TW201126008A - Method and device for making carbon nanotube array - Google Patents

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201126008 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本發明涉及-種奈来碳管陣列之製備裝置及製備方法。 [先前技術]1 [0002] ❹ 〇 奈米碳管係一種新型之-維奈米材料，其具有優良之綜 合力學性能，如尚彈性模量、高楊氏模量和低密度，以 及優異之電學性能、熱學性能和吸附性能◊隨著奈米碳 管碳原子排列方式之變化，奈米碳管可呈現出金屬性或 半導體性質。由於奈米碳管之優異特性，故可望其於奈 米電子學、材料科學、生物學、化學等領域中發揮重要 作用，而奈米碳管陣列因其中之奈米碳管排列整齊有序 ，使其更有利於工業應用。形成奈米碳管陣列之方法主 要係化學氣相沈積法（CVD)。化學氣相沈積法主要係運用 奈米尺度之過渡金屬或其氧化物作為催化劑，於一定溫 度下熱解碳源氣體來製備奈米碳管陣列。目前化學氣相 沈積法一般選用平面型之生長基底，而該平面型之生長 基底由於受反應室尺寸之限制，其面積無法做到很大， 從而使得生長於其上之奈米碳管陣列面積也無法做到很 大。 [0003] 范守善等人於2008年1月1日公開之第200801 224號台灣 發明專利申請公佈說明書中揭示了一種大面積生長奈米 碳管膜之方法。該方法具體為提供一筒狀基底，並於該 基底之外表面上沈積一催化劑層；將該沈積有催化劑層 之基底放置於一反應室内；向該反應室内通入保護氣體 ，使該反應室保持一預定氣壓；加熱反應室至一預定溫 099102177 表單編號A0101 第3頁/共18頁 0992004196-0 201126008 [0004] [0005] [0006] 099102177 度；向反應室内通入碳源氣#，一預定時間後，於基底 上得到一層奈米碳管膜。該專利申請採用筒狀基底作為 奈米碳管膜生長之載體，使得一定容量空間之反應室内 可容納更大面積之基底，從而實現奈米碳管膜於較小反 應室内之大面積生長。 然，上述製備方法通過加熱反應室之方式加熱基底，當 於筒狀基底之外表面生長奈米碳管時，基底表面形成奈 米碳管膜後，熱量將通過該奈米碳管膜傳遞到所述基底 表面，由於奈米碳管將會吸收一部分熱量，使得加熱基 底上催化劑之時間變長，從而使得熱解碳源氣之速度減 慢，最終使得生長奈米碳管之速度減慢。隨著奈米碳管 生長高度之增加，這一現象將變得尤為明顯。 【發明内容】 有鑒於此，提供一種基底之加熱速度較快、進而使奈米 碳管之生長速度較快之奈米碳管陣列之製備方法及製備 ;：：； Γ 裝置實為必要。 一種奈米碳管陣列之製備方法，其包括以下步驟：提供 一筒狀基底’該筒狀基底具有一平滑之外表面，該外表 面沈積有一催化劑層；提供一反應室，將該沈積有催化 劑層之筒狀基底設置於該反應室内；提供一加熱裝置， 使該加熱裝置設置於該筒狀基底之内部，並將所述反應 室内之空氣排出’之後，採用該加熱裝置加熱該筒狀基 底至一預定溫度；向該反應室内通入破源氣體，從而於 該筒狀基底上生長獲得一奈米碳管陣列。 一種奈米碳管陣列之製備方法，其包括以下步驟：提供 表單編號A0101 第4頁/共18頁 0992004196-0 [0007] 201126008 一外表面具催化劑層之筒狀基底，將其設置於一通有保 護氣體之反應室内；提供一加熱裝置，將其設置於上述 筒狀基底内部，並將該反應室内之空氣排出，之後，採 用該如熱裝置加熱該筒狀基底至一預定溫度；以及向該 反應室内通入一預定分壓之碳源氣，從而於該筒狀基底 外表面生長一奈米碳管陣列。 [0008] Ο ' [0009] G [0010] [0011] 一種奈米碳管陣列之製備裝置，其包括：一反應室，該 反應室包括一進氣口和一出氣口；一設置於該反應室内 之—筒狀基底；其中，該奈米碳管陣列之製備裝置進一 步包括一設置於該筒狀基底内部之一加熱裝置。 相較於先前技術，本發明直接將加熱裝置設置於所述筒 狀基底之通孔内部，使所述加熱裝置與所生長獲得之奈 米碳管陣列分別置於所述筒狀基底之兩侧，從而使該加 熱裝置所傳導之熱量不易被所生長之奈米碳管或其他介 質所吸收且可充分被所述基底所吸收。故，該方法可使 所述基底之加熱速度加快，並進一步使奈米碳管之生長 速度加快。 【實施方式】 以下將結合附圖詳細說明本發明實施例提供之奈米破管 陣列之製備方法及製備裝置。 請參閱圖1，圖2及圖3，本發明實施例提供一種奈米碳管 陣列之製備方法，其包括以下步驟： 步驟一：提供一筒狀基底10，該筒狀基底10具有，外表 面12。 099102177 表單編號A0101 第5頁/共18頁 0992004196-0 [0012] 201126008 [0013] 所述筒狀基底10為一中空柱體結構，該筒狀基底10具有 一通孔16，該通孔16之橫截面可為圓形、橢圓形、三角 形、四邊形，或者其他規則或不規則之多邊形，且該整 個筒狀基底10之橫截面也可為圓形、橢圓形、三角形、 四邊形，或者其他規則或不規則之多邊形。該筒狀基底 10之材料由耐高溫之材料製成，如石英、陶瓷、耐高溫 玻璃基底、矽或金屬材料。本實施例中，該筒狀基底10 和其通孔16之橫截面均為圓形，其材料為石英。為能獲 得一有序排列之奈米碳管陣列40，該筒狀基底10需具有 一平滑之外表面12，該平滑之外表面12可通過機械拋光 或電化學拋光等方法獲得。進一步地，請參閱圖3，該筒 狀基底10之筒壁上可進一步包括一開口 18，該開口 18之 具體形狀及大小不限，可根據實際需要而具體選定，優 選為，該開口 18之尺寸以能將該製備方法之後續步驟中 之加熱裝置置入所述筒狀基底10之通孔16内為宜。 [0014] 步驟二，於該筒狀基底10之外表面12形成一催化劑層14 〇 [0015] 所述催化劑層14之材料可選用鐵（Fe )、鈷（Co)、鎳 (Ni)或者該幾種金屬之氧化物，該催化劑層14可採用 熱沈積、電子束沈積、蒸鍍或磁控濺射等方法形成於上 述筒狀基底10之外表面12。該催化劑層14之厚度可根據 實際需要而具體設定，本實施例中，其厚度為1奈米至10 奈米即可。 [0016] 該步驟可進一步包括退火處理該催化劑層14，使得該催 化劑層14形成奈米級之催化劑顆粒。若催化劑為金屬， 099102177 表單編號A0101 第6頁/共18頁 0992004196-0 201126008 [0017] [0018] Ο ο [0019] 則於退火過程中伴隨著發生氡化反應，將金屬氧化成金 屬氧化物。該退火後得到之顆粒之大小將決定以後生長 奈米碳管之直徑大小。 步驟三：提供一反應室20，將該形成有催化劑層14之筒 狀基底10設置於該反應室20内。 所述反應室20包括分別設置於該反應室2〇兩端之一進氣 口 22及一出氣口 24。本實施例中，該反應室為一石英管 ，該進氣口 22及出氣口 24位於石英管沿輛向之兩端。該 步驟進一步包括提供一支撐體26並通過該支撐體Μ將所 述筒狀基底10固定於所述反應室20内。優選地，該筒狀 基底10沿該反應室20之轴線亨向放置，即該筒狀芙底i 〇 之通孔16之延伸方向沿該反應室20之轴線方向。該設置 方式可使得從進氣口22進人反應謂之反錢體被筒狀 基底10阻擋之量最少，從而避免降低奈米碳管之生長速 度。同時’由於該筒狀基底10之形狀為筒狀，相較於平 面狀之基底，該筒狀棊底10可有效利用該反應室之空間 ，使得其可容納更大面積之基底，從而可獲得更大面積 之奈米碳管陣列。 步驟四：提供一加熱裝置30，使該加熱裝置30設置於該 筒狀基底10之内部，並將所述反應室2〇内之空氣排出， 之後，採用該加熱裝置加熱該筒狀基底10至一預定溫度 [0020] 具體地，該加熱裝置30設置於該筒狀基底1〇之通孔16内 ，其具體設置方式以使該整個筒狀基底10均勻加熱為目 099102177 表單編號A0101 第"7頁/共18頁 0992004196-0 201126008 之，可依據整個筒狀基底10和通孔16之橫截面積而具體 設定。本實施例中，由於該筒狀基底10及其通孔16之橫 截面均為圓形，故該加熱裝置30設置於該筒狀基底10之 通孔16之中軸線處，從而可使整個筒狀基底1〇受熱均勻 。該加熱裝置30可通過所述筒狀基底1〇之通孔16之兩端 裝入該筒狀基底1〇内，也可通過所述筒狀基底1〇之開口 18處裝入。所述加熱裝置3〇可為電阻絲加熱管、紅外線 加熱燈管或矽鉬棒加熱器等。本實施例中，所述加熱裝 置30可為一紅外線石英加熱燈管，該紅外線加熱燈管之 兩端可通過一支架28夾持並固定於筒狀基底1〇内。具體 為，所述加熱裝置30可通過所述開口18裝入所述通孔16 内，並且該加熱裝置3〇的兩端可通過所述支架28固定。 另外，該加熱裝置3〇也可通過所述通孔16的一端插入所 述通孔16内，且該加熱裝置3〇的一端通過所述支架28固 定。 [0021] 將该加熱裝置30設置於該筒狀基尨1 〇内後，需將反應室 20内之空氣排出’以防止後續步驟中之碳源氣體與空氣 .. μ丨"- 發生反應，之後再採用該加熱裝置3〇加熱該筒狀基底1〇 至一預定溫度。 [0022] 排出空氣之方式可包括以下三種：直接將反應室抽真空 ;向反應室内通入保護氣體’通過該保護氣體將反應室 内之空氣排出；另外’該方式也可將反應室20抽真空之 後通入保護氣體，並使該保護氣體於該反應室2〇内保持 一預定之氣壓。本實施例中選擇了第三種方式。 [0023] 通入保護氣體之具體方式為：從上述進氣口 22向反應室 099102177 表單編號 Α0101 第 8 頁/共 18 頁 0992004196-0 201126008 20内通入保護氣體，該保護氣體可選用氬氣，也可為氮 氣或其他不與後續通入之碳源氣體發生反應之氣體。該 保護氣體之輸入可使反應室20内之空氣經由該出氣口 24 排出。優選地，該步驟於通入保護氣體之前先對該反應 室20抽真空處理。於所述保護氣體之環境下，採用上述 加熱裝置30將該筒狀基底10表面之催化劑層14加熱至奈 米碳管之生長溫度，即500°C〜800°C。 [0024] 步驟五：向該反應室20内通入一碳源氣，以生長奈米碳 管陣列40。 [0025] 所述碳源氣體為乙烯、甲烷、乙烷、乙炔或其他氣態烴 類。本實施例中，該碳源氣體為乙烯。反應時間為10分 鐘〜2個小時，從而於所述筒狀基底10之外表面12生長獲 得一奈米碳管陣列4 0 ^ [0026] 具體地，該碳源氣體和保護氣體以一預定體積比並以一 固定之流速從上述進氣口 22通入反應室20内，並同時將 該混合氣體以相同之流速從出氣口 24輸出反應室20，這 樣可保持碳源氣體於反應室20内處於流動狀態，反應室 ❹ 〇 20内參加反應之碳源氣體會得到及時之更新以使其濃度 基本維持不變，從而可得到高品質之奈米碳管陣列40。 該保護氣體與碳源氣體之體積比優選為1:0~1:10，該保 護氣體之流速和碳源氣體之流速依據反應室20之腔體之 具體尺寸而定，若反應室20之腔體直徑為4寸〜6寸時，保 護氣體之流速可為200 seem (Standard Cubic Centimeters Minute) 〜 500sccm ， 碳源氣體之流速可為 20sccm~60sccmo本實施例中，該反應室20之腔體之直 099102177 表單編號A0101 第9頁/共18頁 0992004196-0 201126008 流速 [0027] [0028] [0029] 徑為4寸，保護氣體之流速為360sccm ;碳源氣艨 為40 seem ° 進一步地，本實施例製備奈米碳管陣列40之方法中’ 述反應室20可直接由一加熱爐（圖未示）之腔艨構成 該加熱爐也可進一步與加熱裝置30同時加熱該反 ，從而使所述反應室20更快達到生長奈米碳管陣列4〇 反應溫度。 請參閱圖2及圖3，具體地，上述奈米碳管陣列之製横 方法中所採用之製備裝置包括：一反應室20，該反應$ 20包括一進氣口 22和一出氣口 24 ; —設置於該反應秦2 内之一筒狀基底10 ;及一設置於該筒狀基底10内部 加熱裝置30。此外’該製備裝置還進一步包栝· 撐該筒狀基底10之支撐體26，該筒狀基底1〇之 可進一步設置一開口 18。該製備裝置之具體結構於上述 實施例之製備方法中已經詳鈿描述，於此赞不再贅述。 於上述實施例之製備方法及叙備丨襄置中，由於所述加熱 裝置設置於所述筒埜基底之4妹，故於所述加熱裝置斑 所述筒型基底之間除所述保護氣體與碳源氣體之 他介質吸收該加熱裝置所產生之熱量，使得加熱生’、、、其 底之速度較快，從而使奈米碳管可具有更快之生 基 。另外，該方法可均勻加熱所述基底，且通過控制戶、度 加熱裝置就可直接控制所述基底之加熱速度和加執2述 ，使基底之溫度可控，進而可較好地控制奈米硬故^ 長速度。 之生 所 應室2〇 之 用於支 筒璧上還 099102177 表單編號A0101 第1〇頁/共18頁 〇992〇〇4196~〇 201126008 [0030] 綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提 [0031] 出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方 式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本 案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化 ，皆應涵蓋於以下申請專利範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1係本發明實施例提供之奈米碳管陣列之製備方法流程 圖。 ❹ [0032] 圖2係本發明實施例提供之奈米碳管陣列之製備裝置示意 圖。 ' [0033] 圖3係本發明實施例提供之具有開口之筒狀基底剖視圖。 [0034] 【主要元件符號說明】 筒狀基底：10 [0035] 外表面：12 [0036] 催化劑層：14 〇 [0037] 通孔：16 [0038] 開口 ： 18 [0039] 反應室：20 [0040] 進氣口 ： 22 [0041] 出氣口 ： 24 [0042] 支撐體：26 [0043] 支架：28 099102177 表單編號A0101 第11頁/共18頁 0992004196-0 40 201126008 [0044] [0045] 加熱裝置：30 奈米碳管陣列： 099102177 表單編號A0101 第12頁/共18頁 0992004196-0

Claims (1)

1. 201126008 七、申請專利範圍·· 1 . 一種奈米碳管陣列之製備方法，其包括以下步驟： 提供一筒狀基底，該筒狀基底具有一平滑之外表面，該外 表面沈積有一催化劑層； 提供一反應室，將該沈積有催化劑層之筒狀基底設置於該 . 反應室内； 提供一加熱裝置，使該加熱裝置設置於該筒狀基底之内部 ，並將所述反應室内之空氣排出，之後，採用該加熱裝置 加熱該筒狀基底至一預定溫度； Ο 向該反應室内通入碳源氣體，從而於該筒狀基底上生長獲 得一奈米碳管陣列。 2 .如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管陣列之製備方法， 其中，於該反應室内通入碳源氣體之步驟之前，向該反應 室内通入保護氣體，使該反應室保持一預定氣壓。 3 .如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管陣列之製備方法， 其中，所述整個生長奈米碳管陣列的過程中始終維持通入 Λ 碳源氣体。 〇 4 .如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管陣列之製備方法， 其中，所述預定溫度為500°C〜800°C。 5 .如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管陣列之製備方法， 其中，該筒狀基底具有一沿筒狀基底軸向方向設置的通孔 ，該通孔之延伸方向沿該反應室之軸線方向。 6 .如申請專利範圍第5項所述之奈米碳管陣列之製備方法， 其中，所述通孔之橫截面為圓形、橢圓形、三角形、四邊 形或多邊形。 099102177 表單編號A0101 第13頁/共18頁 0992004196-0 201126008 7 .如申請專利範圍第5項所述之奈米碳管陣列之製備方法， 其中，該加熱裝置設置於該筒狀基底内部之通孔中，位於 該筒狀基底之中軸線處。 8 .如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管陣列之製備方法， 其中，所述筒狀基底之橫截面可為圓形、橢圓形、三角形 、四邊形或多邊形。 9 .如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管陣列之製備方法， 其中，所述加熱裝置為電阻絲加熱管、紅外線加熱燈管或 石夕|目棒加熱器。 10 . —種奈米碳管陣列之製備方法，其包括以下步驟： 提供一外表面具催化劑層之筒狀基底，將該筒狀基底設置 於一通有保護氣體之反應室内； 提供一加熱裝置，將該加熱裝置設置於上述筒狀基底内部 ，並將該反應室内之空氣排出，之後，採用該加熱裝置加 熱該筒狀基底至一預定溫度；以及 向該反應室内通入一預定分壓之碳源氣，從而於該筒狀基 底外表面生長一奈米碳管陣列。 11 . 一種奈米碳管陣列之製備裝置，其包括： 一反應室，該反應室包括一進氣口和一出氣口； 一設置於該反應室内之一筒狀基底；其中， 該奈米碳管陣列之製備裝置進一步包括一設置於該筒狀基 底内部之一加熱裝置。 12 .如申請專利範圍第11項所述之奈米碳管陣列之製備裝置， 其中，該筒狀基底進一步包括一設置於該筒狀基底筒壁之 開口。 13 如申請專利範圍第12項所述之奈米碳管陣列之製備裝置， 099102177 表單編號A0101 第14頁/共18頁 0992004196-0 201126008 14 . 15 . 16 . Ο 17 · 18 · Ο 其中，所述加熱裝置通過一支架固定於所述反應室中。 如申請專利範圍第1 3項所述之奈米碳管陣列之製備裝置， 其中，所述加熱裝置通過所述開口設置於筒狀基底的内部 ，且該加熱裝置的兩端通過該支架固定於所述反應室内。 如申請專利範圍第1 3項所述之奈米碳管陣列之製備裝置， 其中，該筒狀基底具有一沿筒狀基底轴向方向設置的通孔 ，該通孔之延伸方向沿該反應室之軸線方向。 如申請專利範圍第15項所述之奈米碳管陣列之製備裝置， 其中，所述加熱裝置從該筒狀基底的通孔的一端插入所述 通孔的内部，且該加熱裝置的一端通過該支架固定於所述 反應室中。 如申請專利範圍第11項所述之奈米碳管陣列之製備裝置， 其中，該加熱裝置為一紅外線加熱燈管。 如申請專利範圍第11項所述之奈米碳管陣列之製備裝置， 其中，進一步包括一用於支撐所述筒狀基底之支撐體。 099102177 表單編號Α0101 第15頁/共18頁 0992004196-0