Способ и устройство для получения углеродных нанотрубок



Способ и устройство для получения углеродных нанотрубок
Способ и устройство для получения углеродных нанотрубок
Способ и устройство для получения углеродных нанотрубок

 


Владельцы патента RU 2567283:

Григорьянц Александр Григорьевич (RU)
Шупенев Александр Евгеньевич (RU)

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано в технике, медицине и энергетике. Устройство для получения углеродных нанотрубок содержит реакционную камеру 12, в которой размещены подложкодержатель 1, нагреватель 2, подложка 3, входное окно 6, держатель 9 мишени 8, патрубок 11 ввода газов системы подачи реакционной газовой смеси и патрубок 10 системы вакуумирования. После вакуумирования камеры 12 на мишень 8, выполненную из материала катализатора, воздействуют импульсным лазерным излучением дополнительного источника, в результате чего осаждают на подложке 3 каталитический слой в виде отдельных капель 4. Через патрубок 11 вводят газовую смесь. Затем на полученном каталитическом слое фокусируют лазерное излучение 13 основного источника и сканируют его сканатором по заданной траектории для выращивания нанотрубок 7 по заданному рисунку. Используют лазерное излучение с длиной волны 0,248-10,6 мкм. Изобретения обеспечивают высокую производительность, уменьшение количества необходимого технологического оборудования и затрат. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к нанотехнологии и наноструктурам, в частности к способу и устройству для получения углеродных нанотрубок, и может быть использовано для техники, медицины и энергетики.

Известно большое количество способов выращивания углеродных нанотрубок (УНТ) методом каталитического пиролиза углеводородов. В частности «Способ получения коаксиальных углеродных нанотрубок» (Заявка: 96104506/25, 06.03.1996), «Способ получения углеродных нанотрубок» (Заявка: 2010119606/05, 18.05.2010), «Способ получения углеродных нанотрубок и реактор (Заявка: 2011115430/05, 19.04.2011), «Способ получения углеродных нанотрубок и устройство для его осуществления» (Заявка: 2011139610/28, 29.09.2011) и «Способ получения одностенных углеродных нанотрубок (Заявка: 2010146417/05, 15.11.2010).

Принцип получения углеродных нанотрубок приведенными выше способами следующий. В реакторную камеру устанавливается подложка, на которой в дальнейшем будет рост УНТ. На поверхности подложки создается массив из наноразмерных капель катализатора. Подложку вместе с катализатором нагревают таким образом, что катализатор находится в жидком состоянии. В реактор подается углеродсодержащий газ. В качестве прекурсора углерода используют углеродсодержащие соединения, выбранные из группы: метан, этан, пропан, бензол, толуол, ксилолы, метанол, этанол, пропанол, изопропанол, этилен, пропилен, ацетилен или их смеси. Углерод, образующийся при термическом разложении углеводорода, растворяется в наночастице металла. При достижении высокой концентрации углерода в частице на одной из граней частицы-катализатора происходит энергетически выгодное «выделение» избыточного углерода в виде искаженной полуфулереновой шапочки, являющейся зародышем нанотрубки. Разложившийся углерод продолжает поступать в частицу катализатора, и для сброса избытка его концентрации в расплаве нужно постоянно избавляться от него. Поднимающаяся полусфера (полуфуллерен) с поверхности расплава увлекает за собой растворенный избыточный углерод, атомы которого вне расплава образуют связь С-С, представляющую собой цилиндрический каркас-нанотрубку. Недостатками известных способов являются дороговизна конечного устройства ввиду технологически сложных и дорогих процессов переноса нанотрубок на рабочую поверхность конечного устройства.

Известен также способ получения углеродных нанотрубок, включающий размещение подложки на держателе, расположенном в реакционной камере, вакуумирование камеры, подачу в камеру реакционного газа, конденсацию и рост наночастиц под воздействием лазерного излучения, которое подают на поверхность подложки (RU 2305065 C2, В82В 3/00, 27.08.2007)/прототип/. В этом источнике представлено также устройство для получения углеродных нанотрубок, содержащее реакционную камеру, размещенный в ней держатель подложки, основной источник лазерного излучения для выращивания нанотрубок, систему подачи реакционной газовой смеси в камеру и систему вакуумирования камеры.

К достоинствам данного способа и устройства относятся высокая вертикальная ориентированность и качество углеродных нанотрубок, локальность нанесения нанотрубок, отсутствие необходимости сепарации и переноса углеродных нанотрубок на поверхность конечного изделия.

К недостаткам - необходимость использования большого количества технологического оборудования с целью предварительного шаблонного нанесения каталитического слоя на поверхность подложки, а также последующей термической обработки нанотрубок для придания им высокой вертикальной ориентированности для повышения электрофизических свойств, приводящие к высокой стоимости конечного изделия.

Задачей создания изобретения является повышение надежности изделий, содержащих углеродные нанотрубки, обеспечение получения технологического рисунка углеродных нанотрубок на поверхности изделия без использования масок или шаблонов, непосредственно во время роста нанотрубок.

Для этого в способе получения углеродных нанотрубок, включающем размещение подложки на держателе, расположенном в реакционной камере, вакуумирование камеры, подачу в камеру реакционного газа, конденсацию и рост наночастиц под воздействием лазерного излучения основного источника, которое подают на поверхность подложки, предварительно на подложке создают каталитический слой в виде капель каталитических частиц для чего в камере размещают мишень из каталитического материала и воздействуют на нее импульсным лазерным излучением дополнительного источника лазерного излучения и осаждают на подложке каталитический слой в виде отдельных капель, затем фокусируют лазерное излучение основного источника на полученном каталитическом слое и сканируют его по заданной траектории, воздействуя на участки роста нанотрубок.

Кроме того для выращивания нанотрубок используют лазерное излучение с длиной волны 0,248-10,6 мкм, а для создания каталитического слоя используют дополнительный источник лазерного излучения, при этом используют импульсный источник лазерного излучения.

Для реализации поставленной задачи устройство для получения углеродных нанотрубок содержит реакционную камеру, размещенный в ней держатель подложки, основной источник лазерного излучения для выращивания нанотрубок, систему подачи реакционной газовой смеси в камеру и систему вакуумирования камеры, при этом оно снабжено держателем мишени из материала катализатора, дополнительным источником лазерного излучения для создания на подложке каталитического слоя в виде капель из материала мишени и сканатором для перемещения луча основного источника лазерного излучения для выращивания нанотрубок по заданному рисунку.

Кроме того, дополнительный источник лазерного излучения выполнен импульсным.

На фиг. 1 представлена схема процесса получения каталитического слоя, на фиг. 2 - схема лазерного выращивания нанотрубок, на фиг. 3 - подложка с выращенными на ней лазерным излучением нанотрубками, при этом 1 - подложкодержатель, 2 - нагреватель, 3 - подложка (рабочая поверхность), 4 - осажденные капли катализатора, 5 - лазерный луч дополнительного источника лазерного излучения для создания каталитического слоя, 6 -входное окно, 7 - углеродные нанотрубки, 8 - мишень, 9 - держатель мишени, 10 - откачная вакуумная система ректора, 11 - патрубок ввода газов системы подачи реакционной газовой смеси в камеру в виде прекурсора углерода, 12 - реакционная камера, 13 - лазерный луч основного источника лазерного излучения для выращивания нанотрубок, 14 - продукты разлета испаряемого материала мишени,

Технологический процесс состоит из двух этапов. Этап нанесения катализатора на рабочую поверхность подложки 3. Каталитический слой создают импульсным лазерным излучением 5 дополнительного источника перед процессом выращивания нанотрубок. Для этого в камеру 12 посредством держателя 9 устанавливают мишень 8 из материала требуемого катализатора. Также на подложкодержатель 1 устанавливают подложку 3, на поверхности которой будет создаваться каталитический слой и выращиваться нанотрубки. Реакционная камера 12 откачивается посредством системы вакуумирования 10 и создают вакуум не хуже 10-2 торр. Производят лазерную абляцию материала мишени 8 и осаждение испаренного слоя в виде капель 4 каталитических частиц на поверхности подложки 3.

Далее этап выращивания нанотрубок. Лазерное излучение 13 основного источника фокусируют на поверхности подложки 3 с нанесенным слоем капель 4 катализатора. Область материала под воздействием лазерного излучения 13 нагревается, приводя к расплавлению капель катализатора, термическому разложению прекурсора углерода и поглощению углерода жидкой фазой катализатора с дальнейшим образованием пересыщенного раствора углерода в капле катализатора и ростом углеродной нанотрубки 7. Лазерный луч 13 отклоняют с помощью специального устройства - сканатора (на фигурах не показан) по требуемой траектории. Лазерным лучом 13 воздействуют только на те участки поверхности подложки 3, на которых требуется рост углеродных нанотрубок 7. При воздействии на участки роста нанотрубок 7 лазерным излучением 13 основного источника лазерного излучения одновременно происходит термическая обработка, приводящая к вертикальной ориентации нанотрубок 7.

В результате получают углеродные нанотрубки высокого качества за счет высокой вертикальной ориентированности.

Достоинством предлагаемого способа и устройства является отсутствие необходимости использования масок, сепарации и переноса нанотрубок, т.к. их формирование происходит непосредственно на поверхности изделия.

Техническим результатом способа и устройства является высокая производительность, т.к. подготовка каталитического слоя происходит в реакционной камере непосредственно перед этапом выращивания нанотрубок, а также универсальность лазерной технологии, позволяющая проводить различные этапы, такие как: абляция материала катализатора и формирование каталитического слоя на поверхности подложки, локальное выращивание нанотрубок, термообработка, приводящая к уменьшению количества необходимого технологического оборудования и затрат.

Пример 1

На очищенную поверхность монокристаллической кремниевой пластины р-типа толщиной 525 мкм в реакционной камере с давлением 10-6 торр, температурой нагревателя подложки 150 градусов, с помощью эксимерного KrF-лазера длиной волны 248 нм, длительностью импульса 30 нс, энергией 1.5 Дж/см в течение 11 минут наносится каталитический слой 2,5% Fe/Al2O3 из капель катализатора характерным размером 6 нм и отклонением от данного размера не более 10%. Далее давление в камере увеличивается до 10-2 торр и в камеру подается 15% газовая смесь ацитилена и аргона. Требуемый технологический рисунок перерабатывается в программный код устройства отклонения луча (сканатора). С помощью СО2 лазера мощностью излучателя 100 Вт длиной волны 10.6 мкм лазерного излучения энергией 2.8*106 Вт/см2 поверхность изделия обрабатывается по заданной геометрии отклонения луча в течение 55 минут. Средний диаметр выращенных нанотрубок составляет 5 нм с погрешностью 7% высота 50 нм с отклонением не хуже 15% и высокой вертикальной ориентированностью.

Пример 2

Монокристаллическая кремниевая пластина р-типа толщиной 525 мкм с очищенной рабочей поверхностью устанавливается в реакционную камеру с давлением 10-6 торр, температурой нагревателя подложки 250 градусов. С помощью иттербиевого волоконного лазера мощностью 500 Вт длиной волны 1.36 мкм, с использованием модулятора добротности в импульсном режиме генерации частотой 200 Гц энергией лазерного излучения 108 Вт/см2 в течение 40 секунд наносится каталитический слой из никельсодержащего катализатора с характерным размером капель 15-20 мкм. Далее давление в камере увеличивается до 10-1 торр и в камеру подается пропан-пропиленовая фракция, предварительно очищенная от сернистых загрязнений и воды. Требуемый технологический рисунок перерабатывается в программный код устройства отклонения луча (сканатора). Волоконным лазером в режиме непрерывной генерации с использованием сканатора для обработки поверхности по заданной траектории плотность мощности на поверхности удерживается на уровне 106 Вт/см2 в течение 2 часов. Температура катализатора составляла 500-700°C. Углеродные нанотрубки в данном эксперименте имели диаметр 13 мкм с погрешностью 30% и длину 70-100 мкм.

1. Способ получения углеродных нанотрубок, включающий размещение подложки на держателе, расположенном в реакционной камере, вакуумирование камеры, подачу в камеру реакционного газа, конденсацию и рост наночастиц под воздействием лазерного излучения основного источника лазерного излучения, которое подают на поверхность подложки, отличающийся тем, что предварительно на подложке создают каталитический слой в виде капель каталитических частиц, для чего в камере размещают мишень из каталитического материала и воздействуют на нее импульсным лазерным излучением дополнительного источника лазерного излучения и осаждают на подложке каталитический слой в виде отдельных капель, затем фокусируют лазерное излучение основного источника на полученном каталитическом слое и сканируют его по заданной траектории, воздействуя на участки роста нанотрубок.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для выращивания нанотрубок используют лазерное излучение с длиной волны 0,248-10,6 мкм.

3. Устройство для получения углеродных нанотрубок, содержащее реакционную камеру, размещенный в ней держатель подложки, основной источник лазерного излучения для выращивания нанотрубок, систему подачи реакционной газовой смеси в камеру и систему вакуумирования камеры, отличающееся тем, что оно снабжено держателем мишени из материала катализатора, дополнительным источником лазерного излучения для создания на подложке каталитического слоя в виде капель из материала мишени и сканатором для перемещения луча основного источника лазерного излучения для выращивания нанотрубок по заданному рисунку.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что дополнительный источник лазерного излучения выполнен импульсным.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано при изготовлении композиционных материалов, катализаторов, материалов для хранения газов. Катализатор - нанодисперсный порошок никелида алюминия, покрытый каталитически активным металлом из ряда, включающего железо, кобальт, никель, молибден или их смеси, получают путём его пропитки солями указанных каталитически активных металлов, сушки, прокаливания и модифицирования монохроматическим электромагнитным излучением в импульсном режиме с частотой 10-30 Гц при удельной мощности излучения 1,1-1,8 кВт/мм2.

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении СВЧ-устройств, имеющих покрытия, позволяющие снизить коэффициент вторичной эмиссии электронов.

Изобретение может быть использовано электронике, энергетике и медицине. Плёнку двумерно упорядоченного линейно-цепочечного углерода получают напылением методом импульсно-плазменного испарения графитового катода.

Изобретение относится к химии и водородной энергетике и может быть использовано в транспортном машиностроении. Водород получают в генераторе 1, направляют в приёмник 2, разделяют на два потока 3 и воздействуют на них импульсным магнитным полем с амплитудой магнитной индукции В более 100 гаусс.

Изобретение относится к технологиям получения наноструктурированного углеродного материала и может быть использовано в химической, электротехнической, машиностроительной промышленности при изготовлении усиливающих наполнителей резин и пластмасс, пигментов для типографских красок, в производстве сплавов, специальных сортов бумаги, электродов, гальванических элементов.

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для получения углеродных наноструктур. Устройство для синтеза углеродных нанотрубок включает камеру 1, заполненную инертным газом, в которой расположены цилиндрические углеродосодержащие катод 2 и анод 3, расположенные соосно, выполненные с возможностью их перемещения относительно друг друга в продольном направлении.

Изобретение относится к области получения теплозащитных материалов, стойких к эрозионному разрушению при воздействии высоких температур и давлений, а более конкретно к конструкции армирующего каркаса из углеродного волокна и способу его изготовления.

Изобретение относится к области химии и нанотехнологии. Сначала при температуре 25÷50°C готовят раствор, содержащий, мас.%: полиакрилонитрил - 4,58; CoCl2·6H2O - 1,86; NiCl2·6H2O - 1,86; диметилформамид - 91,7, и выдерживают до полного растворения всех компонентов.

Изобретение может быть использовано в медицине и биологии. На первой стадии получают низкогидроксилированные нерастворимые фуллеренолы путем взаимодействия концентрированного раствора фуллерена в о-ксилоле с водным раствором аммиака в присутствии катализатора межфазового переноса тетрабутиламмониевого гидроксида при температуре 35-40°C.

Изобретение может быть использовано при получении покрытий, уменьшающих коэффициент вторичной электронной эмиссии, выращивании алмазных плёнок и стёкол, элементов, поглощающих солнечное излучение.

Изобретение относится к прецизионным износостойким антифрикционным покрытиям, полученным путем вакуумно-дугового осаждения, и может быть использовано в машиностроении, авиастроении, при создании конструкций с повышенными антиэрозионными, антифрикционными и защитными свойствами.
Изобретение относится к стекольной промышленности и может быть использовано при производстве различных стеклянных изделий, например, бутылки, листового стекла, а также при производстве изделий из керамики.

Изобретение может быть использовано при изготовлении композиционных материалов, катализаторов, материалов для хранения газов. Катализатор - нанодисперсный порошок никелида алюминия, покрытый каталитически активным металлом из ряда, включающего железо, кобальт, никель, молибден или их смеси, получают путём его пропитки солями указанных каталитически активных металлов, сушки, прокаливания и модифицирования монохроматическим электромагнитным излучением в импульсном режиме с частотой 10-30 Гц при удельной мощности излучения 1,1-1,8 кВт/мм2.

Изобретение относится к области фармацевтики и медицины и касается средства для лечения и профилактики нарушений сна, представляющего собой конъюгат глицина, иммобилизованного на частицах детонационного наноалмаза размером 2-10 нм, с содержанием глицина до 21±3% мас.

Изобретение относится к производству полимерных композитов на основе пенополиуретанов, которые могут быть использованы для теплоизоляции конструкций в судостроении, авиастроении и автомобильной промышленности.

Изобретение относится к области получения монокристаллов сегнетоэлектриков с бидоменной структурой и может быть использовано в нанотехнологии и микромеханике при создании и работе приборов точного позиционирования, в частности зондовых микроскопов, лазерных резонаторов, а также при юстировке оптических систем.

Изобретение относится к области физики низкоразмерных структур, а именно к способу получения тонкой нанокристаллической интерметаллической пленки на стеклянной подложке, и может быть использовано в различных высокотехнологичных областях промышленности и науки для создания новых материалов.

Группа изобретений относится к медицине и касается системы пероральной доставки действующего вещества белковой природы в виде наночастиц со средним размером не более 500 нм на основе ПМГК при соотношении молочной кислоты к гликолевой кислоте 50:50 в полимере и молекулярной массе ПМГК 24-69 кДа в виде порошка, полученного лиофилизацией в присутствии бычьего сывороточного альбумина в эффективном количестве.
Изобретение относится к медицине, а именно к онкологии, и может быть использовано для персонализированной интраоперационной контактной локальной гипертермии при лечении местнораспространенных злокачественных опухолей.
Изобретение может быть использовано при изготовлении нейтронопоглощающих материалов для стержней регулирования систем управления и защиты ядерных реакторов. Способ получения керамических материалов на основе нанокристаллических порошков гафната диспрозия включает изготовление смешанного гидроксида диспрозия и гафния путем растворения в воде солей HfOCl2·8H2O и Dy(NO3)3·5H2O и добавления полученного раствора к раствору аммиака.
Изобретение относится к способу создания каталитического слоя на поверхности пористого носителя. Данный способ включает нанесение наночастиц катализатора, содержащих оксид церия или гомогенный смешанный оксид церия и циркония, на внутреннюю поверхность пористого носителя из оксида алюминия посредством погружения пористого носителя в предварительно приготовленную стабильную водную суспензию, содержащую наночастицы катализатора, и запекание носителя с нанесенными на него наночастицами катализатора.
Наверх