[发明专利]用于碳纳米管合成的紧密接近催化的方法和系统

说明书

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

不适用。

相关申请的声明

本申请要求2009年4月30日提交的美国临时申请号61/174,335的优先权，该临时申请据此通过引用全文并入。

发明领域

本发明一般地涉及碳纳米管合成的系统、方法和设备。

发明背景

碳纳米管(“CNT”)合成一般地需要高的温度、催化剂和碳源(例如原料气)。通常地，在生长室内施加催化剂至基底(例如纤维)表面以在其上引发CNT的生长。为了施加催化剂至基底表面，一般地将基底浸渍或浸泡在含有催化剂化合物的胶体溶液或液体溶液中。但是，在胶粒液体溶液的情况下，浸渍方法可导致不均匀或不良的总体涂层。对于许多液体溶液，为了有效地施加催化剂化合物至基底表面，需要延长浸渍和浸泡时间。再者，为了使催化剂化合物转变为可用的催化剂颗粒，可能需要其它步骤。

发明概述

在一些方面，此处公开的实施方式涉及碳纳米管合成的方法和系统。碳纳米管合成的方法可包括在生长室内提供与含有催化剂的第一板的表面紧密接近(close proximity)的基底；加热生长室至足以引起催化剂颗粒从第一板转移到基底的温度；和通过引导原料气至基底在基底上生长碳纳米管。碳纳米管合成的系统可包括生长室；配置以加热生长室的加热器；含有催化剂的第一板，其中配置第一板以使其安装在生长室内，并且其中第一板的表面面向基底；和配置以与第一板表面紧密接近安装的基底。

附图简述

图1显示了根据本发明的一个实施方式促进在基底上生长CNT的生长组件的示意图。

图2显示了根据本发明的另一个实施方式促进在基底上生长CNT的生长组件的示意图。

图3显示了根据本发明的一个实施方式使用图1的生长组件的CNT生长系统的示意图。

图4显示了根据本发明的另一个实施方式使用图2的生长组件的CNT生长系统的示意图。

图5显示了根据本发明的一个实施方式的CNT生长的工艺流程。

图6显示了使用基于铜板的紧密接近催化方法在E-玻璃织物基底上的CNT生长。

详述

本发明一般地涉及碳纳米管合成的系统、方法和设备。根据一些实施方式，在生长过程中施加催化剂至基底表面，使在基底上生长CNT而不用先在基底上施加催化剂涂层，这与在将基底引入至生长室以进行CNT合成之前单独施加催化剂涂层至基底的现行方法不同。在这些实施方式中，该方法涉及形成生长样品组件，该组件包括夹在由催化过渡金属形成的两个粗糙金属板之间的基底。维持该基底与板紧密接近(例如密切接触或表面接合)以促进催化剂颗粒由板转移至基底。引入生长样品组件至惰性环境并且加热，提高其中温度至足以引起催化剂颗粒由板转移至基底的水平。该温度水平可以是大约500℃至大约1000℃的范围。引入碳源(例如原料气)到环境中(例如以总气流的大约0至大约25％的速度进行气相沉积)并且在足以在基底上合成CNT的目标温度下将碳源施加至基底。可根据生长的CNT的目标长度控制这些条件一段停留时间(例如大约30秒至几分钟的范围)。催化作用和CNT合成过程完成后，在惰性气氛中冷却生长样品组件至第二温度(例如小于大约400℃)，然后从该惰性环境移出。冷却过程可帮助确保沉积的碳原料不会烧尽(即在外部环境中不期望的氧化)。所获得的产物是纳米管生长在基底表面上的基底。以该方式，催化剂施加步骤和CNT生长步骤可结合为一个工艺步骤。

如本文使用的，术语“碳纳米管”(CNT，复数形式CNTs)指许多富勒烯族碳的柱状同素异形体的任一种，其包括单壁碳纳米管(SWNT)、双壁碳纳米管(DWNT)、多壁碳纳米管(MWNT)。CNTs可以被富勒烯类结构封端或者是开口的。CNT包括封装有其它材料的那些CNT。碳纳米管展示出令人印象深刻的物理性能。最强的CNT展示出大约是高碳钢八十倍的强度、六倍的劲度(即杨氏模量)和六分之一的密度。

如本文使用的，术语“过渡金属”指在元素周期表d区内的任一元素或元素的合金。术语“过渡金属”也包括基本过渡金属元素的盐形式如氧化物、碳化物、氮化物等。