實用新型的具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道,利用多階的具有疊加效果的毛細作用力,輔助量子點合成過程中外部泵的工作,在反應(yīng)過程中引導(dǎo)反應(yīng)液進入微通道,優(yōu)化了原先通道在高溫反應(yīng)中水溶液的蒸發(fā)造成的微通道內(nèi)部壓強過大而使反應(yīng)液難以進入的問題;同時微通道中的毛細通道引導(dǎo)反應(yīng)液的流通更利于反應(yīng)液充分均勻的接受熱量,使量子點的合成反應(yīng)進行更加充分,可生產(chǎn)出質(zhì)量均勻的量子點。
(2)本實用新型微通道結(jié)構(gòu)具有單向流通的功能,在微通道的線型流通方向上,布置了具有毛細力大小梯度的低階毛細芯結(jié)構(gòu),使反應(yīng)液只能往毛細力的方向流動,即入口-出口方向的運動,防止由毛細力的無方向性造成反應(yīng)液的回流。
附圖說明
圖1 為本實用新型一種具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道的截面示意圖;
圖2 為采用本實用新型具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道合成量子點的流程示意圖;
圖3 為實施例1中變截面尺寸的具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道的入口處的截面示意圖;
圖4 為實施例1中變截面尺寸的具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道的出口處的截面示意圖;
圖5為實施例2中具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道的梯形和V型復(fù)合截面示意圖;
圖6a和6b 為實施例2中具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道的前端結(jié)構(gòu)和后端結(jié)構(gòu)的截面示意圖;
圖7為實例3中雙層交錯的具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道的示意圖;
圖8a和圖8b分別為實施例3中雙層交錯的具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道的入口處和出口處截面示意圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖和實施例對本結(jié)構(gòu)實用新型做進一步的詳細說明,在以下的描述中闡述了更多細節(jié)以便于充分理解本實用新型。
圖1為本實用新型一種具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道的截面示意圖,包括第一階毛細結(jié)構(gòu)的溝槽微通道截面1、第二階毛細結(jié)構(gòu)的微溝槽微通道截面2、由大粒徑的銅粉組成第三階毛細結(jié)構(gòu)3以及由小粒徑的銅粉組成的第三階毛細結(jié)構(gòu)4。
圖2為采用本實用新型具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道合成量子點的流程示意圖,反應(yīng)液A和反應(yīng)液B進入反應(yīng)混合器中混合均勻后,通過工作泵流入本實用新型具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道充分反應(yīng),最后通過冷卻收集合成的量子點。
實施例1
本例設(shè)計了變截面尺寸的具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道。其中,如圖3所示結(jié)構(gòu)為微通道入口處的截面示意圖:第一階毛細結(jié)構(gòu)5的溝槽微通道為V型,槽深2mm,斜邊壁面呈80°角;第二階毛細結(jié)構(gòu)6的微溝槽微通道也為V形,槽深0.5mm,斜壁面呈80°角;在第二階毛細結(jié)構(gòu)6內(nèi)有第三階毛細結(jié)構(gòu)7,燒結(jié)的毛細芯采用目數(shù)200即粒徑0.075mm的銅粉。如圖4所示結(jié)構(gòu)為微通道出口處的截面示意圖:其中,第一階毛細結(jié)構(gòu)8的溝槽微通道為V形,槽深1mm,斜邊壁面呈45°角;第二階毛細結(jié)構(gòu)9的微溝槽微通道為V形,槽深0.2mm,斜壁面呈45°角;在第二階毛細結(jié)構(gòu)9內(nèi)有第三階毛細結(jié)構(gòu)10,燒結(jié)的毛細芯采用目數(shù)1000即粒徑0.013mm的銅粉。
變截面尺寸的具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道,入口截面的尺寸最大,銅粉粒徑最大,且截面的尺寸和銅粉粒徑在通道流通方向上遞減,在出口處達到最小值;在出口處的毛細力最大,使液體單向流動的驅(qū)動力更大。
采用該設(shè)計的變截面尺寸的具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道合成量子點,得到的量子點大小均勻,外部泵的功率需求小。
實施例2
如圖5所示為設(shè)計的具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道的梯形和V型復(fù)合截面示意圖,其中,第一階毛細結(jié)構(gòu)11的溝槽微通道為梯形,槽深1.5mm,對稱的梯形壁面呈60°角;第二階毛細結(jié)構(gòu)12的微溝槽微通道為V形,槽深0.25mm,對稱的斜壁面呈60°角;在第二階毛細結(jié)構(gòu)12內(nèi)有第三階毛細結(jié)構(gòu)13。
在微通道的流通方向上,有銅粉粒徑大小梯度的布置方式;微通道前端的結(jié)構(gòu)14中的第三階毛細結(jié)構(gòu)由粒徑為0.06mm的銅粉經(jīng)燒結(jié)得到毛細芯組成,微通道后端的結(jié)構(gòu)15由粒徑為0.03mm的銅粉經(jīng)燒結(jié)得到毛細芯組成,銅粉粒徑按從前端的結(jié)構(gòu)14至后端的結(jié)構(gòu)15逐漸變小,由此形成的毛細力大小梯度,實現(xiàn)了流體的單向驅(qū)動傳輸。
微通道前端結(jié)構(gòu)14和后端結(jié)構(gòu)15的截面示意圖如圖6a和圖6b所示。
采用該具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道合成量子點,得到的量子點大小均勻,外部泵的功率需求小。
實施例3
在保證量子點多通道合成過程的同時,使毛細結(jié)構(gòu)覆蓋流道的截面,采用平行的單層毛細微通道結(jié)構(gòu)進行復(fù)合交錯疊加,設(shè)計出了的雙層交錯復(fù)合毛細結(jié)構(gòu)的微通道;圖7為雙層交錯的具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道的示意圖,入口處16和出口處17的截面示意圖分別如圖8a和圖8b所示。
其中,單層的三維立體溝槽結(jié)構(gòu),第一階毛細結(jié)構(gòu)的宏觀角度上是V形槽微通道的陣列,尺寸為2mm的溝槽深度,對稱斜壁角度為60°;第二階的溝槽結(jié)構(gòu)建立在第一階V形溝槽的斜壁上,尺寸為0.4mm的溝槽深度,對稱斜壁角度為60°;第三階毛細結(jié)構(gòu)采用的是銅粉進行燒結(jié)形成的毛細結(jié)構(gòu),銅粉的粒徑大小為從入口出至出口處由1000目至200目(75μm~13μm)逐漸變小。
采用雙層交錯的具有復(fù)合毛細單向輔助驅(qū)動結(jié)構(gòu)的量子點合成微通道合成量子點,得到的量子點大小均勻,外部泵的功率需求小。