碳纳米结构体、以及用于制造碳纳米结构体的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及碳纳米结构体、用于制造碳纳米结构体的方法及装置，更具体地，本发明涉及在一个方向上延伸的碳纳米结构体、以及制造碳纳米结构体的方法及装置。
【背景技术】
[0002]通常，已知存在以碳纳米管、石墨烯等为代表的、包括线形结构(其中碳原子以纳米级直径排列)和片状结构(其由碳原子构成并具有纳米级厚度)的碳纳米结构体。对于这种碳纳米结构体的制造方法，已经提出了这样一种方法:在该方法中，向加热的微细催化剂供给含碳的原料气体，由此从所述催化剂生长出碳纳米结构体(例如参见日本专利待审公开 N0.2005-330175)。
[0003]文献列表
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本专利待审公开N0.2005-330175
【发明内容】
[0006]技术问题
[0007]但是，在常规的方法中，在有些情况中，从催化剂生长出碳纳米结构体时会发生弯曲。对于碳纳米管，例如，在发生弯曲的部分中会存在五元环或七元环，而不是形成碳纳米管的六元环，因此，碳纳米管的性能发生局部改变(例如，电阻变高)。
[0008]为了减少如上所述的在碳纳米结构体上发生弯曲，还考虑了在碳纳米结构体的生长过程中向碳纳米结构体施加张力。但是，这难以抚平从催化剂生长出的微细碳纳米结构体的尖端并向所述碳纳米结构体施加张力，且获得的碳纳米结构体在长度上受限。
[0009]本发明旨在解决上述问题，并且本发明的目的在于提供一种弯曲的发生得以减少的长的碳纳米结构体、制造该碳纳米结构体的方法、以及在制造该碳纳米结构体的方法中使用的制造装置。
【发明内容】
[0010]
[0011] 根据本发明的制造碳纳米结构体的方法包括制备基体和使碳纳米结构体生长的步骤。在基体的制备步骤中，制备了由分离部件和包含催化剂的催化剂部件形成的基体，其中所述催化剂部件和所述分离部件彼此接触或彼此成为一体，所述催化剂部件和所述分离部件的接触部分或一体化部分中的至少一部分被氧化。在使碳纳米结构体生长的步骤中，通过向所述基体供给含碳的原料气体，同时加热所述基体并使所述分离部件与所述催化剂部件分离，从而使得碳纳米结构体在所述催化剂部件和所述分离部件之间的分离界面区域中生长。使碳纳米结构体生长的步骤包括以下步骤中的至少一个步骤:向催化剂部件中面向分离界面区域的部分局部地供给原料气体的步骤，其中所述碳纳米结构体在该分离界面区域处生长，以及局部地加热分离界面区域的步骤。
[0012]这样，在催化剂部件的上述分离界面区域内，将局部地进行还原过程、渗碳作用和碳纳米结构体的生长过程。此外，由于碳纳米结构体的末端(与催化剂部件侧的端部相反的一端)与分离部件连接，可以通过将分离部件与催化剂部件分开，从而向碳纳米结构体施加恒定的张力。因此，在催化剂部件的上述分离界面区域内，随着碳纳米结构体的生长，碳化的催化剂部件的一部分被分离并以细颗粒的形式被拉入碳纳米结构中。随着催化剂部件的一部分的分离，催化剂部件新形成的表面暴露在分离界面区域中，并在新形成的表面进行还原过程、渗碳作用和碳纳米结构体的生长过程。特别地，通过局部加热催化剂部件的上述分离界面区域，或向分离界面区域局部地供应原料气体来促进这样的过程。结果，能够获得弯曲等情况的发生得以减少的长的碳纳米结构体。
[0013]根据本发明的制造碳纳米结构体的方法包括制备基体和使碳纳米结构体生长的步骤。在基体的制备步骤中，制备由分离部件和包含催化剂的催化剂部件形成的基体，其中催化剂的催化剂部件和分离部件彼此接触或彼此成为一体，催化剂部件和分离部件的接触部分或一体化部分中的至少一部分被氧化。在使碳纳米结构体生长的步骤中，通过向所述基体供给含碳的原料气体，同时加热所述基体并使所述分离部件与所述催化剂部件分离，从而使得碳纳米结构体在所述催化剂部件和所述分离部件之间的分离界面区域中生长。在使碳纳米结构体生长的步骤中，从所述碳纳米结构体生长的所述催化剂部件的表面部分将所述催化剂部件部分地分离并拉入所述碳纳米结构体的内部，在所述表面部分处出现新形成的表面的同时使所述碳纳米结构体持续地生长。
[0014]这样，在连续地暴露于分离界面区域内的催化剂部件的新形成的表面中，将进行还原过程、渗碳作用和碳纳米结构体的生长过程。结果，连续保持了碳纳米结构体的生长，其中分离部件沿着远离催化剂部件的方向延伸。因此，能够获得弯曲等情况的发生得以减少的长的碳纳米结构体。
[0015]根据本发明的碳纳米结构体包括线性结构部分，其由长度大于或等于Imm的碳制成，该线性结构部分内的金属纳米颗粒以分散形式布置。这样，可以通过适当地选择金属纳米颗粒的类型来调整碳纳米结构体的特性(例如，碳纳米结构体的磁性可以通过设置磁性金属作为构成金属纳米颗粒的金属来调节)。
[0016]根据本发明的用于制造碳纳米结构体的装置包括:保持部分、驱动部件、气体供给部分、以及加热部件。保持部分能够在催化剂部件侧和分离部件侧保持由所述分离部件和包含催化剂的催化剂部件形成的基体，其中催化剂部件和分离部件彼此接触或彼此成为一体，催化剂部件和分离部件的接触部分或一体化部分中的至少一部分被氧化。驱动部件移动保持部分以将分离部件与催化剂部件分离。气体供给部分向基体供给原料气体。加热部件能够局部加热基体的部分。
[0017]通过使用这样的装置，能够使弯曲得以减少的长的碳纳米结构体30在催化剂部件和分离部件之间的分离界面区域内或在基体部分25和26之间的断裂界面内(其中基体20如图4所示已断裂)生长。
[0018]本发明的有益效果
[0019]根据本发明，能够获得弯曲等情况得以减少的长的碳纳米结构体。
【附图说明】
[0020]图1是描述根据本发明第一实施方案的制造碳纳米结构体的方法的流程图。
[0021]图2是描述根据本发明的用于制造碳纳米结构体的装置(其用于图1所示的用于制造碳纳米结构体的方法中)的截面示意图。
[0022]图3是图2所示的用于制造碳纳米结构体的装置的局部示意图。
[0023]图4是示出所形成的碳纳米结构体的示意图。
[0024]图5是描述了图2所示的用于制造碳纳米结构体的装置的变形的局部示意图。
[0025]图6是示出由图5所示的用于制造碳纳米结构体的装置形成的碳纳米结构体的示意图。
[0026]图7是描述形成的碳纳米结构体的示意图。
[0027]图8是描述根据本发明第二实施方案的用于制造碳纳米结构体的方法的流程图。
[0028]图9是示出形成的碳纳米结构体的实例的照相放大图。
[0029]图10是示出形成的碳纳米结构体的实例的照相放大图。
[0030]图11是示出图10中的区域XI的照相放大图。
【具体实施方式】
[0031]下文将结合附图来描述本发明的实施方案，其中相同的标号表不相同或相应的部分并且不再对其重复说明。
[0032](第一实施方案)
[0033]将结合图1至4对根据本发明第一实施方案的用于制造碳纳米结构体的方法进行描述。
[0034]参见图1，在本发明的用于制造碳纳米结构体的方法中，首先进行制备步骤(SlO)。在该步骤(SlO)中，制备由分离部件和包含催化剂的催化剂部件形成的基体，催化剂部件和分离部件彼此接触或者成为一体。
[0035]如图2和3所示，可以使用起到催化剂作用的金属片(金属箔)作为基体20。例如，可以使用纯的铁、镍、钴等作为金属。优选在基体20中形成切口 21，该切口 21是用于限定下文描述的CNT生长步骤(S30)(参见图1)中断裂位置的凹入部分。当使用图2和3中所示的金属箔作为基体20时，所述金属箔形成上述的彼此成为一体的催化剂部件和分离部件。
[0036]现在将参见图2和3来描述用于进行碳纳米结构体制造方法的用于制造碳纳米结构体的装置。如图2所示，用于制造碳纳米结构体的装置包括:反应室I ;设置于反应室I内部的加热部件4 ;设置成面向加热部件4的固定块9至12，其用于保持基体20 ;用于支撑固定块9至12的基底平台8 ;驱动部件2，其通过联接杆13与固定块11联接；气体供给部分3，其用于向反应室I供给原料气体等；栗7和排放部分6，它们用于将气体从反应室I中排放出来；激光束振荡部分16，用于局部地加热基体20 ;冷却部件18和19，用于局部冷却基体20 ;以及控制器14，其用于控制加热部件4、气体供给部分3、驱动部件2、栗7、排放部分6、激光束振荡部分16和冷却部件18和19。
[0037]固定块9至12设置在位于反应室I中的基底平台8上。基体20的一端被固定块9和10夹持。基体20的另一端被固定块11和12夹持。基体20的一端和另一端可以分别被冷却部件18和19通过固定块9和11局部冷却。固定块11 (和冷却部件19)可在基底平台8上移动。另一方面，固定块9、10和冷却部件18固定于基底平台8。如图2和3所示，将在上述步骤(SlO)中制备的基体20设置在制造装置的反应室I内。
[0038]作为冷却部件18和19的结构，可以采用任何常规已知的结构。例如，可使用诸如珀耳帖(Peltier)设备的温度元件，或者可以使水或其他冷却介质在冷却部件18和19内循环。冷却介质可由冷却部件18和19的内部输送至反应室I的外部，并被外部的热交换器等冷却，然后再次流回到冷却部件18和19的内部。