制造結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的方法
【專利摘要】結(jié)構(gòu)構(gòu)造體是一種合成材料，其包括被以工程方法設(shè)計成呈現(xiàn)某些特性的不同晶體的矩陣特征?？赏ㄟ^涉及層的沉積、形成、剝落和間隔的方法制造結(jié)構(gòu)構(gòu)造體。一方面，可施加熱量穿過基質(zhì)對甲烷脫氫至基質(zhì)上。沉積碳通過自組織形成多個結(jié)晶碳的矩陣特征層。使用選定的前驅(qū)物和施加熱量或壓力或兩者對層剝落和間隔，以在所需間隔和厚度上構(gòu)造平行取向。所需的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體可進(jìn)一步被穩(wěn)定或摻雜以呈現(xiàn)所需的特性。
【專利說明】制造結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的方法
[0001]相關(guān)申請交叉引用
[0002]本申請主張2011年8月22日提交的美國臨時申請N0.61 / 526，185，2011年8月12日提交的美國臨時申請N0.61 / 523，261的優(yōu)先權(quán)，這兩份申請都以引用的方式并入本申請中。若在此以引用方式并入的上述臨時申請和/或其他材料與本公開沖突，以本公開為準(zhǔn)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本技術(shù)涉及一種包括不同晶體的矩陣特性的材料。
【背景技術(shù)】
[0004]在過去150年中，技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)超過歷史中的任何時期。對新的或現(xiàn)有材料所呈現(xiàn)的特性的開發(fā)已成為這個創(chuàng)新時代的一部分。例如，硅作為一種半旱體，已經(jīng)被轉(zhuǎn)換成了處理器；擁有高抗拉強度的鋼被用于建造摩天大樓的骨架。未來的發(fā)明同樣取決于開發(fā)新的和現(xiàn)有材料的有用特性。
[0005]材料的用處取決于它的應(yīng)用。一種呈現(xiàn)有用特性的組合的材料會特別有用，這是因為它使一些技術(shù)成為可能或者改進(jìn)了這些技術(shù)。例如，計算機處理器依靠許多晶體管，每一個晶體管根據(jù)它的輸入來輸出等于二進(jìn)制的I或O的電壓。適合作為晶體管的材料非常少，但是半旱體材料擁有可以促進(jìn)晶體管二進(jìn)制邏輯的獨特特性，使得半旱體對于計算機硬件而言特別有用。
[0006]技術(shù)將會持續(xù)進(jìn)步。工程師和科學(xué)家們將會持續(xù)創(chuàng)造出新的發(fā)明。這些創(chuàng)意的實施將依賴于那些可被構(gòu)造為以新的和所需的方式表現(xiàn)的材料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1A顯示的是晶體的矩陣特性的分子結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008]圖1B顯示的是雙層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的晶體矩陣特性的分子結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009]圖1C顯示的是另一幅雙層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的晶體矩陣特性的分子結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2顯示的是被構(gòu)造成固體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的等軸側(cè)視圖。
[0011]圖3顯示的是被構(gòu)造成平行層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0012]圖4顯示的是被構(gòu)造成平行層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的側(cè)視圖。
[0013]圖5顯示的是被構(gòu)造成平行層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0014]圖6顯示的是被構(gòu)造成同心管層結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0015]圖7顯示的是被構(gòu)造成平行層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0016]圖8顯示的是結(jié)構(gòu)構(gòu)造體層的側(cè)視圖。
[0017]圖9顯示的是另一幅結(jié)構(gòu)構(gòu)造體層的側(cè)視圖。
[0018]圖10顯示的是被構(gòu)造成平行層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的側(cè)視圖。
[0019]圖11顯示的是另一幅被構(gòu)造成平行層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的側(cè)視圖。[0020]圖12A顯示的是使用烴制造結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的示例性的方法。
[0021]圖12B顯示的是在制造結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的方法中剝落和間隔層的示例性的方法。
[0022]圖12C顯示的是另一個在制造結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的方法使用選定前驅(qū)物剝落和間隔層的示例性的方法。
[0023]圖12D顯示的是在制造結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的方法中使用選定前驅(qū)物自組織層的示例性的方法。
[0024]圖12E顯示的是在制造結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的方法中使用酸剝落和間隔層的示例性的方法。
[0025]圖13顯示的是使用凈化的甲烷制造結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的示例性的方法。
[0026]圖14顯示的是使用氮化硼制造結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的示例性的方法。
[0027]圖15顯示的是另一個使用氮化硼制造結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的示例性的方法。
[0028]圖16A顯示的是示例性的擁有單原子厚度層的平面的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的側(cè)視圖。
[0029]圖16B顯示的是另一個示例性的擁有單原子厚度層的平面的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的側(cè)視圖。
[0030]圖16C顯示的是示例性的擁有單原子厚度層的平面的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的俯視圖。
[0031]圖16D顯示的是呈 現(xiàn)渦旋行為的示例性的平面。
[0032]圖17A顯示的是示例性的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體中均一間隔的平行層的三維側(cè)視圖。
[0033]圖17B顯示的是氣體分子被吸收并被限制于層之間的示例性的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的三維側(cè)視圖。
[0034]圖18A顯示的是承載物質(zhì)且自我修復(fù)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的層的示例性的平面的三維俯視圖。
[0035]圖18B顯示的是承載物質(zhì)且自我修復(fù)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的層的示例性的平面的三維側(cè)視圖。
[0036]具體描述
[0037]綜沭
[0038]在此描述的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體是可構(gòu)造的，以使它們可呈現(xiàn)有用的特性。結(jié)構(gòu)構(gòu)造體包括晶體的合成矩陣特性。這些晶體可主要由碳、氮化硼、云母或其他材料組成。晶體的矩陣特性可被構(gòu)造成固體、和單個原子一樣薄的平面層、曲線層(例如:石墨烯)，或者其他排列和變化。在一些實施例中，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體可包括摻入非晶體基質(zhì)中的晶體矩陣特性，例如玻璃或聚合物等非晶體基質(zhì)。在一些實施例中，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體包括已裝載了諸如氫之類的物質(zhì)的晶體的矩陣特性。在一些實施例中，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體被構(gòu)造成擁有特定的機械性能。結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的晶體擁有矩陣的特性或排列。結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的晶體被專門化(例如:以特定的構(gòu)造排列)，使得結(jié)構(gòu)構(gòu)造體呈現(xiàn)出特定的特性。五組結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的特性是特別的技術(shù)上可開發(fā)的:(I)構(gòu)造的熱力性能；(2)其電、磁、電磁、光學(xué)和聲學(xué)特性；(3)其化學(xué)和催化性能；(4)其毛細(xì)管特性；(5)其吸附特性。
[0039]針對某一特定的應(yīng)用，可將 結(jié)構(gòu)構(gòu)造體設(shè)計為利用這些特性中的一些或全部。如下面詳細(xì)討論的那樣，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的性能取決于應(yīng)用于它的組成、位于其層上的表面結(jié)構(gòu)、其層取向、其晶格結(jié)點占位是否完全、其邊緣特征、其摻雜劑和其表面涂層(包括催化劑)。當(dāng)以層狀構(gòu)造時，其性能也取決于其層厚度、層之間的間隔物、分隔其各層的距離、以及用于支承和或分隔其層的裝置。結(jié)構(gòu)構(gòu)造體可被設(shè)計成為促進(jìn)包括納米尺寸事件的微處理的微觀或宏觀結(jié)構(gòu)。從宏觀角度來看，它可以被構(gòu)造成具有比重、電旱率、磁性特征、比熱、光學(xué)特性、彈性模量和/或截面模量。且從微觀角度來看，它可以被設(shè)計成充當(dāng)分子處理器、磁域載體、電荷處理器和/或生物處理器。
[0040]現(xiàn)在將描述本發(fā)明的各個實施例。下述描述提供具體的細(xì)節(jié)，以便透徹地理解和能夠描述這些實施例。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解，本發(fā)明可在不存在這些細(xì)節(jié)中的情況下進(jìn)行實施。另外，一些熟知的結(jié)構(gòu)或功能沒有進(jìn)行詳細(xì)的展示或描述，以避免不必要地模糊各個實施例的相關(guān)描述。下文提供的描述中所用的術(shù)語在以其最廣義的合理的方式進(jìn)行解釋，即使其結(jié)合本發(fā)明的某些具體實施例的具體描述進(jìn)行使用。
[0041]結(jié)構(gòu)構(gòu)誥體[0042]結(jié)構(gòu)構(gòu)造體包括晶體的合成矩陣特征。晶體由碳、氮化硼、云母、或另一種合適的物質(zhì)構(gòu)成。這些晶體的構(gòu)造和處理嚴(yán)重地影響結(jié)構(gòu)構(gòu)造體將顯示的特性，尤其是當(dāng)其經(jīng)受某些條件時。這些特性中的一些在下文中進(jìn)行描述，并且它們參照五種類型的特性進(jìn)行論述。這些類型包括如下:(I)熱力性能；(2)電、磁、電磁、光學(xué)和聲學(xué)特性；(3)化學(xué)和催化性能；(4)毛細(xì)管特性；(5)吸附特性。盡管它們以此方式進(jìn)行分組，但來自不同組的特性有時彼此為相關(guān)或關(guān)聯(lián)的。因此，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體可被構(gòu)造為顯示一些或全部貫穿本說明書所論述的特性。
[0043]結(jié)構(gòu)構(gòu)造體可以多種方式進(jìn)行構(gòu)造。設(shè)計者可將其設(shè)置成固體(例如:以各個方向彼此堆積在一起的多個單原子厚度的層)、多個間隔開且具有代表原子厚度的層、或者其將顯示具有所需特性的另一種構(gòu)造。設(shè)計者還可利用物質(zhì)或表面結(jié)構(gòu)摻雜構(gòu)造體中或涂于表面結(jié)構(gòu)中被選擇的一部分，這些方法中的每一種均使其以不同于其原本將具有的方式起作用。例如，可利用由碳、硼、氮、硅、硫、和/或過渡金屬構(gòu)成的表面結(jié)構(gòu)或涂層涂在結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的表面。下文中參照結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的各種實施方式來進(jìn)一步地詳述這些和其他變型形式。
[0044]圖1A顯示根據(jù)一些實施方式的晶體矩陣特征的層100的分子示意圖。該層可包含碳、氮化硼、云母、或其他合適的材料。例如，晶體的矩陣特征100可為石墨烯層。類似于圖1A所示的單層矩陣特征的晶體可通過特制該層而被構(gòu)造成結(jié)構(gòu)構(gòu)造體，例如，通過對該層摻雜或者將該層與其他層以特定構(gòu)造排列在一起以使得包括一個或多個邊緣的所得構(gòu)造體顯示一個或多個特性或某一特定性能。
[0045]組合以形成結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的晶體矩陣特征的層可被構(gòu)造為堆疊在一起，以形成厚于原子的層(如，石墨烯堆疊在一起以形成石墨)和/或彼此間隔開特定距離。此外，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的層可彼此以各種方式進(jìn)行取向。圖1B顯示了結(jié)構(gòu)構(gòu)造體105的示意圖，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體105包括排列在晶體矩陣特征的第二層120上的晶體矩陣特征的第一層110。第一層110相對第二層120錯開和平行，以使得當(dāng)從上方觀察時，第一層110的某些原子排列在第二層的原子之間的區(qū)域內(nèi)。在所示的例子中，第一平行層的各個原子在由第二層120的原子形成的六邊形內(nèi)大致保持居中。在一些實施例中，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的第一層和第二層被構(gòu)造為使得第一層的原子和第二層的原子垂直地對準(zhǔn)。例如，包括原子垂直對準(zhǔn)的兩層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的結(jié)構(gòu)示意圖由圖1A示出。圖1C示出了結(jié)構(gòu)構(gòu)造體125的分子示意圖，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體125包括晶體矩陣特征的第一層130和第二層140。第一層130相對第二層旋轉(zhuǎn)30度。在可選的實施例中，第一層可相對相鄰層或第二層旋轉(zhuǎn)多于或少于30度。在一些實施例中，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的第一層包括第一物質(zhì)，例如碳，并且構(gòu)造體的第二層包括第二物質(zhì)，例如氮化硼。由不同物質(zhì)構(gòu)成或摻雜不同物質(zhì)的層可看起來為非平坦的，因為較大的分子翹曲或增加平坦表面的間距。如下文進(jìn)一步詳述，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的某些特性受其層彼此相對的取向影響。例如，設(shè)計者可使構(gòu)造體的第一層相對構(gòu)造體的第二層旋轉(zhuǎn)或偏移以使得構(gòu)造體顯示具有特定的光學(xué)特性或催化特性，包括特定的光柵和/或化學(xué)方法的改進(jìn)。
[0046]圖2顯示了被構(gòu)造為固體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體200的等軸側(cè)視圖。結(jié)構(gòu)構(gòu)造體200可包括，例如石墨或氮化硼。被構(gòu)造為固體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體包括平面陣列和曲線陣列等多種取向堆積在一起的多個單原子厚度層。被構(gòu)造為固體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體為特制的，意指其已被改變成以特定方式起作用。在一些實施方式中，通過摻雜或者使其單原子厚度層彼此相對以特定方式進(jìn)行取向來特制固體。
[0047]結(jié)構(gòu)構(gòu)造體可由單一物質(zhì)(例如:氮化硼)，或石墨、石墨烯和金剛石所構(gòu)成，或者其可通過摻雜其他物質(zhì)或與其他物質(zhì)反應(yīng)來進(jìn)行特制。例如，包括石墨烯的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體可具有與硼進(jìn)行反應(yīng)以形成化學(xué)計量和非化學(xué)計量的子組。石墨烯還可利用氮進(jìn)行特制并且可包括具有氮界面的碳石墨烯和氮化硼石墨烯。在一些實施例中，在結(jié)構(gòu)構(gòu)造體基礎(chǔ)上構(gòu)建化合物。例如，設(shè)計者可從氮化硼界面構(gòu)建鎂-鋁-硼化合物。在一些實施例中，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的層的邊緣與物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。例如，硅可鍵合到邊緣上以形成碳化硅，由此在所述構(gòu)造體和其他物質(zhì)之間形成較強的鍵合。也可實施其他反應(yīng)以改變結(jié)構(gòu)體的光學(xué)性能或其他特性例如比熱。通過以這些方式來特制結(jié)構(gòu)構(gòu)造體，設(shè)計者可創(chuàng)造出顯示具有不同于僅由一種類型的原子構(gòu)成的構(gòu)造體的特性的構(gòu)造體。
[0048]擁有彼此間隔開的平行層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體能夠產(chǎn)生寬泛的特性和獲得多種結(jié)果。圖3-11顯示了根據(jù)一些實施例進(jìn)行構(gòu)造的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體。圖3是被構(gòu)造為平行層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體300的橫截面?zhèn)纫晥D。結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的平行層可由如石墨烯、石墨、或氮化硼之類的多種物質(zhì)中的任何一種構(gòu)成。平行層可為矩形的、圓形的、或者其他形狀。在圖3中，層為圓形的并且包括小孔，支承管310穿過該小孔以支承結(jié)構(gòu)構(gòu)造體300。層各自被距離320間隔開，該距離描繪層與層之間的區(qū)域 330內(nèi)的物理、化學(xué)、機械、光學(xué)和電學(xué)特性與條件。
[0049]存在多種方法以用于產(chǎn)生類似于圖1-11中所示的那些的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體。一種方法為將單個晶體沉積或加工成所需形狀并且熱處理或使用其他方法來將所述單個晶體剝脫成層。例如，將晶體加熱浸潰到流體物質(zhì)(例如氫)中，直至均一或不均一濃度的流體擴(kuò)散到晶體內(nèi)?？衫糜兄谑沽黧w進(jìn)入晶體來催化該過程的物質(zhì)涂于晶體上。催化劑還可控制流體擴(kuò)散到晶體內(nèi)的深度，由此允許從該晶體剝脫多個原子厚度的層。充足的涂層包括鑰族金屬、稀土金屬、鈀-銀合金、鈦、以及鐵-鈦、鐵-鈦-銅、和鉄-鈦-銅-稀土金屬的合金以及各種包括這些物質(zhì)的合金和化合物?？赏ㄟ^氣相沉積、濺射、或電鍍技術(shù)來施加催化劑的薄涂層。在涂層已允許流體擴(kuò)散到該晶體內(nèi)之后，涂層可在每次使用之后被移除并且可重新用于另一個晶體上。在一些實施例中，將摻雜劑或雜質(zhì)引入到晶體內(nèi)的特定深度處以促使流體擴(kuò)散至該深度，以使得可從晶體剝脫多個原子厚度的層。
[0050]可將浸潰的晶體放置在臨時容器中或者可將其裝入不可滲透的壓力器皿內(nèi)。可從容器或器皿突然地釋放壓力，以使得 浸潰液移動到其中堆積最不致密的區(qū)域內(nèi)并且形成氣體層。氣體壓力引起各個平面的剝脫?？衫冕崂m(xù)較大的分子，例如甲烷、乙烷、丙烷、和丁烷來重復(fù)此過程，以此產(chǎn)生其他間距?？赏ㄟ^控制進(jìn)入晶體的流體的量和類型以及膨脹開始時的溫度來將000l平面間隔開特定距離。結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的層彼此相對可通過下述方式取向為某種定位(即，如上文討論涉及圖1Α-c的偏移和/或旋轉(zhuǎn)):施加痕量的晶體改性劑，例如氖、氬、或氦，在層沉積時使用熱處理將結(jié)構(gòu)移動至特定取向，或者通過應(yīng)用在剝脫期間對晶體的轉(zhuǎn)矩和/或振動。
[0051]在一些實施例中，在晶體剝脫之前，在其中鉆出一個或多個小孔以使其容納支承結(jié)構(gòu)，如流體旱管和/或如圖3中所示的支承結(jié)構(gòu)構(gòu)造體300的支承管310?？稍诰w剝脫之前，在其中構(gòu)造支承結(jié)構(gòu)以支承實際上形成的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。也可在晶體已剝脫之后，將支承結(jié)構(gòu)設(shè)置在結(jié)構(gòu)構(gòu)造體中。支承結(jié)構(gòu)也可用于將結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的層固定為彼此間隔開特定距離。在一些實施例中，可沿著結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的層的邊緣來構(gòu)造支承結(jié)構(gòu)(例如:作為由平行層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的殼體)。
[0052]結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的層可被制成具有任何厚度。在圖3中，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體300的平行層中的每一層的厚度與原子一樣。例如，各個層可為石墨烯片。在一些實施例中，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的層比一個原子厚。圖4是被構(gòu)造為平行層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體400的側(cè)視圖。在所示的截面中，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體400的每一層都厚于一個原子。例如，如圖1A-C所述，每一層可包括多個以在圖1A、1B和IC中任意取向的彼此堆積的石墨烯片。結(jié)構(gòu)構(gòu)造體可以包括僅一個原子厚度的、多個原子厚度、或者更厚例如20個原子或更多的平行層。
[0053]在一些實施例中，所有的層都具有相同的厚度，而在其他實施例中，層的厚度可變化。圖5為被構(gòu)造為具有多個厚度的平行層為結(jié)構(gòu)構(gòu)造體500的橫截面?zhèn)纫晥D。如上文所述，可通過控制流體擴(kuò)散到晶體內(nèi)的深度以從單個晶體剝脫厚于一個原子或者厚度彼此不同的層(例如:通過在所需深度處引入雜質(zhì)或摻雜劑)。
[0054]當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)造體被構(gòu)造成平行層時，層可等間距隔開或者以不同的距離隔開。在此參見圖3，大致相等的距離320間隔開每個平行層描繪區(qū)域330。在圖5中，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體500的層與層之間的距離不同。例如，第一組層510的層與層之間的距離大于第二組層520的層與層之間的距離，意指第一組510的層與層之間的區(qū)域大于第二組520的層與層之間的區(qū)域。
[0055]可使用大量技術(shù)以使得將一個層排列成與另一個層相距特定的距離。如上文所提及，一種方法是在支承結(jié)構(gòu)上構(gòu)造平行層并且剝脫每一層以使得在該層和其相鄰層之間有一定距離。例如，當(dāng)剝落層時，制造商可控制流體的體積以及流體擴(kuò)散到單個晶體內(nèi)的距離。另一種方法為電力地充電或感應(yīng)地磁化各個剝脫層并且電力地或磁性地迫使所述層彼此分開。擴(kuò)散粘結(jié)或使用合適的粘附可將所述層牢牢固定在中央管上，各個層彼此相距特定的距離。
[0056]另一種用于確立層與層之間的特定距離技術(shù)是在層與層之間沉積間隔物。間隔物可由金屬原子、非金屬原子或半旱體構(gòu)成，例如碳和鈦(例如:與石墨烯層形成或金剛石碳化鈦)、鐵(例如:與石墨烯層形成碳化鐵)、硼、氮等。再次參見圖4，平行層400由間隔物410隔開。在一些實施例中，氣體在各個層的表面上被脫氫，從而在每個粒子或分子已被脫氫的位置產(chǎn)生間隔物410。例如，在剝脫結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的層之后，可在該層的表面上加熱甲烷，使得甲烷分子分裂并將碳原子并將其沉積到該層的表面上。被脫氫的分子越大，則可能的間距也越大。例如，每分子具有三個碳原子的丙烷與每個分子具有一個碳原子的甲烷相比，將可以創(chuàng)造出更大的沉積物和面積或間距。在一些實施例中，將平行層構(gòu)造在中央管上并且在層與層之間包括隔離物。在一些實施例中，間隔物為類似納米管和納米卷的表面結(jié)構(gòu)，這種表面結(jié)構(gòu)傳遞熱并且有利于物質(zhì)加載或卸載進(jìn)入結(jié)構(gòu)構(gòu)造內(nèi)。包括這些類型的表面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體將參照圖10和11在下文中進(jìn)行描述。
[0057]圖6顯示了被構(gòu)造為晶體的矩陣特征的同心管層結(jié)構(gòu)構(gòu)造體600的橫截面?zhèn)纫晥D。例如，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的第一層610為管狀的且具有大于結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的第二層620的直徑，并且第二層620被構(gòu)造在第一層610內(nèi)。被構(gòu)造為同心管的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體可以使用多種方式來形成。一種方法是對一種氣體，例如烴，在框架內(nèi)脫氫以形成結(jié)構(gòu)構(gòu)造體600的第一層610，在使第一氣體脫氫以形成間隔物上的第二層620之前，對例如氫化鈦的物質(zhì)脫氫以在第一層的內(nèi)表面上形成間隔物(例如:表面結(jié)構(gòu))。然后可按照類似方式來沉積后續(xù)層。在一些實施例中，通過使氣體在其自身的框架內(nèi)脫氫來形成各個管狀層。然后按照圖6所示的構(gòu)造在彼此內(nèi)構(gòu)造脫氫層?？蓪㈤g隔物沉積在所述層的內(nèi)表面或外表面上以將所述層隔開特定距離。在其他情況下，對多卷材料例如聚氟乙烯或聚氯乙烯脫氫以產(chǎn)生所需的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體。在其他情況下，對聚偏二氯乙烯或聚偏二氟乙烯脫氫以產(chǎn)生所需的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體。
[0058]圖7是由平行層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體700的橫截面?zhèn)纫晥D。結(jié)構(gòu)構(gòu)造體700包括第一組層710，其中層間隔的距離比第二層組720中的較短。結(jié)構(gòu)構(gòu)造體700將在下文中參照一些其在這種構(gòu)造中顯示的特性來進(jìn)行更詳細(xì)地論述。圖8為結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的層800的側(cè)視圖。層800具有圓形形狀并且其包括小孔810，支承結(jié)構(gòu)可通過該小孔810來支承層800。圖9為結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的層900的側(cè)視圖，層900具有圓角矩形形狀。如上所述，如果層從單個晶體上剝脫，則可將該層在剝脫之前或之后加工成特定形狀。類似于層900的多個層可通過，例如構(gòu)造在其邊緣上的支承結(jié)構(gòu)或者構(gòu)造在其表面上的間隔物，排列在一起。在一些實施例中，利用物質(zhì)來處理結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的表面。例如，可利用碳、硼、氮、娃、硫、過渡金屬、碳化物、和硼化物中的至少一種來涂于結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的表面，由此使得結(jié)構(gòu)構(gòu)造體顯示具有包括固溶體開發(fā)的性能或可能形成的化合物等特定性能。例如，如下文所述，可處理結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的表面以使其包括碳化硅，由此可改變其電磁和/或光學(xué)特性。
[0059]在一些實施例中，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體被構(gòu)造為半永久的，或成分或給體被構(gòu)造成非犧牲性的。例如，如在下文所說明那樣，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體可被構(gòu)造為將物質(zhì)分子加載到該構(gòu)造體的層與層之間的區(qū)域內(nèi)。非犧牲性構(gòu)造體可在不犧牲其結(jié)構(gòu)情形下加載和卸載物質(zhì)或者執(zhí)行其他任務(wù)。在其他實施例中，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體被構(gòu)造為在某些時間或情況中犧牲來自其晶體結(jié)構(gòu)中原子以促進(jìn)特定結(jié)果。例如，由氮化硼構(gòu)成的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體可被構(gòu)造為加載氮，這樣氮化硼將有利于與氫的反應(yīng)以形成氨和/或其他含氮物質(zhì)。因此，來自構(gòu)造體的原子將在與氫的反應(yīng)中犧牲，并且當(dāng)從構(gòu)造體卸載產(chǎn)物時，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體將已損失犧牲的氮化硼分子。在一些實施例中，可在這些反應(yīng)中恢復(fù)或循環(huán)地利用已犧牲其結(jié)構(gòu)的構(gòu)造體。例如，可通過為構(gòu)造體提供新的氮、硼、或氮化硼分子并且施加熱或另一種形式的能量例如電磁輻射的方式來恢復(fù)由氮化硼構(gòu)成的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體。新的氮化硼結(jié)構(gòu)可自行組織將丟失的原子替換到原始的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體內(nèi)。
[0060]結(jié)構(gòu)構(gòu)造體可被設(shè)計為使其具有某些特性，例如比重、彈性模量、比熱、電阻、和截面模量。這些宏觀特征影響結(jié)構(gòu)構(gòu)造體顯示的特性。構(gòu)造體的密度被定義為每單位體積的質(zhì)量。多個不同參數(shù)影響結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的密度。一個參數(shù)為晶體矩陣特征的組成。例如，取決于例如關(guān)于參照圖1A、1B和IC所公開的因素，氮化硼晶體通常具有高于石墨晶體的密度。另一個參數(shù)為分隔結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的層的距離。增加或減小層之間的間距將相應(yīng)地增加或減小結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的密度。在其中層由較致密的表面結(jié)構(gòu)間隔開的實施例相對其中層具有類似間距但未被表面結(jié)構(gòu)間隔開的實施例中，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的密度也可更大。結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的摻雜劑也可根據(jù)需要來改變其密度。
[0061]結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的彈性模量為當(dāng)對其施加力時產(chǎn)生彈性變形的趨勢(定義為其應(yīng)力-應(yīng)變曲線在彈性變形區(qū)域內(nèi)的斜率)。類似于其密度，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的彈性模量部分地取決于這些層的厚度、層間距、和組成。結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的彈性模量層取決于各層是否被電力充電和各層是如何相對彼此被固定以及層之間的間隔是否包含氣體以及該氣體的壓力。如果層由中央管支承，類似于圖3所示的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體300的支承管310，則與像圖4所示的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體400的層與層之間的間隔物410那樣的層彼此相對通過間隔物固定相比，各個層通常的可彈性變形將更大。在大多數(shù)情況下，當(dāng)間隔物將兩個層彼此相對固定在一起時，如果對其中一個層施加力，則各個層將增強另一個，抑制了給定力引起的偏轉(zhuǎn)度。各個層增強各另一層的量部分地取決于層與層之間的間隔物的集中度以及間隔物將層保持在一起的剛性程度。
[0062]結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的截面模量為橫截面的截面慣性矩相對極度壓縮纖維距中性軸的距離的比率。結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的截面模量將取決于結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的各個層的尺寸和形狀。例如，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體的矩形層的截面模量通過下述公式進(jìn)行定義:
【權(quán)利要求】
1.一種方法，包括: 對烴脫氫以沉積碳至基質(zhì)上，其中所述脫氫包括施加熱量穿過所述基質(zhì)； 形成包含來自所述被脫氫的烴的碳的矩陣特征的多個層，其中所述層由所述碳自組織而形成；且 通過從所述多個層剝落至少一層以形成剝落層而制造出碳的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體，其中所述剝落層大體上與其他任何一剝落層平行。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述烴包括甲烷。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述甲烷是大體上凈化的甲烷。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述炭的矩陣特征是石墨烯。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述通過從所述多個層剝落至少一層以形成剝落層而制造出碳的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體包括使用流體浸透所述剝落層以產(chǎn)生壓力。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述的流體包括例如甲烷、乙烷、丙烷或丁烷的氣體。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將至少一前驅(qū)物加至所述碳的矩陣特征中或所述剝落層之間中的至少一種或者兩者。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述前驅(qū)物是鈦、氫化鈦、鐵、五羥基鐵、鎳、鈷、硼、氮、碳、烴、娃和碳化物氣體中的至少一個。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述加入至少一前驅(qū)物至所述碳的矩陣特征進(jìn)一步包括施加熱量或壓力中的至少一個。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括使用穩(wěn)定劑穩(wěn)定所述剝落層。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述穩(wěn)定劑包括碳纖維卷和摻雜劑原子中的至少一個。
12.—種方法,包括: 沉積氮化硼至基質(zhì)上； 施加熱量穿過所述基質(zhì)； 形成包含氮化硼的矩陣特征的多個層，其中所述層由所述氮化硼自組織形成； 通過從所述多個層剝落至少一層以形成剝落層而制造出氮化硼的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體，其中所述剝落層大體上與其他任何一剝落層平行。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述通過從所述多個層剝落至少一層以形成剝落層制造出氮化硼的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體包括使用流體浸透所述剝落層以產(chǎn)生壓力。
14.權(quán)利要求13所述的方法，其中所述流體包括例如烷烴和氮氣的氣體。
15.權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括將一前驅(qū)物加至所述氮化硼的矩陣特征中或所述剝落層之間中的至少一個或者兩者。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述前驅(qū)物是鈦、氫化鈦、鐵、五羥基鐵、鎳、鈷、硼、氮、碳、烴、硅和碳化物氣體中的至少一。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述加入至少一前驅(qū)物至所述氮化硼的矩陣特征進(jìn)一步包括施加熱量或壓力中的至少一個。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括使用穩(wěn)定劑穩(wěn)定所述剝落層。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述穩(wěn)定劑包括碳纖維卷和摻雜劑原子中的至少一個。
【文檔編號】B82B1/00GK103889897SQ201280050345
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月12日
【發(fā)明者】羅伊·E·麥卡利斯特 申請人:麥卡利斯特技術(shù)有限責(zé)任公司