[发明专利]用于生成纳米管的设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及如权利要求1的前序所述的一种用于生成纳米管的设 备，并具体涉及一种用于生成纳米管的设备，该设备适于生成掺杂和/ 或无掺杂单壁或多壁纳米管，且该设备至少包括热反应器。根据本发 明，纳米管的生成发生在热反应器中的设备中，且热反应器的材料参 与到纳米管的生成过程中。本发明的设备使得能够生成多壁和单壁碳 纳米管以及诸如掺硼和掺氮单壁碳纳米管的掺杂纳米管。本发明的实 施方式还能够生成其它纳米管，如氮化硼纳米管。本发明还涉及如权 利要求27的前序所述的用于生成纳米管的方法，具体涉及一种用于生 成掺杂和/或无掺杂单壁或多壁纳米管的方法。

构成本发明的目的的设备包括用于将热反应器加热到温度超过 2000℃，更优选地加热到温度超过2300℃的装置，在该温度下热反 应器的生成材料大量地升华到热反应器中。在本发明的实施方式中， 生成纳米管所需的诸如硼的其它材料而不是碳升华到热反应器中。 另外，构成本发明的目的的设备包括用于将生成纳米管所需的气态、 液态和固态基前驱物材料供给到热反应器中。催化单壁碳纳米管的 有效生成所需的金属粒子可以由优选地紧靠热反应器布置的固态金 属源生成，并从热反应器获得金属升华所需的热能。构成本发明的 目的的设备还可以包括用于将原料引入到热反应器中位于热反应器 的最热部分之前或其后的装置，这使得能够有利地掺杂纳米管。另 外，构成本发明的目的的设备包括用于收集纳米管的装置，优选地 通过热泳进行收集。纳米管的最终应用还可以直接用作收集基质。

背景技术

纳米管是直径为一纳米(单壁纳米管)到几十纳米(多壁纳米 管)的小圆柱形分子。纳米管的长度可以从几纳米到几微米不等。 最常研究和使用的纳米管是碳纳米管(碳纳米管，CNT)，但也生 成氮化硼纳米管(BN)。纳米管在以下方面具有多种可能用途：在 能量储存(氢的储存、高效电池和电容器)方面，在分子电子技术 (场致发射装置、晶体管)、传感器、复合材料和其它应用方面。至 于它们的原子结构，碳纳米管是半导体或类金属。

碳纳米管主要以两种方式制造：通过高温过程(激光烧蚀)和 通过化学气相沉积(CVD)。将管制造成完全具有所期望的特性是 极为困难的。

在激光烧蚀过程中，烧蚀靶通常由包含原子百分比为1％的镍 (Ni)和钴(Co)的石墨制成。镍和钴用作纳米管生长的催化剂。 该靶在保护气氛(通常为氩气，Ar)中被加热到大约1000开尔文 (K)到1500K，之后通常用脉冲激光束对准该处。激光束使石墨 蒸发并在烧蚀羽流中形成纳米管。对于该形成过程已经提出了多种 不同的机制。在该过程中，至少形成富勒烯球(C₆₀)，其有可能在 反复的激光轰击中进一步分解，且形成于富勒烯的轻碳气分子(特 别是C₂)对碳纳米管的生成具有重要作用(应用物理A 72，2001 年，Scott、C.D.等人，《激光烧蚀过程中用于单壁碳纳米管的生长 机制》(Growth mechanisms for single-wall carbon nanotubes in a laser-ablation process)，第573页至第580页)。在基本方法中，形 成具有不同直径的纳米管，这间接表明是由在靶的不同部位处以不 同方式蒸发的催化剂金属和碳造成的。为了消除该问题，2001年12 月18日公布的NEC公司的美国专利6,331,690公开了一种方法， 其中以激光辐射分别轰击石墨靶和镍/钴靶，这导致形成石墨蒸气羽 流和催化剂金属蒸气羽流，它们的结合导致催化单壁碳纳米管的生 长。

激光烧蚀过程通常需要热炉，在其中执行烧蚀。2005年2月15 日公布的NEC公司的美国专利6,855,659教示了通过至少部分由富 勒烯型碳来制造靶，该靶的表面优选地是弯曲的，这使得能够将炉 温降到500℃的温度。