176_090-044AP-TW
發佈日期 :
2009-04-29
| 發明專利說明書 | |
| ※申請案號： 090132118 | |
| ※申請日期： 20011225 ※ＩＰＣ分類： Int.Cl.(7) B01J 19/08，C01B 31/04 |
|
| 一、發明名稱： (中文/英文) | |
|
METHOD FOR FABRICATION OF CARBON NANOTUBES HAVINGMULTIPLE JUNCTIONS
|
|
| 二、申請人： 共 1 人
|
|
| 1 . 姓名或名稱：(中文/英文) 國立成功大學 / NATIONAL CHENG KUNG UNIVERSITY 代 表 人：(中文/英文) / 住居所或營業所地址：(中文/英文) 臺南市東區大學路一號 / 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW
|
|
| 三、發明人： 共 2 人
|
|
| 1 . 姓名：(中文/英文) 丁志明 / TING, JYH-MING 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW 2 . 姓名：(中文/英文) 張淇芝 / CHANG, CHI-CHIH 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW
|
|
|
四、聲明事項 |
|
| □主張專利法第二十二條第二項 □ 第一款或 □ 第二款規定之事實，其事實發生日期為：年 月 日
□申請前已向下列國家(地區)申請專利: 【格式請依:受理國家(地區)、申請日、申請案號、 順序註記】
|
|
| □ 有主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
□無主張專利法第二十七條第一項國際優先權： |
|
| □ 主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
【格式請依:申請日、申請案號、順序註記】
|
|
□ 主張專利法第三十條生物材料： □ 須寄存生物材料者： 國內生物材料【格式請依:寄存機構、日期、號碼、順序註記】 國外生物材料【格式請依:寄存國家、機構、日期、號碼、順序註記】 |
|
| □ 不須寄存生物材料者: 所屬技術領域中具有通常知識者易於獲得時，不須寄存。 |
|
| 五、中文發明摘要： | |
| 本發明係有關一種具有複數接點之奈米碳管(CNTS)之製造方法，至少包含：在化學氣相沉積系統中，提供至少一基材；金屬粉末；以及含碳反應氣體，於高溫環境下進行反應，以在前述基材上形成具有複數接點之奈米碳管，其中前述具複數接點之奈米碳管係為二維(two-dimension)及／或三維(three-dimension)結構且具有相似直徑之網狀結構(webs)。 | |
| 六、英文發明摘要： | |
| A method for fabricating carbon nanotubeS havingmultiple junctions, comprising the process ofsupplying at least a substrate, metal powders, andcarbon-containing reactant gas to chemical vapordeposition (CVD) system under high temperature.Carbon nanotubes having multiple junctions formabove the substrate, thereby exhibitingtwo-dimensional and∕or three-dimensional web-likestructures with uniform diameters. | |
| 七、指定代表圖： | |
| （一）本案指定代表圖為： | |
| （二）本代表圖之元件符號簡單說明：
|
|
| 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： | |
| 九、發明說明： | |
| [發明之技術領域] 本發明係有關一種具有複數接點之奈米碳管之製造方法，係利用熱化學氣相沉積法(thermal CVD)且在無模板(template)之狀態下，形成具有二維(two-dimension)結構，如：H接點(H-junction)及複數個Y接點(Y-junction)，以及三維(three-dimension)結構之複數個接點之新穎奈米碳管材料。 [發明背景] 奈米碳管(carbon nanotube)自1991年被S.Iijima發現以來，已逐漸成為科學界的主流研究課題之一。奈米碳管主要係由一層或多層之未飽和石墨層(graphene layer)所構成之特殊圓柱管結構，其具有獨特的電、磁、光特性和無限應用之潛力，可應用於：光電元件、電子元件、生化醫學、能源材料…等種領域，因此格外受人矚目。例如：單支的奈米碳管可應用為高解析度的電子光束儀器，如置於原子粒顯微鏡的探針尖端，或將單支奈米碳管置於兩個金屬極間作為電子流動的通道，使用在場效電晶體上；聚集的奈米碳管可應用在平面顯示器上，如：韓國Samsung已成功研究出4.5英吋全彩影像的平面顯示器。 基本上奈米碳管上石墨層之構造及化學性質與碳六十相似，目前常用之製備方法大致可分為三種：第一種方法為電漿法(plasama discharging method)：藉由兩支石墨棒於直流電場及惰性氣體（例如：He或Ar）環境下，以火花放電而生成奈米碳管。 第二種方法為雷射激發法(laser ablation method)：藉由聚焦之高能量雷射光束於約1200℃高溫爐中揮發石墨棒而生成奈米碳管。 第三種方法為金屬催化熱化學氣相沉積法(metalcatalyzed thermal chemical vapor deposition method)：係於高溫爐中(>700℃)，由鐵、鈷、鎳金屬顆粒裂解乙炔或甲烷而生成奈米碳管。 由於奈米碳管獨特之特性，已被認為可廣泛地應用於分子大小(molecular-scale)或奈米大小(nano－scale)之裝置。當在架構奈米裝置時，勢必會考慮到創造其二維及三維接點之問題。為了創造此類接點，一種方法係將奈米碳管置於金屬平板上，其需要非常複雜的處理程序["Room-temperature transistor based on a singlecarbon nanotube",Nature,393,49-52(1998)]；另一種方法係透過在成長過程中形成奈米碳管分支而製成，第一個被觀察到的奈米碳管分支係使用電弧放電法(arc-discharge method)而形成，其形成之奈米碳管之接點係為L接點、Y接點及T接點，其奈米碳管之直徑為10 1 nm之等級["Complex branching in the growth ofcarbon nanotubes",Chem.Phys.Lett.,238,286-289(1995)]。然而，這些不同接點整體來說係隨機(random)形成的。單一分支式樣的Y接點奈米碳管，可藉由使用熱絲化學氣相沉積法(hot filament CVDmethod)["Branching carbon nanotubes deposited inHFCVD system", Diamond and Related Materials, 9,897-900(2000)]，或將二戊鎳(nickelocene)及噻吩(thiophene)一起的熱裂解(pyrolysis)的方法形成["Y-junction carbon nanotubeS", Appl. Phys. Lett.,77,2530-2532(2000)]。這些方法形成之奈米碳管的直徑範圍係從15nm至100nm。 另，所謂的奈米通道氧化鋁(nanochannel alumina,NCA)方法也已被使用於長成Y接點的奈米碳管，並且偵測到其具有電子傳輸之功能，這些奈米碳管之直徑範圍係從35nm至60nm["Growing Y-junction carbon nanotubes",Nature,402,253-254(1999)]。再者，化學氣相沉積法也被用於形成Y接點之奈米碳管的方法之一，然而，上述這些方法皆須使用模板(template)才可完成具有接點之結構。 前述方法所形成之接點接限定於二維結構，或最多包含三個方向(three-Way)之接點，然而，對於未來機械、電子及生化科技方面的應用，複數個方向(multiple-way)的接點或三維接點之結構係會有所需要。 [發明概述] 有鑑於習知製造奈米碳管之各種的弊端及限制，本發明之目的係提供一種具有複數接點之奈米碳管之製造方法，係可同時形成二維及／或三維結構之奈米碳管(CNTs)。 本發明之製造方法係使用簡單之熱化學氣相沉積法(thermal CVD)，且無需使用任何模板即可形成二維（例如：H接點(H-junction)）及三維結構之奈米碳管。前述製造方法至少包含：在化學氣相沉積系統中，提供至少一基材；金屬粉末；以及含碳反應氣體，於高溫環境下進行反應，以在前述基材上形成具有複數接點之奈米碳管，其中前述複數接點之奈米碳管係為二維及／或三維結構且具有相似直徑之網狀結構。 前述之化學氣相沉積系統係為熱化學氣相沉積(thermal-CVD)系統。 適用於本發明之基材材料並無特別之限制，較佳係為矽，其中又以單晶矽更佳。 前述金屬粉末係可利用蒸鍍法(evaporation-deposition method)，或其他類似功效之方法，將金屬植入(seed)前述基材中，形成奈米大小顆粒之觸媒。前述金屬係為過渡金屬或其合金，其中前述之過渡金屬較佳係可為：鐵、鈷、鎳、鉑、鈀及／或其化合物及／或其合金，其中更佳係為鐵金屬。 前述含碳反應氣體係為碳氫化合物，其中較佳係為甲烷、乙烷、丙烷、乙炔或其混合物等氣體，其中更佳係為甲烷。 前述之高溫環境係約700℃至1,100℃，其中較佳之形成具有複數接點之奈米碳管之溫度係為800℃。 前述之具有複數接點之奈米碳管，係可為二維結構，例如：L接點、Y接點、T接點或H接點，或三維結構之複數個接點，形成奈米碳管網狀結構。 前述三維結構之接點係指立體之接點，可連接複數個不同之平面。 主要元件符號說明 1、2、3．．．奈米碳管 10、30．．．Y接點之奈米碳管 20．．．T接點之奈米碳管 40．．．H接點之奈米碳管 α、β．．．奈米碳管 [發明之詳細說明] 本發明之製造方法係使用簡單之熱化學氣相沉積法(thermal CVD; thermal chemical vapor deposition)，且無需使用任何模板即可形成二維（例如：H接點(H-junction)）及三維結構之奈米碳管。前述製造方法至少包含：在化學氣相沉積系統中，提供至少一基材；金屬粉末；以及含碳反應氣體，於高溫環境下進行反應，以在前述基材上形成具有複數接點之奈米碳管，其中前述具複數接點之奈米碳管係為二維及／或三維結構且具有相似直徑之網狀結構。 本發明之奈米碳管製造方法之詳細過程如下所述：首先選擇適當之材料作為成長奈米碳管之基材，並將前述基材經過前處理過程，例如：用砂紙摩擦基材之表面、清洗基材等步驟；之後，將處理後之基材置於熱化學氣相沉積系統中；另，於熱化學氣相沉積系統中，在基材上方一定之距離，利用一陶瓷器皿裝載金屬粉末作為成長奈米碳管的觸媒來源，藉由此排列方式可使前述金屬粉末，在一特定溫度下蒸鍍於基材上，藉此將奈米大小之金屬植入(seed)基材中。 另，於熱化學氣相沉積系統中，將含碳反應氣體通入反應爐體內，於高溫下提供足夠的熱量使含碳反應氣體裂解(pyrolysis)，並於基材表面形成具有複數接點之奈米碳管。 適用於本發明之基材材料並無特別之限制，較佳係為矽，其中又以單晶矽更佳。 前述金屬係為過渡金屬或其合金，其中前述之過渡金屬較佳係可為：鐵、鈷、鎳、鉑、鈀及／或其化合物及／或其合金，其中更佳係為鐵金屬。 前述之含碳反應氣體係為碳氫化合物，其中較佳係為甲烷、乙烷、丙烷、乙炔或其混合物等氣體，其中更佳係為甲烷。 前述之高溫環境係介於700℃至1,100℃，其中較佳之形成具有複數接點之奈米碳管之溫度係為800℃。 前述之具有複數接點之奈米碳管，係可為二維結構，例如：L接點、Y接點、T接點或H接點，或三維結構之複數個接點，形成奈米碳管網狀結構，且根據本發明之方法製成之奈米碳管具有相似的直徑。前述三維結構之接點係指立體之接點，可連接複數個不同之平面。 本發明之具有複數接點之奈米碳管之製造方法，透過下列實施例並配合圖式更詳細說明本發明之優點及特徵。 實施例 使用單晶矽晶圓作為本發明之基材，先將其用600－grit之砂紙摩擦並以超音波清洗，之後，將經過前述處理後之基材置入熱化學氣相沉積系統之反應爐中之水平管；將一陶瓷製的缽中放入鐵粉作為觸媒來源，並將其放置於距離基材上方約5公分處。透過此一位置的排列，可使鐵粉於一適當溫度下進行蒸鍍，如此，具有奈米大小之鐵觸媒將會被植入前述矽基材中。最後，於800℃溫度下裂解已通入熱化學氣相沉積系統中之甲烷，使其在觸媒作用下，於基材上成長具有複數接點之奈米碳管。本發明之方法可於常壓下直接進行，無須如習知方法必須於低壓下才可進行。 圖一係根據本發明之製造方法，於基材上成長奈米碳管之電子顯微鏡照片，放大倍率為一萬倍。由圖一顯示使用本發明之方法可於基材上形成奈米碳管之網狀結構(Webs of CNTs)，相較於習知技術，本發明之方法除了可成長Y接點之奈米碳管外，可再成長不同型態之結構，例如：H接點（二維結構）及三維結構之奈米碳管。 圖二係根據本發明之製造方法成長之具有複數個Y接點10、30或H接點40之奈米碳管之電子顯微鏡照片（係由兩張電子顯微鏡照片合併顯示），放大倍率為兩萬倍。圖中，奈米碳管1係代表藉由觸媒成長而成之母體晶體管(parent stem)，然後，沿著奈米碳管1再分裂出Y接點10之奈米碳管，且其中一分支奈米碳管2又成為另一個母體晶體管，並繼續分裂成其他Y接點或接近T接點20的奈米碳管。再者，由圖中左下角顯示之奈米碳管3，係從前述奈米碳管2所分裂之Y接點之其中一分支，其又成為另一個母體晶體管進一步分裂成的另一個Y接點，如此，透過連續地分裂或分支的奈米坦碳管，可形成如網狀般的三維奈米碳管結構，而不會被限定於二維結構。 圖三係本實施例中具有三維結構之奈米碳管網狀結構之電子顯微鏡照片，放大倍率為八萬倍。圖三中，中心點A連接五根奈米碳管，沿著A點移動，奈米碳管的分支α及β之間形成一Y接點的奈米碳管；且前述Y接點的奈米碳管之其中一根奈米碳管（α奈米碳管），進一步形成另一個Y接點奈米碳管。藉由連續分裂而成的奈米碳管，可形成如網狀般的三維奈米碳管結構，此種三維結構之接點可連接不同之平面，例如：上下雙層之平面。 根據本發明製造之奈米碳管具有相似的直徑，本實施例之奈米碳管之直徑為30nm至50nm。 綜上所述，本發明係利用簡單之熱化學氣相沉積法，製造新的二維及三維結構，且具有相似直徑之奈米碳管。在合成奈米碳管之技術中，連接兩根或複數根奈米碳管之技術，係為發展以奈米碳管為基礎(CNTS-based)之電路或其他應用中非常關鍵的一步。基本的奈米裝置(nano-device)元件包含：二極體中之p-n接合面(p-njunction diodes)、電晶體中之異質接面(heterojunction in transistors)以及金屬－氧化－半導體接面…等，皆需要此種連接技術。因此，形成二維H接點及複數個Y接點，以及三維之網狀結構之奈米碳管，不只創造了複雜的三維奈米碳管結構，亦可提供藉由此一新的材料，例如：各種基礎的奈米大小接點(nano－scalejunctions)及量子線(quantum wires)，作為基材的奈米科技通訊，用以發展奈米大小之機械、電子裝置及生化科技方面。 雖然本發明之較佳實施例以揭露於上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，皆可作各種變化，因此本發明之保護範圍係由後述之申請專利範圍所界定。 [發明之功效] 本發明所提供之一種具有複數接點之奈米碳管之製造方法，係可同時成長二維及三維結構之奈米碳管(CNTs)，相較習知只能形成二維之奈米碳管之技術，有相當之突破且具有進步性，因此，使用本發明之方法製成之奈米碳管之結構，可有利於未來應用於光電元件、電子元件、生化醫學、能源材料…等種領域，增進人類社會福社。 圖式簡單說明 圖一係根據本發明之製造方法，於基材上成長奈米碳管之電子顯微鏡照片，放大倍率為一萬倍。 圖二係根據本發明之製造方法成長之具有H接點或複數個Y接點之奈米碳管之電子顯微鏡照片（係由兩張電子顯微鏡照片合併顯示），放大倍率為兩萬倍。 圖三係根據本發明之製造方法成長之具有三維結構之奈米碳管網狀結構之電子顯微鏡照片，放大倍率為八萬倍。
|
|
| 十、申請專利範圍： | |
| 1.一種具有複數接點之奈米碳管之製造方法，至少包含：在化學氣相沉積系統中，主要提供：一基材；金屬粉末；以及含碳反應氣體，於高溫環境下進行反應，以在前述基材上形成具有複數接點之奈米碳管，前述具複數接點之奈米碳管係為二維及／或三維結構且具有相似直徑之網狀結構，其中前述之方法係不使用模板(template)。 2.如申請專利範圍第1項所述之具有複數接點之奈米碳管製造方法，其中前述基材較佳係為矽。 3.如申請專利範圍第2項所述之具有複數接點之奈米碳管之製造方法，其中前述矽較佳係為單晶矽。 4.如申請專利範圍第1項所述之具有複數接點之奈米碳管之製造方法，其中前述金屬係為過渡金屬或其合金。 5.如申請專利範圍第4項所述之具有複數接點之奈米碳管之製造方法，其中前述之過渡金屬較佳係可為：鐵、鈷、鎳、鉑、鈀及／或其化合物及／或其合金。 6.如申請專利範圍第5項所述之具有複數接點之奈米碳管之製造方法，其中前述金屬係為鐵金屬。 7.如申請專利範圍第1項所述之具有複數接點之奈米碳管之製造方法，其中前述之金屬係蒸鍍於前述基材上。 8.如申請專利範圍第1項所述之具有複數接點之奈米碳管之製造方法，其中前述之含碳反應氣體係為碳氫化合物。 9.如申請專利範圍第8項所述之具有複數接點之奈米碳管之製造方法，其中前述之碳氫化合物係可為甲烷、乙烷、丙烷、乙炔或其混合物氣體。 10.如申請專利範圍第9項所述之具有複數接點之奈米碳管之製造方法，其中前述之碳氫化合物係為甲烷。 11.如申請專利範圍第1項所述之具有複數接點之奈米碳管之製造方法，其中前述之高溫環境之溫度係為700℃至1,100℃。 12.如申請專利範圍第11項所述之具有複數接點之奈米碳管之製造方法，其中前述之溫度較佳係為800℃。 13.如申請專利範圍第1項所述之具有複數接點之奈米碳管之製造方法，其中前述之二維結構之奈米碳管係為L接點、Y接點、T接點或H接點之奈米碳管。 14.如申請專利範圍第1項所述之具有複數接點之奈米碳管之製造方法，其中前述之三維結構之接點係指立體之接點，可連接複數個不同之平面。 |
|
| 十一、圖式： | |
   |
|
瀏覽數:
分享