专利名称：热化学汽相沉积设备和使用该设备合成碳纳米管的方法
技术领域：
本发明涉及碳纳米管合成的制造，更具体涉及热化学汽相沉积设备和使用该设备合成碳纳米管的方法，借此可以在大尺寸的基片上大批量地合成碳纳米管。
碳纳米管形成是，每个碳原子与三个相邻的碳原子结合以形成与蜂窝相似的重复的六角形环，其被卷绕以形成柱或管。
通常碳纳米管的直径是几个到几十个纳米之间，它们的长度是它们直径的几十到几千倍。根据它们的结构，碳纳米管具有诸如金属的导电体的特性，或半导体特性(如扶手椅(armchair)的结构)。另外，碳纳米管根据它们的形状被分类为单壁纳米管、多壁纳米管或绳状纳米管。因为碳纳米管被认为具有出色的导电性、机械强度和化学稳定性，它们在很多高科技领域的应用具有很好的前景。
最近，已经提出多种合成碳纳米管的方法，以及实现这些方法的设备。例如，已经提出了电弧放电系统、激光气化系统、热化学汽相沉积系统和等离子化学汽相沉积系统。在它们中间，热化学汽相沉积系统被用于在一个基片上合成碳纳米管，它通过将该基片装入容纳有高温反应气体的石英管中，借此引起碳纳米管形成反应。
为了解决上述问题，本发明的第一目的是提供一个在多个大尺寸基片上顺序合成碳纳米管的热化学汽相沉积设备。
本发明的第二目的是提供一种使用上述热化学汽相沉积设备的在多个大尺寸基片上合成碳纳米管的方法。
因此为了实现第一目的，本发明提供了一种热化学汽相沉积设备，包括顺序接收和传送多个基片的传送带，用于驱动传送带的旋转装置，用于顺序将基片装载到上述传送带上的装载装置，用于将传送带传送的基片卸载的卸载装置，该卸载装置与上述装载装置相对，用于供应反应气体的反应气体供应装置，该反应气体用于在被传送带传送的基片上合成碳纳米管，用于加热装载在传送带上的基片加热装置，用于反应气体的热分解，以及用于排出反应产物气体的排气装置。
反应气体供应装置包括第一反应气体供应装置，用于将第一反应气体供应到装载在传送带上的基片上，以及安装在第一反应气体供应装置后面的第二反应气体供应装置，用于在第一反应气体反应之后，将第二反应气体供应到被传送带传送的基片上。
基片加热装置将面对第一反应气体供应装置的传送带区域加热到一个在700℃和1100℃之间的一个温度，以及将面对第二反应气体供应装置的传送带区域加热到一个在500℃和1100℃之间的一个温度。
一个被用作催化剂的过渡金属层被包括在基片表面上。第一反应气体为氨气，用于将所述过渡金属层侵蚀为细粒，以及第二反应气体为碳化气体，可以是乙炔气体、甲烷气体、丙烷气体或乙烯气体、或氨气或氢气与一种碳化气体混合的气体。
该设备还包括围绕上述反应气体供应装置安装的反应气体加热装置，用于加热流过反应气体供应装置的反应气体。在这个情况下，反应气体加热装置的第一反应气体加热装置将流过第一反应气体供应装置的反应气体加热到一个在700℃和1100℃之间的温度；以及反应气体加热装置的第二反应气体加热装置将流过第二反应气体供应装置的反应气体加热到一个在500℃和1100℃之间的温度，以及所述基片加热装置将装载在传送带上的基片加热到一个在400℃和600℃之间的温度。
根据本发明，碳纳米管可以被顺序合成和生长在多个大尺寸基片上。
通过参考附图对本发明优选实施例的详细描述，本发明的上述特征和优点将会变得更加清楚。
图1是说明根据本发明的第一实施例在合成碳纳米管中使用的热化学汽相沉积设备；图2是说明根据本发明的第二实施例在合成碳纳米管中使用的热化学汽相沉积设备。
本发明将参考显示本发明优选实施例的附图做进一步详细的说明。可是本发明还包括许多不同的形式，并且不应当理解为受到上述实施例的限制。此外，所提供的这些实施例将使本技术领域的普通技术人员对本发明的公开内容和保护范围有完全彻底地全面的理解。在附图中为了表示清楚，一些部件的形式被放大。在整个附图中相同的附图标记表示相同的部件。
如图1所示，本发明第一实施例的热化学汽相沉积设备包括用于装载多个大尺寸基片100的输送机传送带600。多个大尺寸的板可以连接起来以形成输送机传送带600。输送机传送带600在诸如与电动机连接的旋转轴的旋转装置650的驱动下输送被装载的基片100。
装载装置210被安装在靠近传送带600的一端。一个机器人臂270顺序地将基片100装载到输送机传送带600上。一个卸载装置250安装在靠近传送带600的另一端。一个在卸载装置250中的机器人臂270’顺序地将装载在传送带600上并输送的基片卸载下来。
反应气体供应装置450和460被安装到面对被装载的基片100的位置，上述反应气体供应装置450和460用于将在合成碳纳米管中使用的反应气体供应到基片100上，该基片100被装载装置210装载到输送机传送带600上并传送。每个反应气体供应装置450和460(可以是喷嘴)将反应气体供应到在传送带100上传送的基片上。
合成碳纳米管需要准备一定数量的反应气体供应装置450和460。例如，首先安装第一反应气体供应装置450，在第一反应气体供应装置安装完成以后安装第二反应气体供应装置460，第一反应气体容器310与第一反应气体供应装置450相连通，第二反应气体容器350与第二反应气体供应装置460相连通。于是，当在传送带600上被传送的基片100经过安装有第一反应气体供应装置450的区域下方的时候，第一反应气体被供应到该基片100上，当在传送带600上被传送的基片100经过安装有第二反应气体供应装置460的区域下方的时候，第二反应气体被供应到该基片100上。
在同时，用于加热基片100或靠近基片100的区域的基片加热装置700被安装到用于传送基片100的传送带600的后面。基片加热装置700提供热量以便供应到被传送的基片100上的反应气体在基片上发生反应。根据传送带600的区域，基片加热装置700能够将基片加热到不同的温度。例如，基片加热装置700将面对第一反应气体供应装置450的区域加热到在大约700℃和1100℃之间的一个温度，并将面对第二反应气体供应装置460的区域加热到在大约500℃和1100℃之间的一个温度。在下文将详细描述温度条件，但是该温度对应于合成碳纳米管所需的温度。
同时，风扇800被安装在传送带600的下方以作为一个用于排出在基片100上合成和生长碳纳米管所使用的反应气体的排气装置。传送带600、反应气体供应装置450和460被安装在腔室900中，腔室900保持在大气压力或以下。可是，为了便于处理，腔室900被保持在大气压力上。
通过描述在基片100上合成碳纳米管的方法，将更加详细地描述根据本发明第一实施例的热化学汽相沉积设备的操作和使用该设备的方法。
如图1所示，分别准备大尺寸的基片100以包括在其表面上的过渡金属层(未示出)。过渡金属层被用作在碳纳米管合成中的催化剂。过渡金属层可以通过热沉积或溅射、或离子束沉积等方法形成，它的厚度大约为3nm到200nm，优选为3nm到50nm。在此，过渡金属层可以由钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)、钇(Y)、钴镍合金、钴铁合金、镍铁合金、钴镍铁合金、钴镍钇合金或钴钇合金形成。
同时，基片100可以由特殊需要的不同的金属形成。例如，基片100可以由玻璃、铝或硅形成大的尺寸。基片100被装载到装载装置210上。基片100通过装载装置210的机器人臂270被顺序地装载到传送的传送带600上。基片100被传送带600传送。
同时，第一反应气体供应装置450将来自第一反应气体容器310的氨气供应到传送经过第一反应气体供应装置450下方的基片100上。氨气用于侵蚀在基片100上的过渡金属层。在此，可以在基片100上供应氢气以代替氨气。
如上所述，通过供应的氨气，过渡金属层被侵蚀为细粒。具体来说，在第一反应气体供应装置450下方的区域或经过第一反应气体供应装置450下方的基片100被安装在传送带600下面的基片加热装置700加热到在大约700℃和1100℃之间的一个温度，优选在大约800℃和900℃之间的一个温度。供应到被加热区域的氨气于是被热作用或分解，借此过渡金属层被侵蚀为细粒。供应到加热区域或基片100上的氨气可以在大约80sccm(标准立方厘米每分钟)和1000sccm之间。
于是经过第一反应气体供应装置450后的基片100的表面上保留有过渡金属层的细粒。当基片100通过传送带600到达面对第二反应气体供应装置460的区域时，第二反应气体(例如碳化气体)被供应到基片100上。因为面对第二反应气体供应装置460的区域通过基片加热装置700保持在在大约500℃和1100℃之间的一个温度，碳化气体被分解并且将一个碳源提供到基片100上，该碳源与过渡金属层的细粒合成成为碳纳米管。于是，碳纳米管被合成并垂直布置地生长在基片100上。
用于供应碳的气体，例如乙炔气体、甲烷气体、丙烷气体或乙烯气体被用作碳化气体，并且该碳化气体可以以在大约20sccm和1000sccm之间的一个低流量被供应到通过第二反应气体供应装置460的被加热区域或基片。另外，包含氨气或/和氢气的碳化气体能够从第二反应气体容器460中被输出。在此，最大的碳化气和氢气或氨气的比率为1∶1、1∶2、1∶3或1∶4。
具有碳纳米管被合成的表面的基片100通过传送带600被传送并通过附近的卸载装置250的机器人臂270’被卸载。
大尺寸的基片100通过传送带600被顺序地传送以进行上述的操作。当使用根据本发明第一实施例的热化学汽相沉积设备合成碳纳米管时，碳纳米管能够被顺序和连续地合成在大尺寸基片100上。也就是说，垂直布置的碳纳米管能够在很短的时间内合成在基片100上。
参考图2，在根据本发明第二实施例的热化学汽相沉积设备中，围绕第一反应气体供应装置450(例如围绕喷嘴)安装第一反应气体加热装置510，围绕第二反应气体供应装置460安装第二反应气体加热装置550。反应气体加热装置510和550通过加热流经反应气体供应装置450和460的反应气体使反应气体反应或分解。
通过描述在基片100上合成碳纳米管的方法，将更加详细地描述根据本发明第二实施例的热化学汽相沉积设备的操作和使用该设备的方法。
如图2所示，如第一实施例所述，基片100包括在其表面上的过渡金属层(未示出)，基片100被装载到装载装置210上。在此，基片100可以由玻璃、铝或硅形成，如前所述。但是在第二实施例中，基片100优选由玻璃形成。在玻璃被用作大尺寸基片的情况下，基片100可以被用在诸如场发射装置(FED)或真空发射装置(VFD)或白光源的成形设备中。也就是说，因为基片100由玻璃形成，可以应用用于显示和设备的已知的真空密封工艺。
可是，当基片100由玻璃形成时，主要在显示中使用的玻璃基片100的熔点低于大约550℃。于是，如第一实施例所述，当基片100通过基片加热装置700加热到在大约700℃和1100℃之间的一个温度时，基片100本身会被融化。
在第二实施例中，为了防止基片100融化，安装到传送带600下面的基片加热装置700将经过被加热区域的基片100或传送带600的区域加热到在大约500℃和550℃之间的一个温度。于是，玻璃基片100在碳纳米管合成的期间不会融化。
可是，如上所述，为了分解作为侵蚀气体的氨气或用于提供碳源的乙炔气体，温度必须是大约700℃或更高。为此，在第二实施例中，围绕着反应气体供应装置450和460安装有反应气体加热装置510和550。
也就是说，第一反应气体加热装置510将流过第一反应气体供应装置450的第一反应气体(例如氨气或氢气)加热到在大约700℃和1100℃之间的一个温度，优选加热到大约800℃和900℃之间的一个温度。于是，氨气被热分解，热分解反应物被输送到经过第一反应气体供应装置450的基片100上。诸如氨气的侵蚀气体的热分解反应可以发生在第一反应气体供应装置450中。
热分解氨气(即反应物)侵蚀制备在基片100上的过渡金属层并在基片1000表面上形成用作的催化剂的细粒。类似的是，尽管围绕基片100的温度维持在550℃，热分解的氨气(即反应物)被供应到基片100上，接着可以进行过渡金属层的侵蚀反应。
形成有细粒的表面的基片通过传送带600被传送到第二反应气体供应装置460的下方。热分解的第二反应气体(即反应物)通过第二反应气体供应装置460被供应到基片100上。为此，第二反应气体加热装置550被围绕着第二反应气体供应装置460安装，以加热流过第二反应气体供应装置460的第二反应气体。另外，氨气或/和氢气与碳化气体的混合物通过第二反应气体供应装置460被供应到基片100上。
在此，碳化气体被加热到在大约500℃和1100℃之间的一个温度，优选加热到大约900℃左右的一个温度，然后在碳化气体流出第二反应气体供应装置460之前被热分解。碳化气体可以以大约20sccm的低流量被供应到基片100上。在此，氨气或/和氢气可以进一步与碳化气体混合。在这个情况下，碳化气与氨气的混合比例可以为大约1∶1、1∶2、1∶3或1∶4。
借助于被用作催化剂在基片100上形成的过渡金属层的细粒，热分解的乙炔气体被合成为碳纳米管。在此，基片100通过基片加热装置700维持在大约500℃和550℃之间的一个温度，接着可以完全地进行碳纳米管的合成。
下一步，通过传送带600传送合成并生长有碳纳米管的基片100，然后被卸载装置210的机器人臂270’卸载。
通过传送带600顺序传送大尺寸基片100以进行上述步骤。另外，当使用第二实施例的热化学汽相沉积设备成形碳纳米管时，碳纳米管可以顺序连续地成形大尺寸基片100上，而不需要超过700℃的温度。也就是说，可以在很短的时间在基片100上形成大量的垂直分布的碳纳米管，该基片100像玻璃一样具有较低的熔点而不能被过度加热。
以上通过优选实施例特定地描述和显示了本发明，本技术领域的普通技术人员可以理解在不脱离本发明的精神和保护范围下可以作出不同的变化和修改。
权利要求
1．一种热化学汽相沉积设备，包括顺序接收和传送多个基片的传送带；用于驱动传送带的旋转装置；用于顺序将基片装载到上述传送带上的装载装置；用于将传送带传送的基片卸载的卸载装置，该卸载装置与上述装载装置相对；用于供应反应气体的反应气体供应装置，该反应气体用于在被传送带传送的基片上合成碳纳米管；用于加热装载在传送带上的基片加热装置，用于反应气体的热分解；以及用于排出反应产物气体的排气装置。
2．根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述反应气体供应装置包括第一反应气体供应装置，用于将第一反应气体供应到装载在传送带上的基片上；以及安装在第一反应气体供应装置后面的第二反应气体供应装置，用于在第一反应气体反应之后，将第二反应气体供应到被传送带传送的基片上。
3．根据权利要求2所述的设备，其特征在于所述基片加热装置将面对第一反应气体供应装置的传送带区域加热到一个在700℃和1100℃之间的温度，以及所述基片加热装置将面对第二反应气体供应装置的传送带区域加热到一个在500℃和1100℃之间的温度。
4．根据权利要求2所述的设备，其特征在于所述基片在基片表面上包括一个被用作催化剂的过渡金属层，所述第一反应气体为氨气，用于将所述过渡金属层侵蚀为细粒，以及所述第二反应气体为碳化气体，可以是乙炔气体、甲烷气体、丙烷气体或乙烯气体、或氨气或氢气与一种碳化气体混合的气体。
5．根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述装载装置和卸载装置包括用于拾取基片的机器人臂。
6．一种热化学汽相沉积设备，包括顺序接收和传送多个基片的传送带；用于驱动传送带的旋转装置；用于顺序将基片装载到上述传送带上的装载装置；用于将传送带传送的基片卸载的卸载装置，该卸载装置与上述装载装置相对；用于供应反应气体的反应气体供应装置，该反应气体用于在被传送带传送的基片上合成碳纳米管；围绕上述反应气体供应装置安装的反应气体加热装置，用于加热流过反应气体供应装置的反应气体；用于加热装载在传送带上的基片加热装置；以及用于排出反应产物气体的排气装置。
7．根据权利要求6所述的设备，其特征在于所述反应气体供应装置包括第一反应气体供应装置，用于将第一反应气体供应到装载在传送带上的基片上；以及安装在第一反应气体供应装置后面的第二反应气体供应装置，用于在第一反应气体反应之后，将第二反应气体供应到被传送带传送的基片上。
8．根据权利要求7所述的设备，其特征在于所述反应气体加热装置包括围绕第一反应气体供应装置安装的第一反应气体加热装置；以及围绕第二反应气体供应装置安装的第二反应气体加热装置。
9．根据权利要求8所述的设备，其特征在于第一反应气体加热装置将流过第一反应气体供应装置的反应气体加热到一个在700℃和1100℃之间的温度，以及第二反应气体加热装置将流过第二反应气体供应装置的反应气体加热到一个在500℃和1100℃之间的温度，以及所述基片加热装置将装载在传送带上的基片加热到一个在400℃和600℃之间的温度。
10．根据权利要求7所述的设备，其特征在于所述基片在基片表面上包括一个被用作催化剂的过渡金属层，所述第一反应气体为氨气，用于将所述过渡金属层侵蚀为细粒，以及所述第二反应气体为碳化气体，可以是乙炔气体、甲烷气体、丙烷气体或乙烯气体、或氨气或氢气与一种碳化气体混合的气体。
11．一种合成碳纳米管的步骤，包括以下步骤通过装载装置将多个基片顺序装载到传送带上；通过旋转装置驱动传送带并顺序传送被装载的基片；通过加热装置加热装载到传送带上的基片，从反应气体供应装置中供应反应气体到被传送的基片上，并且在被传送的基片上合成碳纳米管；以及通过与装载装置相对的卸载装置，顺序卸载合成有碳纳米管的基片。
12．根据权利要求11所述的方法，其特征在于还包括在基片上形成用作催化剂的过渡金属层的步骤。
13．根据权利要求11所述的方法，其特征在于过渡金属层可以由钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)、钇(Y)、钴镍合金、钴铁合金、镍铁合金、钴镍铁合金、钴镍钇合金或钴钇合金形成。
14．根据权利要求11所述的方法，其特征在于合成碳纳米管的步骤还包括以下步骤将第一反应气体供应到经过反应气体供应装置的第一反应气体供应装置的传送基片上并将过渡金属层侵蚀为细粒；以及在第一反应气体供应完成以后，通过反应气体供应装置的第二反应气体供应装置，将用于合成碳纳米管的第二反应碳化气体供应到通过传送带传送的基片上。
15．根据权利要求14所述的方法，其特征在于所述第一反应气体为氨气，以及所述第二反应气体为碳化气体，可以是乙炔气体、甲烷气体、丙烷气体或乙烯气体、或氨气或氢气与一种碳化气体混合的气体。
16．根据权利要求14所述的方法，其特征在于第一反应气体所供应的传送带的区域通过加热装置被加热到一个在700℃和1100℃之间的温度，以及第二反应气体所供应的传送带的区域通过加热装置被加热到一个在500℃和1100℃之间的温度。
17．一种合成碳纳米管的步骤，包括以下步骤通过装载装置将多个基片顺序装载到传送带上；通过旋转装置驱动传送带并顺序传送被装载的基片；通过加热装置加热装载到传送带上的基片，将反应气体供应到被传送的基片上，该反应气体流过反应气体供应装置并被围绕反应气体供应装置安装的反应气体加热装置所加热，并且在被传送的基片上合成碳纳米管；以及通过与装载装置相对的卸载装置，顺序卸载合成有碳纳米管的基片。
18．根据权利要求17所述的方法，其特征在于还包括在基片上形成用作催化剂的过渡金属层的步骤。
19．根据权利要求18所述的方法，其特征在于合成碳纳米管的步骤还包括以下步骤将第一反应气体供应到传送的基片上，该第一反应气体经过反应气体供应装置的第一反应气体供应装置并被围绕第一反应气体供应装置安装的反应气体加热装置的第一反应气体加热装置加热，和将过渡金属层侵蚀为细粒；以及在第一反应气体供应完成以后，通过第二反应气体供应装置，将用于合成碳纳米管的第二反应碳化气体供应到通过传送带传送的基片上，该第二反应气体被围绕第二反应气体供应装置安装的反应气体加热装置的第二反应气体加热装置加热。
20．根据权利要求19所述的方法，其特征在于第一反应气体加热装置将流过第一反应气体供应装置的反应气体加热到一个在700℃和1100℃之间的温度，以及第二反应气体加热装置将流过第二反应气体供应装置的反应气体加热到一个在500℃和1100℃之间的温度，以及所述基片加热装置将装载在传送带上的基片加热到一个在400℃和600℃之间的温度。
全文摘要
本发明提供了热化学汽相沉积设备和使用该设备合成碳纳米管的方法。所述设备包括顺序接收和传送多个基片的传送带,用于驱动传送带的旋转装置,用于顺序将基片装载到上述传送带上的装载装置,用于将传送带传送的基片卸载的卸载装置,该卸载装置与上述装载装置相对,用于供应反应气体的反应气体供应装置,该反应气体用于在被传送的基片上合成碳纳米管,用于加热装载基片的加热装置,以及用于排出反应产物气体的排气装置。
文档编号B82B3/00GK1315588SQ0110231
公开日2001年10月3日 申请日期2001年1月31日 优先权日2000年1月26日
发明者李铁真, 柳在银 申请人:李铁真, 株式会社日进纳米技术