[发明专利]制造纳米管结构的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求享受于2004年9月28日提交的美国专利申请号 10/950,793、于2004年6月7日提交的美国临时专利申请号 60/577,678和于2004年4月27日提交的美国临时专利申请号 60/565,610的申请日，其全部公开内容在本文中全部引用供参考。

技术领域

本发明涉及纳米管的制造，并且更具体地说，涉及纳米管以 及形成和/或制造纳米管和纳米管结构的系统和方法。

背景技术

碳纳米管是具有机械、电学、和化学性能的管状含碳结构， 这些性能使它们在许多领域包括电子、机械、和医药应用中具有 潜在的应用。例如，它们显示出优异的强度，主要是由于在组成 管的碳原子之间存在强的sp²键。而且，它们显示出引人关注的电 性能如一些管由于碳原子沿着该管的长轴排列而具有高电导率。 它们也显示出使它们对多种用途具有吸引力的热性质，如电脑芯 片的散热器。此外，由于它们是中空的，它们能容纳、传输、并 最终释放物质。这种性能使它们对医学应用非常有用。正在进行 大量研究以便确定这些小结构的其它独特并且有用的性能。

纳米管是具有富勒烯的基本点阵结构的圆柱形碳晶格。大部 分纳米管在一端或两端被半富勒烯分子封端。纳米管的特征在于： 具有1纳米(1nm)到只有几个(例如5-10)或几十(例如50)纳 米的外径。虽然许多纳米管只是比它们的宽度长几倍，但是已经 制造了一些具有长度比它们的宽度长数百万倍的纳米管。纳米管 可以使其本身排列成绳状结构，使得可制造优异强度但重量相当 轻的长导线。

已经以两种不同类型的基本结构制造纳米管：单壁纳米管 (SWNT)和多壁纳米管(MWNT)。如同它们名称的含义那样， SWNT是具有包裹内部空间的单壁的管，而MWNT是单一内部空 间被许多排列成嵌套圆筒的管状壁结构包裹的管。由于它们的不 同结构，并且由于制备它们的难易差异，SWNT和MWNT正在成 为目标(targeted)并用于不同用途(虽然许多用途是重叠的)。

现在，有许多用于生产或制造碳纳米管的已知工艺和方法。 这些方法可以包括电弧放电、激光烧蚀、和化学气相沉积。在电 弧放电方法中，通过在两个碳电极之间的电弧放电形成含碳蒸汽， 并且碳纳米管由该蒸汽自组装。不幸的是，这种方法导致高水平 的杂质，这些杂质如果可以根本去除的话，也很昂贵。在激光烧 蚀方法中，高能激光束撞击许多含碳原料气体。虽然由激光烧蚀 生产的纳米管比由电弧放电生产的纳米管纯净，但是产率明显更 低。在化学气相沉积方法中，含碳气体暴露在加热的活性金属中， 这导致在加热的金属表面上形成纳米管。可大规模地使用化学气 相沉积，但是经常并且不可控制地生产具有宽范围直径的SWNT 和MWNT的混合物，该SWNT质量总是差的。而且，它要求从存 在于反应中的烟灰和金属中提纯纳米管。

美国专利No.6,455,021公开一种电弧放电方法，通过该方法， 在生产碳纳米管中，在很高温度下，将前体气流暴露于等离子体 放电中。然而，通过这种方式产生的纳米管可以包括大量污染物。

美国专利No.6,331,690公开一种与生产纳米管有关的激光烧 蚀方法，由此高能激光聚焦在碳靶上。该方法与电弧放电方法相 比，可以产生具有相对较少的污染物的纳米管，但是生产率低。 激光烧蚀方法投资也大。

美国专利No.6,689,674公开一种用于纳米管生产的化学气相 沉积(CVD)方法，通过该方法，将前体气流加热并且指向 (directed)活性金属表面。在碳纳米管的生产中使用CVD可以 产生高的产率和相对较少的污染物。然而，生产的碳纳米管可能 具有许多缺陷。

由于富勒烯点阵的复杂性以及可以将其卷绕以形成圆柱或管 的不同方式，具有不同点阵构形的纳米管可以具有不同的物理性 能。使用三种主要类型的纳米管点阵：之字型、手性和扶手椅型， 通常，认为：这三种类型之间的差异是基于在卷绕成管之前石墨 (graphine)片相对于沿着该管的中心轴的取向。

这些目前可用的制造纳米管的方法，如上所述，可形成在其 物理性能包括壁的数量、长度、直径和点阵结构中具有光谱可变 性的纳米管。因而，目前的方法不允许预先选择并且仅仅生产一 种纳米管，所述一种纳米管具有单一的壁、长度、直径、和点阵 结构或构形。与这样的高温生长方法有关的制造成本高，因为这 种间歇式工艺需要能源成本和时间。