[发明专利]用于碳纳米管生长的装置和方法

说明书

技术领域

本发明总的来说涉及一种用于选择性制造高纵横比发射体的装置和方法，更具体地涉及一种用于在大表面积上制造碳纳米管的装置和方法。

背景技术

碳是已知元素中最重要的元素之一，并且能够与氧、氢和氮等结合。碳具有包括金刚石、石墨、富勒烯和碳纳米管的四种独特晶体结构。特别地，碳纳米管是指生长有单壁或多壁的螺旋形管状结构，且一般分别被称作单壁纳米管(SWNT)或多壁纳米管(MWNT)。通过卷曲由多个六边形形成的片，从而获得这些类型的结构。通过使其中的每个碳原子与三个相邻的碳原子相结合以形成所述片，从而形成螺旋形管。碳纳米管通常具有在几分之一纳米至几百纳米的量级内的直径。

现有的制备碳纳米管的方法包括电弧放电技术和激光烧蚀技术。遗憾的是，这些方法通常生产出具有缠结纳米管的松散材料。最近，J.Kong，A.M.Cassell和H Dai在Chem.Phys.Lett.292，567(1988)中及J.Hafner，M.Bronikowski，B.Azamian，P.Nikoleav，D.Colbert，K.Smith和R.Smalley在Chem.Phys Lett.296，195(1998)中报道了通过热化学气相沉积(CVD)方法并使用Fe/Mo或Fe纳米粒子作为催化剂，证明形成了高质量的单根的单壁碳纳米管(SWNT)。CVD方法使单根的SWNT可选择性生长，并且简化了制备SWNT基设备的方法。所需制备方法的选择应考虑到碳纳米管纯度、生长均匀性和结构控制。电弧放电和激光方法不能提供通过CVD方法所获得的高纯度和有限缺陷。电弧放电和激光烧蚀方法不是直接生长方法，而需要对生长的碳纳米管进行纯化、布置和后处理。与常规的等离子体增强CVD(PECVD)方法形成对比的是，已知热丝化学气相沉积(HF-CVD)技术使得可以制备高品质碳纳米管而不损害碳纳米管结构。因为不需要产生等离子体，HF-CVD系统装置通常设计简单并且成本低。与热CVD相比，HF-CVD证明了在与玻璃基底转化点(通常在480℃至620℃之间)相适合的相对较低温度下于大表面基底上高的碳纳米管生长速率、高的气体利用效率和良好的工艺稳定性。

热丝阵列是HF-CVD装置的热激发源。其主要作用是加热工艺气体，以使烃前体解离成活性物质，并使分子氢解离成活性原子氢。这些活性物质然后扩散到受热的基底(通常是玻璃板)，在该基底上发生催化的碳纳米管生长。在现有技术HF-CVD系统中，在烃气体的存在下，细金属丝的受热表面转变成碳化物或者进行渗碳。已知碳化物的形成可提高细丝的脆性并因此引起细丝寿命问题。此外，存在于工艺气体混合物中的氢气强化了细丝脆性结果。一般而言，常规HF-CVD方法中使用的热丝的直径较小(即，在几百微米至约1毫米的量级上)，并且该细丝在它们的末端被刚性网格框架物理固定，从而使细丝在水平方向上被拉伸。在细丝的电阻加热过程中，由于热重结晶，这些小直径细丝趋于在线性方向上膨胀。结果，由于重力，该又热又细的细丝趋于向基底物理松垂；因此在平的基底表面上产生了变形的细丝和不均匀的细丝网格间隙。由于基底至细丝的距离被这种细丝松垂所如此扭曲，热丝网格的不规则形状促使了局部温度的变化并因此促使了在大基底面积上的非均匀生长。

从阳极板上的电子发射体例如碳纳米管产生电子束而用来在显示屏上产生图象或文本的场发射设备在本领域中是熟知的。碳纳米管作为电子发射体使用降低了真空设备的成本，其中包括场发射显示器的成本。用碳纳米管替换其它电子发射体(例如，Spindt微尖)已经实现了场发射显示器成本的降低，所述其它电子发射体与碳纳米管基电子发射体相比一般具有更高的制造成本。在阳极板上的点接受每一电子束，称之为显示屏上的象素。显示屏可以是小的，或者非常大的例如用于计算机、大显示屏电视或更大的设备。然而，非常大的显示器上的碳纳米管场发射体的集成需要解决许多被证明是难以克服的制造和工艺质量问题。这些问题包括基底的不均匀加热，碳纳米管生长期间玻璃基底的有限温度范围，热气体解离的较差的控制，碳纳米管底污染，和由于细丝电阻在工艺温度下的变动而引起的不稳定的工艺可靠性。