同心流反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】一種氣相納米線生長裝置，其包括反應(yīng)室(200)、第一輸入端和第二輸入端(202B,202A)。第一輸入端同心位于第二輸入端內(nèi)，并且第一輸入端和第二輸入端經(jīng)布置，使得從第二輸入端輸送的第二流體在從第一輸入端輸送的第一流體和反應(yīng)室壁之間提供包覆?？捎么呋瘎╊w粒氣溶膠生長納米線。
【專利說明】同心流反應(yīng)器
[0001] 領(lǐng)域 本發(fā)明涉及形成線，特別涉及在無基體存在下氣相合成線。
[0002] 背景 小的細(xì)長物體，通常稱為納米線、納米棒、納米晶須等，且一般包括半導(dǎo)體材料，至今已 用以下途徑之一合成： -液相合成，例如膠體化學(xué)方法，如由Alivisatos等在US2005/0054004中例示， -從基體外延生長，利用或不利用催化顆粒，如由Samuelson等分別在W0 2004/004927和W0 2007/10781中展現(xiàn)的工作例示，或者 -氣相合成，通過激光輔助催化生長方法，如由Lieber等在W0 2004/038767A2中例 /_J、i〇
[0003] 在下表中比較用這些途徑得到的線的性質(zhì)。
【權(quán)利要求】
1. 一種氣相納米線生長裝置，所述氣相納米線生長裝置包括： 反應(yīng)室； 第一輸入端；和 第二輸入端， 其中所述第一輸入端同心位于所述第二輸入端內(nèi)，并且所述第一輸入端和第二輸入端 經(jīng)布置，使得從所述第二輸入端輸送的第二流體在從所述第一輸入端輸送的第一流體和所 述反應(yīng)室的壁之間提供包覆。
2. 權(quán)利要求1的裝置，其中所述第二輸入端進(jìn)一步包括多孔濾板。
3. 權(quán)利要求1的裝置，其中所述裝置進(jìn)一步包括第一輸出端和第二輸出端，所述第一 輸出端和第二輸出端位于所述反應(yīng)室中與所述第一輸入端和第二輸入端相對的壁，其中所 述第一輸出端同心位于所述第二輸出端內(nèi)。
4. 權(quán)利要求3的裝置，其中所述第二輸出端進(jìn)一步包括一個(gè)多孔濾板或多個(gè)多孔濾 板。
5. 權(quán)利要求3的裝置，所述裝置進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)構(gòu)造成加熱所述反應(yīng)室的加 熱器，和一個(gè)或多個(gè)構(gòu)造成加熱所述第一輸入端和第二輸入端的加熱器。
6. 權(quán)利要求1的裝置，其中所述反應(yīng)室為圓筒，所述第一輸入端構(gòu)造成在所述圓筒的 中部提供前體氣體，所述第二輸入端構(gòu)造成圍繞所述圓筒的外周提供包覆氣體。
7. 權(quán)利要求6的裝置，所述裝置進(jìn)一步包括第三輸入端，其中所述第三輸入端構(gòu)造成 在所述前體氣體和所述包覆氣體之間提供包含催化劑顆粒的氣溶膠。
8. 權(quán)利要求1的裝置，其中所述反應(yīng)室為長方體。
9. 權(quán)利要求8的裝置，其中：所述長方體的厚度小于所述長方體在垂直于所述裝置中 的流體流的平面中的長度，至少為1/2??；所述第一輸入端構(gòu)造成在所述長方體中部提供 包含催化劑顆粒的片形氣溶膠；所述第二輸入端構(gòu)造成鄰近所述長方體的相對壁提供第一 包覆氣體部分和第二包覆氣體部分；第三輸入端構(gòu)造成在所述氣溶膠的第一側(cè)和所述包覆 氣體的第一部分之間提供包含第III族的第一前體氣體，第四輸入端構(gòu)造成在所述氣溶膠 的第二側(cè)和所述包覆氣體的第二部分之間提供包含第V族的第二前體氣體。
10. 權(quán)利要求1的裝置，其中：所述反應(yīng)室為圓筒；所述第一輸入端構(gòu)造成在所述圓筒 的中部提供包含催化劑顆粒的氣溶膠；所述第二輸入端構(gòu)造成圍繞所述反應(yīng)室的外周提供 包覆氣體和包含第V族的第二前體氣體的混合物；第三輸入端構(gòu)造成圍繞所述氣溶膠提供 包含第III族的第一前體氣體；第四輸入端構(gòu)造成在所述混合物和所述包含第III族的第 一前體氣體之間提供包覆氣體。
11. 權(quán)利要求3的裝置，所述裝置進(jìn)一步包括位于所述第一輸入端和第二輸入端或第 一輸出端和第二輸出端至少之一的熱電偶，和構(gòu)造成監(jiān)測所述一個(gè)或多個(gè)熱電偶并調(diào)節(jié)所 述一個(gè)或多個(gè)加熱器的控制器。
12. 權(quán)利要求3的裝置，所述裝置進(jìn)一步包括操作性連接到所述第二輸出端的冷卻元 件。
13. 權(quán)利要求3的裝置，所述裝置進(jìn)一步包括至少一個(gè)提升機(jī)構(gòu)，該提升機(jī)構(gòu)構(gòu)造成 移動(dòng)所述第一輸入端和第二輸入端，移動(dòng)所述第一輸出端和第二輸出端，或既移動(dòng)所述第 一輸入端和第二輸入端也移動(dòng)所述第一輸出端和第二輸出端，使得能夠增加或減小所述第 一輸入端和第二輸入端與所述第一輸出端和第二輸出端之間的距離。
14. 權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一輸入端和第二輸入端與所述第一輸出端和第二 輸出端包括連接到相應(yīng)輸入端和輸出端的相應(yīng)輸入導(dǎo)管和輸出導(dǎo)管。
15. -種制造納米線的方法，所述方法包括： 將第一氣流提供到第一反應(yīng)室，其中所述第一氣流包括用于制造所述納米線的第一前 體； 將第二氣流提供到所述第一反應(yīng)室，其中所述第二氣流形成使所述所述第一氣流與第 一反應(yīng)室的壁分隔的包覆；和 在所述第一反應(yīng)室內(nèi)在氣相中生長所述納米線。
16. 權(quán)利要求15的方法，所述方法進(jìn)一步包括從所述第一氣流或所述第二氣流至少 之一中的氣溶膠提供納米線生長催化劑顆粒。
17. 權(quán)利要求15的方法，其中所述第一氣流包含前體分子，所述前體分子在所述第一 反應(yīng)室裂解，并形成納米線生長催化劑顆粒。
18. 權(quán)利要求16的方法，其中所述包含催化劑顆粒的第一氣流順序流動(dòng)通過所述第 一反應(yīng)室的一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)區(qū)域，以便從所述催化劑顆粒生長納米線，并且在通過所述反 應(yīng)區(qū)域后生長的納米線由所述第二氣體包覆環(huán)繞的第一氣流攜帶。
19. 權(quán)利要求16的方法，其中所述催化劑顆粒具有相互不同的大小。
20. 權(quán)利要求16的方法，其中所述催化劑顆粒帶電荷。
21. 權(quán)利要求15的方法，其中所述第一氣流包含用于制造所述納米線的第二前體。
22. 權(quán)利要求15的方法，其中所述第二氣流包含惰性載氣。
23. 權(quán)利要求15的方法，所述方法進(jìn)一步包括加熱所述第一反應(yīng)室。
24. 權(quán)利要求15的方法，所述方法進(jìn)一步包括預(yù)熱所述第一氣流。
25. 權(quán)利要求15的方法，所述方法進(jìn)一步包括預(yù)熱所述第二氣流。
26. 權(quán)利要求15的方法，其中所述第二氣流沿著所述第一反應(yīng)室的壁處于層流。
27. 權(quán)利要求15的方法，其中第一氣流和所述第二氣流同心在所述第一反應(yīng)室中流 動(dòng)，并且所述第一氣流由所述第二氣流環(huán)繞。
28. 權(quán)利要求16的方法，其中所述第一氣流包括包含催化劑顆粒的氣溶膠和所述第 一前體及第二前體，所述第二氣流包括惰性氣體，且包含所述納米線的第一氣流在離開所 述弟一反應(yīng)室后收集。
29. 權(quán)利要求15的方法，所述方法進(jìn)一步包括監(jiān)測通到所述第一反應(yīng)室的第一輸入 導(dǎo)管中第一氣流的溫度，并根據(jù)監(jiān)測的溫度調(diào)節(jié)所述第一氣流的溫度。
30. 權(quán)利要求29的方法，所述方法進(jìn)一步包括監(jiān)測通到所述第一反應(yīng)室的第二輸入 導(dǎo)管中第二氣流的溫度，并根據(jù)監(jiān)測的溫度調(diào)節(jié)所述第二氣流的溫度。
31. 權(quán)利要求30的方法，其中所述第一反應(yīng)室包括第一輸入端和第二輸入端，以將所 述第一氣流和第二氣流輸入到所述第一反應(yīng)室，并包括第一輸出端和第二輸出端，以從所 述第一反應(yīng)室去除所述第一氣流和第二氣流，所述方法進(jìn)一步包括升高或降低所述第一反 應(yīng)室中的第一輸入端和第二輸入端或第一輸出端和第二輸出端，從而減小或增加所述第一 反應(yīng)室中反應(yīng)區(qū)域的長度。
32. 權(quán)利要求15的方法，所述方法進(jìn)一步將具有第一導(dǎo)電類型的第一摻雜劑氣體加 入到所述第一氣流，以形成第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體納米線。
33. 權(quán)利要求32的方法，所述方法進(jìn)一步在加入所述第一摻雜劑氣體的步驟后將具 有第二導(dǎo)電類型的第二摻雜劑氣體加入到所述第一氣流，以在所述納米線中形成p-n或 p-i-n 結(jié)。
34. 權(quán)利要求33的方法，其中所述納米線包括具有在縱向上分離的p-型和n-型區(qū)域 的縱向納米線。
35. 權(quán)利要求34的方法，其中控制一個(gè)或多個(gè)溫度范圍、壓力范圍或前體濃度范圍， 以形成縱向納米線。
36. 權(quán)利要求33的方法，其中所述納米線包括具有由第二導(dǎo)電類型殼包圍的第一導(dǎo) 電類型芯的徑向納米線。
37. 權(quán)利要求15的方法，其中所述第一前體包括第IIIA族金屬有機(jī)化合物，所述第二 前體包括第VA族化合物。
38. 權(quán)利要求37的方法，其中所述第一前體包括三甲基鎵或三乙基鎵，所述第二前體 包括胂。
39. 權(quán)利要求16的方法，其中所述催化劑顆粒包括八113§、(：11、？6、附、6&、111或41中 的一個(gè)或多個(gè)。
40. 權(quán)利要求39的方法，其中所述催化劑顆粒作為氣溶膠提供到所述第一氣流。
41. 權(quán)利要求15的方法，其中所述納米線包括IV、III-V或II-VI半導(dǎo)體納米線。
42. 權(quán)利要求41的方法，其中所述納米線包括GaAs、InP、GaP、GaJn^ASyPh、 AlxGahAsyP卜y、GaSb、GaxIrihAs ySb卜y、GaN、InN、AIN、AlzGaxIn卜 X_ZN、Si、SiC、Ge 或 SixGeh， 其中0彡x彡1，0彡y彡1，且0彡z彡1。
43. 權(quán)利要求16的方法，其中所述納米線通過化學(xué)氣相沉積于所述第一氣流中氣相 內(nèi)的催化劑顆粒上生長。
44. 權(quán)利要求15的方法，所述方法進(jìn)一步包括收集納米線，和包括以下至少之一：在 基體上使所述納米線沉積或取向。
45. 權(quán)利要求15的方法，其中所述納米線在連續(xù)過程中制造和收集。
46. 權(quán)利要求44的方法，其中所述基體位于所述第一反應(yīng)室外，且在從所述第一反應(yīng) 室離開后從所述第一氣流收集所述納米線。
47. 權(quán)利要求15的方法，其中所述第一氣流的時(shí)間、溫度和氣體組成特性由所述第二 氣流限制，以制造具有受控尺寸分布的納米線。
48. 權(quán)利要求15的方法，其中所述第二氣流減小所述反應(yīng)器的壁對所述第一氣流中 納米線生長的影響。
49. 權(quán)利要求15的方法，所述方法進(jìn)一步包括利用所述第一氣流或第二氣流的流速 至少之一控制所述納米線的長度分布。
50. 權(quán)利要求16的方法，所述方法進(jìn)一步包括在所述第一反應(yīng)室中利用窄速度分布 控制所述催化劑顆粒的停留時(shí)間，以控制在所述第一反應(yīng)室中生長的納米線的長度分布。
51. 權(quán)利要求15的方法，其中所述納米線長度的標(biāo)準(zhǔn)偏差為平均納米線長度的< 5%。
52. 權(quán)利要求51的方法，其中標(biāo)準(zhǔn)偏差為3-5%。
53. 權(quán)利要求15的方法，所述方法進(jìn)一步包括： 將所述納米線從所述第一反應(yīng)室提供到第二反應(yīng)室； 將第三氣流提供到所述第二反應(yīng)室，其中所述第三氣流包括用于制造所述納米線的第 二前體； 將第四氣流提供到所述第二反應(yīng)室，其中所述第四氣流形成使所述第三氣流與所述第 二反應(yīng)室的壁分隔的包覆；和 進(jìn)一步在所述第二反應(yīng)室內(nèi)在氣相中生長所述納米線。
54. 權(quán)利要求53的方法，其中所述第二前體不同于所述第一前體。
55. 權(quán)利要求53的方法，所述方法進(jìn)一步包括將具有第一導(dǎo)電類型的第一摻雜劑氣 體加入到所述第一反應(yīng)室中的第一氣流，以在所述第一反應(yīng)室中生長第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo) 體納米線。
56. 權(quán)利要求55的方法，所述方法進(jìn)一步包括將具有第二導(dǎo)電類型的第二摻雜劑氣 體加入到所述第二反應(yīng)室中的第三氣流，以在所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體納米線上形成第 二導(dǎo)電類型部分。
57. 權(quán)利要求53的方法，其中所述第一氣流具有小于所述第二氣流的速度，所述第三 氣流具有小于所述第四氣流的速度。
58. 權(quán)利要求53的方法，所述方法進(jìn)一步包括在達(dá)到所述第二反應(yīng)室之前從所述第 一反應(yīng)室去除所述第二氣流。
59. 權(quán)利要求15的方法，其中：所述反應(yīng)室為圓筒；所述第一氣流在所述圓筒中部流 動(dòng)；所述第二氣流圍繞所述圓筒外周流動(dòng)；并進(jìn)一步包括在所述第一氣流和所述第二氣流 之間流動(dòng)的包含催化劑顆粒的第三氣溶膠流。
60. 權(quán)利要求15的方法，其中：反應(yīng)室為長方體；包含催化劑顆粒的片形氣溶膠在所 述長方體中部流動(dòng)；所述第二氣流包含鄰近所述長方體的相對壁的第一包覆氣體部分和第 二包覆氣體部分；所述第一氣流包括在所述氣溶膠的第一側(cè)和所述包覆氣體的第一部分之 間流動(dòng)的包含第III族的第一前體氣體；第四氣流包括在所述氣溶膠的第二側(cè)和所述包覆 氣體的第二部分之間流動(dòng)的包含第V族的第二前體氣體。
61. 權(quán)利要求15的方法，其中：所述反應(yīng)室為圓筒；包含催化劑顆粒的氣溶膠在所述 圓筒的中部流動(dòng)；所述第二氣流包括圍繞所述反應(yīng)室的外周流動(dòng)的包覆氣體和包含第V族 的第二前體氣體的混合物；所述第一氣流包括圍繞所述氣溶膠流動(dòng)的包含第III族的第一 前體氣體；并且另外的包覆氣流在所述混合物和所述第一氣流之間流動(dòng)。
62. -種納米線生長系統(tǒng)，所述納米線生長系統(tǒng)包括： 權(quán)利要求1的裝置； 流體連接到所述第一輸入端的第一流體儲器；和 流體連接到所述第二輸入端的第二流體儲器。
63. 權(quán)利要求62的納米線生長系統(tǒng)，其中： 所述第一儲器包括包含第一前體氣體的儲器；并且 所述第二儲器包括包含第二前體氣體或惰性氣體的儲器。
64. 權(quán)利要求62的納米線生長系統(tǒng)，所述納米線生長系統(tǒng)進(jìn)一步包括流體連接到所 述第一輸入端的第三儲器，其中所述第三儲器包含第二前體氣體。
65. 權(quán)利要求64的納米線生長系統(tǒng)，所述納米線生長系統(tǒng)進(jìn)一步包括流體連接到所 述第一輸入端的至少一個(gè)第四儲器，其中所述至少一個(gè)第四儲器包含摻雜劑氣體。
66. 權(quán)利要求62的納米線生長系統(tǒng)，所述納米線生長系統(tǒng)進(jìn)一步包括流體連接到所 述第一輸入端的氣溶膠源，所述氣溶膠源包含納米線生長催化劑顆粒。
67. 權(quán)利要求62的納米線生長系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)在所述反應(yīng)室中沒有沉積基體。
68. -種納米線生長裝置，所述納米線生長裝置包括： 用于將第一氣流提供到反應(yīng)室的裝置，其中所述第一氣流包括用于制造所述納米線的 第一前體； 用于將第二氣流提供到所述反應(yīng)室的裝置，其中所述第二氣流形成使所述第一氣流與 所述反應(yīng)室的壁分隔的包覆；和 用于在所述反應(yīng)室內(nèi)在氣相中生長納米線的裝置。
69. 權(quán)利要求68的納米線生長裝置，所述納米線生長裝置進(jìn)一步包括用于將納米線 生長催化劑顆粒提供到所述反應(yīng)室的裝置。
70. 權(quán)利要求69的納米線生長裝置，所述納米線生長裝置進(jìn)一步包括用于使所述催 化劑顆粒霧化的裝置。
71. 權(quán)利要求69的納米線生長裝置，所述納米線生長裝置進(jìn)一步包括用于加熱所述 反應(yīng)室的裝置。
72. -種納米線生長系統(tǒng)，所述納米線生長系統(tǒng)包括： 權(quán)利要求68的裝置； 用于儲存所述第一前體氣體的第一裝置；和 用于儲存所述第二氣體的第二裝置。
73. -種納米線生長系統(tǒng)，所述納米線生長系統(tǒng)包括： 兩個(gè)或更多個(gè)權(quán)利要求1的裝置的堆。
74. 權(quán)利要求73的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括包圍所述堆的外殼。
75. 權(quán)利要求3的裝置，其中所述第一輸出端和第二輸出端與所述第一輸入端和第二 輸入端垂直對準(zhǔn)。
【文檔編號】C30B25/02GK104508190SQ201380039432
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年5月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月25日
【發(fā)明者】阿科特 G., 馬格努斯森 M., 波斯特 O., 德佩特 K., 薩姆伊森 L., 歐森 J. 申請人:索爾伏打電流公司