同心流反应器的制造方法
【专利摘要】一种气相纳米线生长装置，其包括反应室(200)、第一输入端和第二输入端(202B,202A)。第一输入端同心位于第二输入端内，并且第一输入端和第二输入端经布置，使得从第二输入端输送的第二流体在从第一输入端输送的第一流体和反应室壁之间提供包覆。可用催化剂颗粒气溶胶生长纳米线。
【专利说明】同心流反应器
[0001] 领域 本发明涉及形成线，特别涉及在无基体存在下气相合成线。
[0002] 背景 小的细长物体，通常称为纳米线、纳米棒、纳米晶须等，且一般包括半导体材料，至今已 用以下途径之一合成： -液相合成，例如胶体化学方法，如由Alivisatos等在US2005/0054004中例示， -从基体外延生长，利用或不利用催化颗粒，如由Samuelson等分别在W0 2004/004927和W0 2007/10781中展现的工作例示，或者 -气相合成，通过激光辅助催化生长方法，如由Lieber等在W0 2004/038767A2中例 /_J、i〇
[0003] 在下表中比较用这些途径得到的线的性质。
【权利要求】
1. 一种气相纳米线生长装置，所述气相纳米线生长装置包括： 反应室； 第一输入端；和 第二输入端， 其中所述第一输入端同心位于所述第二输入端内，并且所述第一输入端和第二输入端 经布置，使得从所述第二输入端输送的第二流体在从所述第一输入端输送的第一流体和所 述反应室的壁之间提供包覆。
2. 权利要求1的装置，其中所述第二输入端进一步包括多孔滤板。
3. 权利要求1的装置，其中所述装置进一步包括第一输出端和第二输出端，所述第一 输出端和第二输出端位于所述反应室中与所述第一输入端和第二输入端相对的壁，其中所 述第一输出端同心位于所述第二输出端内。
4. 权利要求3的装置，其中所述第二输出端进一步包括一个多孔滤板或多个多孔滤 板。
5. 权利要求3的装置，所述装置进一步包括一个或多个构造成加热所述反应室的加 热器，和一个或多个构造成加热所述第一输入端和第二输入端的加热器。
6. 权利要求1的装置，其中所述反应室为圆筒，所述第一输入端构造成在所述圆筒的 中部提供前体气体，所述第二输入端构造成围绕所述圆筒的外周提供包覆气体。
7. 权利要求6的装置，所述装置进一步包括第三输入端，其中所述第三输入端构造成 在所述前体气体和所述包覆气体之间提供包含催化剂颗粒的气溶胶。
8. 权利要求1的装置，其中所述反应室为长方体。
9. 权利要求8的装置，其中：所述长方体的厚度小于所述长方体在垂直于所述装置中 的流体流的平面中的长度，至少为1/2小；所述第一输入端构造成在所述长方体中部提供 包含催化剂颗粒的片形气溶胶；所述第二输入端构造成邻近所述长方体的相对壁提供第一 包覆气体部分和第二包覆气体部分；第三输入端构造成在所述气溶胶的第一侧和所述包覆 气体的第一部分之间提供包含第III族的第一前体气体，第四输入端构造成在所述气溶胶 的第二侧和所述包覆气体的第二部分之间提供包含第V族的第二前体气体。
10. 权利要求1的装置，其中：所述反应室为圆筒；所述第一输入端构造成在所述圆筒 的中部提供包含催化剂颗粒的气溶胶；所述第二输入端构造成围绕所述反应室的外周提供 包覆气体和包含第V族的第二前体气体的混合物；第三输入端构造成围绕所述气溶胶提供 包含第III族的第一前体气体；第四输入端构造成在所述混合物和所述包含第III族的第 一前体气体之间提供包覆气体。
11. 权利要求3的装置，所述装置进一步包括位于所述第一输入端和第二输入端或第 一输出端和第二输出端至少之一的热电偶，和构造成监测所述一个或多个热电偶并调节所 述一个或多个加热器的控制器。
12. 权利要求3的装置，所述装置进一步包括操作性连接到所述第二输出端的冷却元 件。
13. 权利要求3的装置，所述装置进一步包括至少一个提升机构，该提升机构构造成 移动所述第一输入端和第二输入端，移动所述第一输出端和第二输出端，或既移动所述第 一输入端和第二输入端也移动所述第一输出端和第二输出端，使得能够增加或减小所述第 一输入端和第二输入端与所述第一输出端和第二输出端之间的距离。
14. 权利要求1的装置，其中所述第一输入端和第二输入端与所述第一输出端和第二 输出端包括连接到相应输入端和输出端的相应输入导管和输出导管。
15. -种制造纳米线的方法，所述方法包括： 将第一气流提供到第一反应室，其中所述第一气流包括用于制造所述纳米线的第一前 体； 将第二气流提供到所述第一反应室，其中所述第二气流形成使所述所述第一气流与第 一反应室的壁分隔的包覆；和 在所述第一反应室内在气相中生长所述纳米线。
16. 权利要求15的方法，所述方法进一步包括从所述第一气流或所述第二气流至少 之一中的气溶胶提供纳米线生长催化剂颗粒。
17. 权利要求15的方法，其中所述第一气流包含前体分子，所述前体分子在所述第一 反应室裂解，并形成纳米线生长催化剂颗粒。
18. 权利要求16的方法，其中所述包含催化剂颗粒的第一气流顺序流动通过所述第 一反应室的一个或多个反应区域，以便从所述催化剂颗粒生长纳米线，并且在通过所述反 应区域后生长的纳米线由所述第二气体包覆环绕的第一气流携带。
19. 权利要求16的方法，其中所述催化剂颗粒具有相互不同的大小。
20. 权利要求16的方法，其中所述催化剂颗粒带电荷。
21. 权利要求15的方法，其中所述第一气流包含用于制造所述纳米线的第二前体。
22. 权利要求15的方法，其中所述第二气流包含惰性载气。
23. 权利要求15的方法，所述方法进一步包括加热所述第一反应室。
24. 权利要求15的方法，所述方法进一步包括预热所述第一气流。
25. 权利要求15的方法，所述方法进一步包括预热所述第二气流。
26. 权利要求15的方法，其中所述第二气流沿着所述第一反应室的壁处于层流。
27. 权利要求15的方法，其中第一气流和所述第二气流同心在所述第一反应室中流 动，并且所述第一气流由所述第二气流环绕。
28. 权利要求16的方法，其中所述第一气流包括包含催化剂颗粒的气溶胶和所述第 一前体及第二前体，所述第二气流包括惰性气体，且包含所述纳米线的第一气流在离开所 述弟一反应室后收集。
29. 权利要求15的方法，所述方法进一步包括监测通到所述第一反应室的第一输入 导管中第一气流的温度，并根据监测的温度调节所述第一气流的温度。
30. 权利要求29的方法，所述方法进一步包括监测通到所述第一反应室的第二输入 导管中第二气流的温度，并根据监测的温度调节所述第二气流的温度。
31. 权利要求30的方法，其中所述第一反应室包括第一输入端和第二输入端，以将所 述第一气流和第二气流输入到所述第一反应室，并包括第一输出端和第二输出端，以从所 述第一反应室去除所述第一气流和第二气流，所述方法进一步包括升高或降低所述第一反 应室中的第一输入端和第二输入端或第一输出端和第二输出端，从而减小或增加所述第一 反应室中反应区域的长度。
32. 权利要求15的方法，所述方法进一步将具有第一导电类型的第一掺杂剂气体加 入到所述第一气流，以形成第一导电类型的半导体纳米线。
33. 权利要求32的方法，所述方法进一步在加入所述第一掺杂剂气体的步骤后将具 有第二导电类型的第二掺杂剂气体加入到所述第一气流，以在所述纳米线中形成p-n或 p-i-n 结。
34. 权利要求33的方法，其中所述纳米线包括具有在纵向上分离的p-型和n-型区域 的纵向纳米线。
35. 权利要求34的方法，其中控制一个或多个温度范围、压力范围或前体浓度范围， 以形成纵向纳米线。
36. 权利要求33的方法，其中所述纳米线包括具有由第二导电类型壳包围的第一导 电类型芯的径向纳米线。
37. 权利要求15的方法，其中所述第一前体包括第IIIA族金属有机化合物，所述第二 前体包括第VA族化合物。
38. 权利要求37的方法，其中所述第一前体包括三甲基镓或三乙基镓，所述第二前体 包括胂。
39. 权利要求16的方法，其中所述催化剂颗粒包括八113§、(：11、？6、附、6&、111或41中 的一个或多个。
40. 权利要求39的方法，其中所述催化剂颗粒作为气溶胶提供到所述第一气流。
41. 权利要求15的方法，其中所述纳米线包括IV、III-V或II-VI半导体纳米线。
42. 权利要求41的方法，其中所述纳米线包括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. 权利要求16的方法，其中所述纳米线通过化学气相沉积于所述第一气流中气相 内的催化剂颗粒上生长。
44. 权利要求15的方法，所述方法进一步包括收集纳米线，和包括以下至少之一：在 基体上使所述纳米线沉积或取向。
45. 权利要求15的方法，其中所述纳米线在连续过程中制造和收集。
46. 权利要求44的方法，其中所述基体位于所述第一反应室外，且在从所述第一反应 室离开后从所述第一气流收集所述纳米线。
47. 权利要求15的方法，其中所述第一气流的时间、温度和气体组成特性由所述第二 气流限制，以制造具有受控尺寸分布的纳米线。
48. 权利要求15的方法，其中所述第二气流减小所述反应器的壁对所述第一气流中 纳米线生长的影响。
49. 权利要求15的方法，所述方法进一步包括利用所述第一气流或第二气流的流速 至少之一控制所述纳米线的长度分布。
50. 权利要求16的方法，所述方法进一步包括在所述第一反应室中利用窄速度分布 控制所述催化剂颗粒的停留时间，以控制在所述第一反应室中生长的纳米线的长度分布。
51. 权利要求15的方法，其中所述纳米线长度的标准偏差为平均纳米线长度的< 5%。
52. 权利要求51的方法，其中标准偏差为3-5%。
53. 权利要求15的方法，所述方法进一步包括： 将所述纳米线从所述第一反应室提供到第二反应室； 将第三气流提供到所述第二反应室，其中所述第三气流包括用于制造所述纳米线的第 二前体； 将第四气流提供到所述第二反应室，其中所述第四气流形成使所述第三气流与所述第 二反应室的壁分隔的包覆；和 进一步在所述第二反应室内在气相中生长所述纳米线。
54. 权利要求53的方法，其中所述第二前体不同于所述第一前体。
55. 权利要求53的方法，所述方法进一步包括将具有第一导电类型的第一掺杂剂气 体加入到所述第一反应室中的第一气流，以在所述第一反应室中生长第一导电类型的半导 体纳米线。
56. 权利要求55的方法，所述方法进一步包括将具有第二导电类型的第二掺杂剂气 体加入到所述第二反应室中的第三气流，以在所述第一导电类型的半导体纳米线上形成第 二导电类型部分。
57. 权利要求53的方法，其中所述第一气流具有小于所述第二气流的速度，所述第三 气流具有小于所述第四气流的速度。
58. 权利要求53的方法，所述方法进一步包括在达到所述第二反应室之前从所述第 一反应室去除所述第二气流。
59. 权利要求15的方法，其中：所述反应室为圆筒；所述第一气流在所述圆筒中部流 动；所述第二气流围绕所述圆筒外周流动；并进一步包括在所述第一气流和所述第二气流 之间流动的包含催化剂颗粒的第三气溶胶流。
60. 权利要求15的方法，其中：反应室为长方体；包含催化剂颗粒的片形气溶胶在所 述长方体中部流动；所述第二气流包含邻近所述长方体的相对壁的第一包覆气体部分和第 二包覆气体部分；所述第一气流包括在所述气溶胶的第一侧和所述包覆气体的第一部分之 间流动的包含第III族的第一前体气体；第四气流包括在所述气溶胶的第二侧和所述包覆 气体的第二部分之间流动的包含第V族的第二前体气体。
61. 权利要求15的方法，其中：所述反应室为圆筒；包含催化剂颗粒的气溶胶在所述 圆筒的中部流动；所述第二气流包括围绕所述反应室的外周流动的包覆气体和包含第V族 的第二前体气体的混合物；所述第一气流包括围绕所述气溶胶流动的包含第III族的第一 前体气体；并且另外的包覆气流在所述混合物和所述第一气流之间流动。
62. -种纳米线生长系统，所述纳米线生长系统包括： 权利要求1的装置； 流体连接到所述第一输入端的第一流体储器；和 流体连接到所述第二输入端的第二流体储器。
63. 权利要求62的纳米线生长系统，其中： 所述第一储器包括包含第一前体气体的储器；并且 所述第二储器包括包含第二前体气体或惰性气体的储器。
64. 权利要求62的纳米线生长系统，所述纳米线生长系统进一步包括流体连接到所 述第一输入端的第三储器，其中所述第三储器包含第二前体气体。
65. 权利要求64的纳米线生长系统，所述纳米线生长系统进一步包括流体连接到所 述第一输入端的至少一个第四储器，其中所述至少一个第四储器包含掺杂剂气体。
66. 权利要求62的纳米线生长系统，所述纳米线生长系统进一步包括流体连接到所 述第一输入端的气溶胶源，所述气溶胶源包含纳米线生长催化剂颗粒。
67. 权利要求62的纳米线生长系统，其中所述系统在所述反应室中没有沉积基体。
68. -种纳米线生长装置，所述纳米线生长装置包括： 用于将第一气流提供到反应室的装置，其中所述第一气流包括用于制造所述纳米线的 第一前体； 用于将第二气流提供到所述反应室的装置，其中所述第二气流形成使所述第一气流与 所述反应室的壁分隔的包覆；和 用于在所述反应室内在气相中生长纳米线的装置。
69. 权利要求68的纳米线生长装置，所述纳米线生长装置进一步包括用于将纳米线 生长催化剂颗粒提供到所述反应室的装置。
70. 权利要求69的纳米线生长装置，所述纳米线生长装置进一步包括用于使所述催 化剂颗粒雾化的装置。
71. 权利要求69的纳米线生长装置，所述纳米线生长装置进一步包括用于加热所述 反应室的装置。
72. -种纳米线生长系统，所述纳米线生长系统包括： 权利要求68的装置； 用于储存所述第一前体气体的第一装置；和 用于储存所述第二气体的第二装置。
73. -种纳米线生长系统，所述纳米线生长系统包括： 两个或更多个权利要求1的装置的堆。
74. 权利要求73的系统，所述系统进一步包括包围所述堆的外壳。
75. 权利要求3的装置，其中所述第一输出端和第二输出端与所述第一输入端和第二 输入端垂直对准。
【文档编号】C30B25/02GK104508190SQ201380039432
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年5月24日 优先权日:2012年5月25日
【发明者】阿科特 G., 马格努斯森 M., 波斯特 O., 德佩特 K., 萨姆伊森 L., 欧森 J. 申请人:索尔伏打电流公司