熱化學汽相沉積設備和使用該設備合成碳納米管的方法
2023-05-11 21:00:26
專利名稱：熱化學汽相沉積設備和使用該設備合成碳納米管的方法
技術領域：
本發明涉及碳納米管合成的製造，更具體涉及熱化學汽相沉積設備和使用該設備合成碳納米管的方法，藉此可以在大尺寸的基片上大批量地合成碳納米管。
碳納米管形成是，每個碳原子與三個相鄰的碳原子結合以形成與蜂窩相似的重複的六角形環，其被卷繞以形成柱或管。
通常碳納米管的直徑是幾個到幾十個納米之間，它們的長度是它們直徑的幾十到幾千倍。根據它們的結構，碳納米管具有諸如金屬的導電體的特性，或半導體特性(如扶手椅(armchair)的結構)。另外，碳納米管根據它們的形狀被分類為單壁納米管、多壁納米管或繩狀納米管。因為碳納米管被認為具有出色的導電性、機械強度和化學穩定性，它們在很多高科技領域的應用具有很好的前景。
最近，已經提出多種合成碳納米管的方法，以及實現這些方法的設備。例如，已經提出了電弧放電系統、雷射氣化系統、熱化學汽相沉積系統和等離子化學汽相沉積系統。在它們中間，熱化學汽相沉積系統被用於在一個基片上合成碳納米管，它通過將該基片裝入容納有高溫反應氣體的石英管中，藉此引起碳納米管形成反應。
為了解決上述問題，本發明的第一目的是提供一個在多個大尺寸基片上順序合成碳納米管的熱化學汽相沉積設備。
本發明的第二目的是提供一種使用上述熱化學汽相沉積設備的在多個大尺寸基片上合成碳納米管的方法。
因此為了實現第一目的，本發明提供了一種熱化學汽相沉積設備，包括順序接收和傳送多個基片的傳送帶，用於驅動傳送帶的旋轉裝置，用於順序將基片裝載到上述傳送帶上的裝載裝置，用於將傳送帶傳送的基片卸載的卸載裝置，該卸載裝置與上述裝載裝置相對，用於供應反應氣體的反應氣體供應裝置，該反應氣體用於在被傳送帶傳送的基片上合成碳納米管，用於加熱裝載在傳送帶上的基片加熱裝置，用於反應氣體的熱分解，以及用於排出反應產物氣體的排氣裝置。
反應氣體供應裝置包括第一反應氣體供應裝置，用於將第一反應氣體供應到裝載在傳送帶上的基片上，以及安裝在第一反應氣體供應裝置後面的第二反應氣體供應裝置，用於在第一反應氣體反應之後，將第二反應氣體供應到被傳送帶傳送的基片上。
基片加熱裝置將面對第一反應氣體供應裝置的傳送帶區域加熱到一個在700℃和1100℃之間的一個溫度，以及將面對第二反應氣體供應裝置的傳送帶區域加熱到一個在500℃和1100℃之間的一個溫度。
一個被用作催化劑的過渡金屬層被包括在基片表面上。第一反應氣體為氨氣，用於將所述過渡金屬層侵蝕為細粒，以及第二反應氣體為碳化氣體，可以是乙炔氣體、甲烷氣體、丙烷氣體或乙烯氣體、或氨氣或氫氣與一種碳化氣體混合的氣體。
該設備還包括圍繞上述反應氣體供應裝置安裝的反應氣體加熱裝置，用於加熱流過反應氣體供應裝置的反應氣體。在這個情況下，反應氣體加熱裝置的第一反應氣體加熱裝置將流過第一反應氣體供應裝置的反應氣體加熱到一個在700℃和1100℃之間的溫度；以及反應氣體加熱裝置的第二反應氣體加熱裝置將流過第二反應氣體供應裝置的反應氣體加熱到一個在500℃和1100℃之間的溫度，以及所述基片加熱裝置將裝載在傳送帶上的基片加熱到一個在400℃和600℃之間的溫度。
根據本發明，碳納米管可以被順序合成和生長在多個大尺寸基片上。
通過參考附圖對本發明優選實施例的詳細描述，本發明的上述特徵和優點將會變得更加清楚。
圖1是說明根據本發明的第一實施例在合成碳納米管中使用的熱化學汽相沉積設備；圖2是說明根據本發明的第二實施例在合成碳納米管中使用的熱化學汽相沉積設備。
本發明將參考顯示本發明優選實施例的附圖做進一步詳細的說明。可是本發明還包括許多不同的形式，並且不應當理解為受到上述實施例的限制。此外，所提供的這些實施例將使本技術領域的普通技術人員對本發明的公開內容和保護範圍有完全徹底地全面的理解。在附圖中為了表示清楚，一些部件的形式被放大。在整個附圖中相同的附圖標記表示相同的部件。
如圖1所示，本發明第一實施例的熱化學汽相沉積設備包括用於裝載多個大尺寸基片100的輸送機傳送帶600。多個大尺寸的板可以連接起來以形成輸送機傳送帶600。輸送機傳送帶600在諸如與電動機連接的旋轉軸的旋轉裝置650的驅動下輸送被裝載的基片100。
裝載裝置210被安裝在靠近傳送帶600的一端。一個機器人臂270順序地將基片100裝載到輸送機傳送帶600上。一個卸載裝置250安裝在靠近傳送帶600的另一端。一個在卸載裝置250中的機器人臂270』順序地將裝載在傳送帶600上並輸送的基片卸載下來。
反應氣體供應裝置450和460被安裝到面對被裝載的基片100的位置，上述反應氣體供應裝置450和460用於將在合成碳納米管中使用的反應氣體供應到基片100上，該基片100被裝載裝置210裝載到輸送機傳送帶600上並傳送。每個反應氣體供應裝置450和460(可以是噴嘴)將反應氣體供應到在傳送帶100上傳送的基片上。
合成碳納米管需要準備一定數量的反應氣體供應裝置450和460。例如，首先安裝第一反應氣體供應裝置450，在第一反應氣體供應裝置安裝完成以後安裝第二反應氣體供應裝置460，第一反應氣體容器310與第一反應氣體供應裝置450相連通，第二反應氣體容器350與第二反應氣體供應裝置460相連通。於是，當在傳送帶600上被傳送的基片100經過安裝有第一反應氣體供應裝置450的區域下方的時候，第一反應氣體被供應到該基片100上，當在傳送帶600上被傳送的基片100經過安裝有第二反應氣體供應裝置460的區域下方的時候，第二反應氣體被供應到該基片100上。
在同時，用於加熱基片100或靠近基片100的區域的基片加熱裝置700被安裝到用於傳送基片100的傳送帶600的後面。基片加熱裝置700提供熱量以便供應到被傳送的基片100上的反應氣體在基片上發生反應。根據傳送帶600的區域，基片加熱裝置700能夠將基片加熱到不同的溫度。例如，基片加熱裝置700將面對第一反應氣體供應裝置450的區域加熱到在大約700℃和1100℃之間的一個溫度，並將面對第二反應氣體供應裝置460的區域加熱到在大約500℃和1100℃之間的一個溫度。在下文將詳細描述溫度條件，但是該溫度對應於合成碳納米管所需的溫度。
同時，風扇800被安裝在傳送帶600的下方以作為一個用於排出在基片100上合成和生長碳納米管所使用的反應氣體的排氣裝置。傳送帶600、反應氣體供應裝置450和460被安裝在腔室900中，腔室900保持在大氣壓力或以下。可是，為了便於處理，腔室900被保持在大氣壓力上。
通過描述在基片100上合成碳納米管的方法，將更加詳細地描述根據本發明第一實施例的熱化學汽相沉積設備的操作和使用該設備的方法。
如圖1所示，分別準備大尺寸的基片100以包括在其表面上的過渡金屬層(未示出)。過渡金屬層被用作在碳納米管合成中的催化劑。過渡金屬層可以通過熱沉積或濺射、或離子束沉積等方法形成，它的厚度大約為3nm到200nm，優選為3nm到50nm。在此，過渡金屬層可以由鈷(Co)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、釔(Y)、鈷鎳合金、鈷鐵合金、鎳鐵合金、鈷鎳鐵合金、鈷鎳釔合金或鈷釔合金形成。
同時，基片100可以由特殊需要的不同的金屬形成。例如，基片100可以由玻璃、鋁或矽形成大的尺寸。基片100被裝載到裝載裝置210上。基片100通過裝載裝置210的機器人臂270被順序地裝載到傳送的傳送帶600上。基片100被傳送帶600傳送。
同時，第一反應氣體供應裝置450將來自第一反應氣體容器310的氨氣供應到傳送經過第一反應氣體供應裝置450下方的基片100上。氨氣用於侵蝕在基片100上的過渡金屬層。在此，可以在基片100上供應氫氣以代替氨氣。
如上所述，通過供應的氨氣，過渡金屬層被侵蝕為細粒。具體來說，在第一反應氣體供應裝置450下方的區域或經過第一反應氣體供應裝置450下方的基片100被安裝在傳送帶600下面的基片加熱裝置700加熱到在大約700℃和1100℃之間的一個溫度，優選在大約800℃和900℃之間的一個溫度。供應到被加熱區域的氨氣於是被熱作用或分解，藉此過渡金屬層被侵蝕為細粒。供應到加熱區域或基片100上的氨氣可以在大約80sccm(標準立方釐米每分鐘)和1000sccm之間。
於是經過第一反應氣體供應裝置450後的基片100的表面上保留有過渡金屬層的細粒。當基片100通過傳送帶600到達面對第二反應氣體供應裝置460的區域時，第二反應氣體(例如碳化氣體)被供應到基片100上。因為面對第二反應氣體供應裝置460的區域通過基片加熱裝置700保持在在大約500℃和1100℃之間的一個溫度，碳化氣體被分解並且將一個碳源提供到基片100上，該碳源與過渡金屬層的細粒合成成為碳納米管。於是，碳納米管被合成並垂直布置地生長在基片100上。
用於供應碳的氣體，例如乙炔氣體、甲烷氣體、丙烷氣體或乙烯氣體被用作碳化氣體，並且該碳化氣體可以以在大約20sccm和1000sccm之間的一個低流量被供應到通過第二反應氣體供應裝置460的被加熱區域或基片。另外，包含氨氣或/和氫氣的碳化氣體能夠從第二反應氣體容器460中被輸出。在此，最大的碳化氣和氫氣或氨氣的比率為1∶1、1∶2、1∶3或1∶4。
具有碳納米管被合成的表面的基片100通過傳送帶600被傳送並通過附近的卸載裝置250的機器人臂270』被卸載。
大尺寸的基片100通過傳送帶600被順序地傳送以進行上述的操作。當使用根據本發明第一實施例的熱化學汽相沉積設備合成碳納米管時，碳納米管能夠被順序和連續地合成在大尺寸基片100上。也就是說，垂直布置的碳納米管能夠在很短的時間內合成在基片100上。
參考圖2，在根據本發明第二實施例的熱化學汽相沉積設備中，圍繞第一反應氣體供應裝置450(例如圍繞噴嘴)安裝第一反應氣體加熱裝置510，圍繞第二反應氣體供應裝置460安裝第二反應氣體加熱裝置550。反應氣體加熱裝置510和550通過加熱流經反應氣體供應裝置450和460的反應氣體使反應氣體反應或分解。
通過描述在基片100上合成碳納米管的方法，將更加詳細地描述根據本發明第二實施例的熱化學汽相沉積設備的操作和使用該設備的方法。
如圖2所示，如第一實施例所述，基片100包括在其表面上的過渡金屬層(未示出)，基片100被裝載到裝載裝置210上。在此，基片100可以由玻璃、鋁或矽形成，如前所述。但是在第二實施例中，基片100優選由玻璃形成。在玻璃被用作大尺寸基片的情況下，基片100可以被用在諸如場發射裝置(FED)或真空發射裝置(VFD)或白光源的成形設備中。也就是說，因為基片100由玻璃形成，可以應用用於顯示和設備的已知的真空密封工藝。
可是，當基片100由玻璃形成時，主要在顯示中使用的玻璃基片100的熔點低於大約550℃。於是，如第一實施例所述，當基片100通過基片加熱裝置700加熱到在大約700℃和1100℃之間的一個溫度時，基片100本身會被融化。
在第二實施例中，為了防止基片100融化，安裝到傳送帶600下面的基片加熱裝置700將經過被加熱區域的基片100或傳送帶600的區域加熱到在大約500℃和550℃之間的一個溫度。於是，玻璃基片100在碳納米管合成的期間不會融化。
可是，如上所述，為了分解作為侵蝕氣體的氨氣或用於提供碳源的乙炔氣體，溫度必須是大約700℃或更高。為此，在第二實施例中，圍繞著反應氣體供應裝置450和460安裝有反應氣體加熱裝置510和550。
也就是說，第一反應氣體加熱裝置510將流過第一反應氣體供應裝置450的第一反應氣體(例如氨氣或氫氣)加熱到在大約700℃和1100℃之間的一個溫度，優選加熱到大約800℃和900℃之間的一個溫度。於是，氨氣被熱分解，熱分解反應物被輸送到經過第一反應氣體供應裝置450的基片100上。諸如氨氣的侵蝕氣體的熱分解反應可以發生在第一反應氣體供應裝置450中。
熱分解氨氣(即反應物)侵蝕製備在基片100上的過渡金屬層並在基片1000表面上形成用作的催化劑的細粒。類似的是，儘管圍繞基片100的溫度維持在550℃，熱分解的氨氣(即反應物)被供應到基片100上，接著可以進行過渡金屬層的侵蝕反應。
形成有細粒的表面的基片通過傳送帶600被傳送到第二反應氣體供應裝置460的下方。熱分解的第二反應氣體(即反應物)通過第二反應氣體供應裝置460被供應到基片100上。為此，第二反應氣體加熱裝置550被圍繞著第二反應氣體供應裝置460安裝，以加熱流過第二反應氣體供應裝置460的第二反應氣體。另外，氨氣或/和氫氣與碳化氣體的混合物通過第二反應氣體供應裝置460被供應到基片100上。
在此，碳化氣體被加熱到在大約500℃和1100℃之間的一個溫度，優選加熱到大約900℃左右的一個溫度，然後在碳化氣體流出第二反應氣體供應裝置460之前被熱分解。碳化氣體可以以大約20sccm的低流量被供應到基片100上。在此，氨氣或/和氫氣可以進一步與碳化氣體混合。在這個情況下，碳化氣與氨氣的混合比例可以為大約1∶1、1∶2、1∶3或1∶4。
藉助於被用作催化劑在基片100上形成的過渡金屬層的細粒，熱分解的乙炔氣體被合成為碳納米管。在此，基片100通過基片加熱裝置700維持在大約500℃和550℃之間的一個溫度，接著可以完全地進行碳納米管的合成。
下一步，通過傳送帶600傳送合成並生長有碳納米管的基片100，然後被卸載裝置210的機器人臂270』卸載。
通過傳送帶600順序傳送大尺寸基片100以進行上述步驟。另外，當使用第二實施例的熱化學汽相沉積設備成形碳納米管時，碳納米管可以順序連續地成形大尺寸基片100上，而不需要超過700℃的溫度。也就是說，可以在很短的時間在基片100上形成大量的垂直分布的碳納米管，該基片100像玻璃一樣具有較低的熔點而不能被過度加熱。
以上通過優選實施例特定地描述和顯示了本發明，本技術領域的普通技術人員可以理解在不脫離本發明的精神和保護範圍下可以作出不同的變化和修改。
權利要求
1．一種熱化學汽相沉積設備，包括順序接收和傳送多個基片的傳送帶；用於驅動傳送帶的旋轉裝置；用於順序將基片裝載到上述傳送帶上的裝載裝置；用於將傳送帶傳送的基片卸載的卸載裝置，該卸載裝置與上述裝載裝置相對；用於供應反應氣體的反應氣體供應裝置，該反應氣體用於在被傳送帶傳送的基片上合成碳納米管；用於加熱裝載在傳送帶上的基片加熱裝置，用於反應氣體的熱分解；以及用於排出反應產物氣體的排氣裝置。
2．根據權利要求1所述的設備，其特徵在於所述反應氣體供應裝置包括第一反應氣體供應裝置，用於將第一反應氣體供應到裝載在傳送帶上的基片上；以及安裝在第一反應氣體供應裝置後面的第二反應氣體供應裝置，用於在第一反應氣體反應之後，將第二反應氣體供應到被傳送帶傳送的基片上。
3．根據權利要求2所述的設備，其特徵在於所述基片加熱裝置將面對第一反應氣體供應裝置的傳送帶區域加熱到一個在700℃和1100℃之間的溫度，以及所述基片加熱裝置將面對第二反應氣體供應裝置的傳送帶區域加熱到一個在500℃和1100℃之間的溫度。
4．根據權利要求2所述的設備，其特徵在於所述基片在基片表面上包括一個被用作催化劑的過渡金屬層，所述第一反應氣體為氨氣，用於將所述過渡金屬層侵蝕為細粒，以及所述第二反應氣體為碳化氣體，可以是乙炔氣體、甲烷氣體、丙烷氣體或乙烯氣體、或氨氣或氫氣與一種碳化氣體混合的氣體。
5．根據權利要求1所述的設備，其特徵在於所述裝載裝置和卸載裝置包括用於拾取基片的機器人臂。
6．一種熱化學汽相沉積設備，包括順序接收和傳送多個基片的傳送帶；用於驅動傳送帶的旋轉裝置；用於順序將基片裝載到上述傳送帶上的裝載裝置；用於將傳送帶傳送的基片卸載的卸載裝置，該卸載裝置與上述裝載裝置相對；用於供應反應氣體的反應氣體供應裝置，該反應氣體用於在被傳送帶傳送的基片上合成碳納米管；圍繞上述反應氣體供應裝置安裝的反應氣體加熱裝置，用於加熱流過反應氣體供應裝置的反應氣體；用於加熱裝載在傳送帶上的基片加熱裝置；以及用於排出反應產物氣體的排氣裝置。
7．根據權利要求6所述的設備，其特徵在於所述反應氣體供應裝置包括第一反應氣體供應裝置，用於將第一反應氣體供應到裝載在傳送帶上的基片上；以及安裝在第一反應氣體供應裝置後面的第二反應氣體供應裝置，用於在第一反應氣體反應之後，將第二反應氣體供應到被傳送帶傳送的基片上。
8．根據權利要求7所述的設備，其特徵在於所述反應氣體加熱裝置包括圍繞第一反應氣體供應裝置安裝的第一反應氣體加熱裝置；以及圍繞第二反應氣體供應裝置安裝的第二反應氣體加熱裝置。
9．根據權利要求8所述的設備，其特徵在於第一反應氣體加熱裝置將流過第一反應氣體供應裝置的反應氣體加熱到一個在700℃和1100℃之間的溫度，以及第二反應氣體加熱裝置將流過第二反應氣體供應裝置的反應氣體加熱到一個在500℃和1100℃之間的溫度，以及所述基片加熱裝置將裝載在傳送帶上的基片加熱到一個在400℃和600℃之間的溫度。
10．根據權利要求7所述的設備，其特徵在於所述基片在基片表面上包括一個被用作催化劑的過渡金屬層，所述第一反應氣體為氨氣，用於將所述過渡金屬層侵蝕為細粒，以及所述第二反應氣體為碳化氣體，可以是乙炔氣體、甲烷氣體、丙烷氣體或乙烯氣體、或氨氣或氫氣與一種碳化氣體混合的氣體。
11．一種合成碳納米管的步驟，包括以下步驟通過裝載裝置將多個基片順序裝載到傳送帶上；通過旋轉裝置驅動傳送帶並順序傳送被裝載的基片；通過加熱裝置加熱裝載到傳送帶上的基片，從反應氣體供應裝置中供應反應氣體到被傳送的基片上，並且在被傳送的基片上合成碳納米管；以及通過與裝載裝置相對的卸載裝置，順序卸載合成有碳納米管的基片。
12．根據權利要求11所述的方法，其特徵在於還包括在基片上形成用作催化劑的過渡金屬層的步驟。
13．根據權利要求11所述的方法，其特徵在於過渡金屬層可以由鈷(Co)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、釔(Y)、鈷鎳合金、鈷鐵合金、鎳鐵合金、鈷鎳鐵合金、鈷鎳釔合金或鈷釔合金形成。
14．根據權利要求11所述的方法，其特徵在於合成碳納米管的步驟還包括以下步驟將第一反應氣體供應到經過反應氣體供應裝置的第一反應氣體供應裝置的傳送基片上並將過渡金屬層侵蝕為細粒；以及在第一反應氣體供應完成以後，通過反應氣體供應裝置的第二反應氣體供應裝置，將用於合成碳納米管的第二反應碳化氣體供應到通過傳送帶傳送的基片上。
15．根據權利要求14所述的方法，其特徵在於所述第一反應氣體為氨氣，以及所述第二反應氣體為碳化氣體，可以是乙炔氣體、甲烷氣體、丙烷氣體或乙烯氣體、或氨氣或氫氣與一種碳化氣體混合的氣體。
16．根據權利要求14所述的方法，其特徵在於第一反應氣體所供應的傳送帶的區域通過加熱裝置被加熱到一個在700℃和1100℃之間的溫度，以及第二反應氣體所供應的傳送帶的區域通過加熱裝置被加熱到一個在500℃和1100℃之間的溫度。
17．一種合成碳納米管的步驟，包括以下步驟通過裝載裝置將多個基片順序裝載到傳送帶上；通過旋轉裝置驅動傳送帶並順序傳送被裝載的基片；通過加熱裝置加熱裝載到傳送帶上的基片，將反應氣體供應到被傳送的基片上，該反應氣體流過反應氣體供應裝置並被圍繞反應氣體供應裝置安裝的反應氣體加熱裝置所加熱，並且在被傳送的基片上合成碳納米管；以及通過與裝載裝置相對的卸載裝置，順序卸載合成有碳納米管的基片。
18．根據權利要求17所述的方法，其特徵在於還包括在基片上形成用作催化劑的過渡金屬層的步驟。
19．根據權利要求18所述的方法，其特徵在於合成碳納米管的步驟還包括以下步驟將第一反應氣體供應到傳送的基片上，該第一反應氣體經過反應氣體供應裝置的第一反應氣體供應裝置並被圍繞第一反應氣體供應裝置安裝的反應氣體加熱裝置的第一反應氣體加熱裝置加熱，和將過渡金屬層侵蝕為細粒；以及在第一反應氣體供應完成以後，通過第二反應氣體供應裝置，將用於合成碳納米管的第二反應碳化氣體供應到通過傳送帶傳送的基片上，該第二反應氣體被圍繞第二反應氣體供應裝置安裝的反應氣體加熱裝置的第二反應氣體加熱裝置加熱。
20．根據權利要求19所述的方法，其特徵在於第一反應氣體加熱裝置將流過第一反應氣體供應裝置的反應氣體加熱到一個在700℃和1100℃之間的溫度，以及第二反應氣體加熱裝置將流過第二反應氣體供應裝置的反應氣體加熱到一個在500℃和1100℃之間的溫度，以及所述基片加熱裝置將裝載在傳送帶上的基片加熱到一個在400℃和600℃之間的溫度。
全文摘要
本發明提供了熱化學汽相沉積設備和使用該設備合成碳納米管的方法。所述設備包括順序接收和傳送多個基片的傳送帶,用於驅動傳送帶的旋轉裝置,用於順序將基片裝載到上述傳送帶上的裝載裝置,用於將傳送帶傳送的基片卸載的卸載裝置,該卸載裝置與上述裝載裝置相對,用於供應反應氣體的反應氣體供應裝置,該反應氣體用於在被傳送的基片上合成碳納米管,用於加熱裝載基片的加熱裝置,以及用於排出反應產物氣體的排氣裝置。
文檔編號B82B3/00GK1315588SQ0110231
公開日2001年10月3日 申請日期2001年1月31日 優先權日2000年1月26日
發明者李鐵真, 柳在銀 申請人:李鐵真, 株式會社日進納米技術