专利名称：碳纳米管生长装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种碳纳米管生长装置及方法，尤其是关于利用化学气相沉积法进行碳纳米管生长的碳纳米管生长装置及方法。
背景技术：
碳纳米管是一种新型碳材料，由日本研究人员Iijima于1991年发现，请参见″Helical microtubules of graphitic carbon″，S Iijima，Nature，vol.354，p56(1991)。碳纳米管具有极优异的导电性能，且其具有几乎接近理论极限的尖端表面积(尖端表面积愈小，其局部电场愈集中)，所以碳纳米管是已知最好的场发射材料之一，它具有极低的场发射电压，可传输极大的电流密度，并且电流极稳定，因而非常适合做场发射器件的场发射材料。
目前，碳纳米管的制备方法很多，其大致可分为石墨电极电弧放电沉积法、激光蒸发沉积法、及化学气相沉积法等。其中，化学气相沉积法因其可应用于大表面积的碳纳米管生长而成为目前最主要的方法之一。
现有技术中已揭露一种化学气相沉积法—热化学气相沉积法，其是将表面形成有催化剂(如铁、钴、镍、或其合金)的基底置于一石英管中，采用一加热炉对该石英管内的催化剂加热至高温(如700～1200摄氏度(℃))；再将CH4、C2H2、C2H4等碳氢化合物反应气体通入高温的石英管中进行反应，生长出碳纳米管。然而，该种热化学气相沉积法的碳纳米管生长温度过高(一般为700～1200℃)，其造成许多应用上的阻碍。例如，冷阴极场发射显示器用阴极基底一般选用玻璃，该种玻璃的应变点(Strain Point)最高为666℃；因此上述热化学气相沉积法就不适合于在该种玻璃上直接生长碳纳米管以用于冷阴极场发射显示器。
现有技术中已揭露另一种化学气相沉积法—等离子体辅助化学气相沉积法，其是利用一高频电源(如射频电源及微波电源)激发出等离子体来替代热化学气相沉积法使用的加热炉来加热催化剂以进行碳纳米管生长。该种等离子体辅助化学气相沉积法的碳纳米管生长温度可达600℃以下，其在一定程度上可克服热化学气相沉积法生长碳纳米管温度过高的缺陷。然而利用等离子体激发对催化剂加热所需等离子体功率一般需为1～5千瓦特(kW)，其功率较高，造成能耗较大。
有鉴于此，有必要提供一种改进的碳纳米管生长装置及方法，其可具有生长温度较低等特点。
发明内容下面将以具体实施例说明一种碳纳米管生长装置及方法，其可具有生长温度较低等特点。
为实现上述内容，提供一种碳纳米管生长装置，其包括一反应腔，其具有一进气口；至少一微流管，其与该进气口相连接，该微流管用于碳纳米管生长用碳源气的预解离；及一加热装置，用以对通过该微流管的碳源气进行加热解离。
第一实施例中，所述碳纳米管生长装置可为等离子体辅助化学气相沈积碳纳米管生长装置，其进一步包括一对相对设置的电极，其位于该反应腔内；及一高频电源，其用于向该电极施加一电压。
另一实施例中，所述碳纳米管生长装置可为热化学气相沈积碳纳米管生长装置，其进一步包括一供装载于该反应腔内的碳纳米管生长用催化剂加热的加热装置。
以及，提供一种碳纳米管生长方法，其包括以下步骤将一表面形成有一催化剂层的基底装载于一反应腔内；通过至少一被加热的微流管向一反应腔内通入预解离碳源气；以该预解离碳源气为碳源，在该反应腔内进行化学气相沉积生长碳纳米管。
所述碳纳米管生长温度可为300～600摄氏度(℃)；所述化学气相沉积法包括热化学气相沉积法及等离子体辅助化学气相沉积法。所述微流管是通过一加热装置加热至600～1200℃。
相对于现有技术，本发明实施例所提供的碳纳米管生长装置及方法，其通过设置一向反应腔提供碳源气的微流管及供通过该微流管的碳源气进行高温加热的加热装置，由于微流管具有较小的管径面积，其将向反应腔内提供一预解离的碳源气，进而可有效降低碳纳米管生长温度。若采用等离子体辅助气相沉积法进行碳纳米管生长，还可有效降低等离子体功率。
图1是本发明第一实施例碳纳米管生长装置的示意图。
图2是本发明第二实施例碳纳米管生长装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明实施例作进一步的详细说明。
参见图1，本发明第一实施例所提供的碳纳米管生长装置10，用于等离子体辅助化学气相沉积生长碳纳米管，其包括反应腔12，微流管16，及加热装置18。
其中，反应腔12上部设置有一进气口128，以供向该反应腔12提供一碳纳米管生长用碳源。该反应腔12下部还设置有一出气口129，其可外接一泵浦，用以维持碳纳米管生长时该反应腔12的腔内压强。
在该反应腔12内，还设置有一第一电极120及与该第一电极120相对设置的第二电极122；进气口128以设置于该第一电极120与第二电极122之间为佳。在反应腔12外部设有一高频电源14，该第一电极120及第二电极122与高频电源14相连接。该高频电源14可在第一电极120及第二电极122之间施加一高频电压，其可为一射频电源或微波电源。本实施例中，高频电源是指其输出频率为50千赫兹(kHz)及以上的电源；对于射频电源，其输出频率范围为50kHz～300兆赫兹(MHz)；对于微波电源，其输出频率范围为300MHz～300千兆赫兹(GHz)。其中，典型的微波电源的输出频率为2.45GHz及915MHz；典型的射频电源的输出频率为13.56MHz。
微流管16一端与该进气口128相连接，用于向该反应腔12提供一预解离碳源气；其另一端与气体入口121相连接，用以接收由一气体供给装置提供的碳源气，该碳源气可选用CH4、C2H2、C2H4等碳氢化合物。本实施例中，设置有一个微流管16(如图1所示)，当然，也可设置多个微流管，以增加气体流量。该微流管的直径一般为1毫米(mm)及以下；本实施例优选为100～1000微米(μm)。由于微流管16的管径面积较小，碳纳米管生长用碳源气通过该微流管16时容易受热而解离，即碳源气进入反应腔12之前被预解离；然后该预解离的碳源气进入反应腔12内的第一电极120与第二电极122之间，在第一电极120与第二电极122之间的高频电场作用下将产生一等离子体126以用于碳纳米管生长。
加热装置18用于对通过微流管16的碳源气等气体进行加热至高温，一般为600～1200℃。该加热装置18可选用现有技术中热化学气相沉积法生长碳纳米管用高温炉；该高温炉可环绕于微流管16，并对其进行加热，由于微流管16的管径面积较小，该高温炉可对通过微流管16的碳源气等气体进行迅速加热至其热分解。
本碳纳米管生长装置10，通过微流管16及加热装置18对碳源气进行预解离，其可有效降低反应腔12内碳纳米管生长所需等离子体功率，其可为200～600W(瓦特)。
下面将具体描述本实施例中碳纳米管生长装置10的工作过程(1)将一基底123置于反应腔12内的第一电极120与第二电极122之间，或第一电极120上，并对该反应腔12抽真空。该第一电极120接地(如图1所示)，其表面形成有一催化剂层124，该催化剂层124将用作碳纳米管生长的触媒层。该基底123可选用石英、玻璃、硅等材料。该催化剂层124的材质可选用现有技术中常用的铁、钴、镍、或其合金等。
(2)通过一气体供给装置(图未示)经由气体入口121向微流管16提供一碳源气，并对微流管16加热，该碳源气应受热而发生预解离。所述碳源气可为CH4、C2H2、C2H4等碳氢化合物；优选的，向微流管16内通入碳源气与氨气的混合气体，氨气的通入可促进碳源气的分解及提高催化剂的成核率，进而加速碳纳米管的生长。碳源气的流量控制为20～60标准立方厘米每分钟(sccm)，若选用通入碳源气与氨气的混合气体，可控制碳源气与氨气的流量比为1∶10～1∶2。本实施例选用碳源气与氨气的混合气体作碳纳米管生长用气体。通过微流管16的混合气经加热装置18加热至高温(一般为600～1200℃)，由于微流管16的管径面积较小(一般为1mm及以下，优选为100～1000μm)；该混合气体将在流经该微流管16的过程中被预解离。
(3)开启高频电源14，在第一电极120与第二电极122之间施加一高频电压以等离子体辅助化学气相沉积法进行碳纳米管生长。本实施例选用的高频电源14为微波电源，其输出频率设置为2.45GHz，输出功率为500W。经微流管16预解离的混合气体通过反应腔12的进气口进入第一电极120与第二电极122之间，在高频电场作用下产生一等离子体126，进行等离子体辅助化学气相沉积法生长碳纳米管，基底123的具有催化剂层124的位置将生长出碳纳米管。所述等离子体126的产生区域覆盖催化剂层124。在碳纳米管之生长过程中，通过出气口129外接一泵浦(图未示)进行抽气，以保持反应腔12内的压强为10～100Torr(托)；反应腔12内的温度范围为300～550℃。
(4)待碳纳米管生长30秒～30分钟后，关闭高频电源14；碳纳米管的生长时间可根据所需碳纳米管的长度确定。碳纳米管停止生长后，先停止供应碳源气，再待反应腔内温度达到室温后，停止供应氨气。取出基底123，即可获取所需碳纳米管。
第二实施例参见图2，本发明第二实施例所提供的碳纳米管生长装置20，用于热化学气相沉积生长碳纳米管，其包括反应腔22，微流管26，及加热装置28。
其中，反应腔22一端设置有一进气口228，以供向该反应腔22提供一碳纳米管生长用碳源。该反应腔12下部还设置有一出气口229，其可外接一泵浦，用以维持碳纳米管生长时该反应腔22的腔内压强。
在该反应腔22的外部设置有一加热装置24，以供装载于该反应腔22内的碳纳米管生长用催化剂加热。该加热装置24可选用现有技术中热化学气相沉积法生长碳纳米管用高温炉；或选用高频炉，其可仅对导体加热，有利于在催化剂位置形成明显温度梯度，进而可利于碳纳米管的快速生长。
微流管26一端与该进气口228相连接，用于向该反应腔22提供一预解离碳源气；其另一端与气体入口221相连接，用以接收由一气体供给装置提供的碳源气。本实施例中，设置有一个微流管26(如图2所示)，当然，也可设置多个微流管，以增加气体流量。该微流管的直径一般为1mm及以下；本实施例优选为100～1000μm。由于微流管26的管径面积较小，碳纳米管生长用碳源气通过该微流管26时容易受热而解离，即碳源气进入反应腔22之前被预解离；然后该预解离的碳源气进入反应腔22内，在装载于反应腔22内的催化剂的催化作用下进行碳纳米管生长。
加热装置28用于对通过微流管26的碳源气等气体进行加热至高温，一般为600～1200℃。该加热装置28可选用现有技术中热化学气相沉积法生长碳纳米管用高温炉；该高温炉可环绕于微流管26，并对其进行加热，由于微流管26的管径面积较小，该高温炉可对通过微流管26的碳源气等气体进行迅速加热至其热分解。
本碳纳米管生长装置20，通过微流管26及加热装置28对碳源气进行预解离，其可有效降低反应腔12内热化学气相沉积生长碳纳米管所需温度，其可为300～600℃。
下面将具体描述本实施例中碳纳米管生长装置20的工作过程(1)将一表面形成有一催化剂层224的基底223置于反应腔22内，并向反应腔22通入保护气体(如氦气、氩气等惰性气体)以排除反应腔22内的空气。该催化剂层124将用作碳纳米管生长的触媒层，其材质可选用现有技术中常用的铁、钴、镍、或其合金等。该基底223可选用石英、玻璃、硅等材料。
(2)经由加热装置24加热催化剂层224至碳纳米管生长温度。该加热装置24可为一高温炉，其将反应腔22内温度升至600℃。
(3)通过一气体供给装置(图未示)经由气体入口221向微流管26提供一碳源气及保护气体的混合气体，并对微流管26加热，该碳源气应受热而发生预解离；该预解离碳源气到达反应腔22内的催化剂层224位置处进行热化学气相沉积生长碳纳米管。在碳纳米管生长过程中，保持反应腔22内的压强为400～600Torr。所述碳源气可为CH4、C2H2、C2H4等碳氢化合物；碳源气的流量控制为20～60sccm，碳源气与保护气体的流量比为1∶10～1∶2。通过微流管26的混合气经加热装置28加热至高温(一般为600～1200℃)，由于微流管26的管径面积较小(一般为1mm及以下，优选为100～1000μm)；该混合气体将在流经该微流管26的过程中被预解离。
另，本领域技术人员还可于本发明精神内做其它变化，如适当变更微流管的形状，进气口的位置，第一电极及第二电极的形状，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
权利要求
1.一种碳纳米管生长装置，其包括一反应腔，其具有一进气口；至少一微流管，其与该进气口相连接，该微流管用于碳纳米管生长用碳源气的预解离；及一加热装置，用以对通过该微流管的碳源气进行加热解离。
2.如权利要求1所述的碳纳米管生长装置，其特征在于所述微流管的直径大小范围为100～1000微米。
3.如权利要求1所述的碳纳米管生长装置，其特征在于所述加热装置为一高温炉，其环绕于该微流管。
4.如权利要求1所述的碳纳米管生长装置，其特征在于所述反应腔设置有一出气口，其与一泵浦相连接。
5.如权利要求1所述的碳纳米管生长装置，其特征在于所述碳纳米管生长装置为一等离子体辅助化学气相沈积碳纳米管生长装置，其进一步包括一对相对设置的电极，其位于该反应腔内；及一高频电源，其用于向该电极施加一电压。
6.如权利要求5所述的碳纳米管生长装置，其特征在于所述高频电源为微波电源或射频电源。
7.如权利要求1所述的碳纳米管生长装置，其特征在于所述碳纳米管生长装置为一热化学气相沈积碳纳米管生长装置，其进一步包括另一加热装置，用以供装载于该反应腔内的碳纳米管生长用催化剂加热。
8.如权利要求7所述的碳纳米管生长装置，其特征在于所述另一加热装置包括高温炉及高频炉。
9.一种碳纳米管生长方法，其包括以下步骤将一表面形成有一催化剂层的基底装载于一反应腔内；通过至少一被加热的微流管向一反应腔内提供一预解离碳源气；以该预解离碳源气为碳源，在该反应腔内进行化学气相沉积生长碳纳米管。
10.如权利要求9所述的碳纳米管生长方法，其特征在于碳纳米管的生长温度为300～600摄氏度。
11.如权利要求9项所述的碳纳米管生长方法，其特征在于所述微流管是通过一高温炉加热至600～1200摄氏度。
12.如权利要求9项所述的碳纳米管生长方法，其特征在于所述微流管的直径大小范围为100～1000微米。
13.如权利要求9所述的碳纳米管生长方法，其特征在于所述化学气相沉积包括热化学气相沉积及等离子体辅助化学气相沉积。
14.如权利要求13所述的碳纳米管生长方法，其特征在于所述等离子体辅助化学气相沉积的等离子体功率为200～600瓦特。
全文摘要
本发明涉及一种碳纳米管生长装置，其包括一反应腔，其具有一进气口；至少一微流管，其与该进气口相连接，该微流管用于碳纳米管生长用碳源气的预解离；及一加热装置，用以对通过该微流管的碳源气进行加热解离。本发明通过设置一向反应腔提供碳源气的微流管及供通过该微流管的碳源气进行高温加热的加热装置，由于微流管具有较小的管径面积，其将向反应腔内提供一解离的碳源气，进而可有效降低碳纳米管生长温度。本发明还提供一种碳纳米管生长方法。
文档编号C01B31/00GK1923677SQ20051003704
公开日2007年3月7日 申请日期2005年9月2日 优先权日2005年9月2日
发明者张庆州 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司