062_093-064AP-TW

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062_093-064AP-TW

發佈日期 : 2009-04-29

發明專利說明書


※申請案號：093129621	※I P C 分類：

一、	發明名稱：
	一種低溫快速製造準直性奈米碳管之方法(全文下載)

二、

中文發明摘要：

一種低溫快速製造準直性奈米碳管之方法，可在低於380℃環境下快速製造高分布密度與高準直性之奈米碳管。該方法包含：(A)在一基板頂面被覆一鐵矽合金薄膜作為成長奈米碳管所需之催化劑。(B)蝕刻該鐵矽合金薄膜，而於該基板頂面形成適當密度分布之複數細微鐵矽合金顆粒。及(C)在低於380℃微波電漿輔助化學氣相沉積系統中，通入預定流量及適當比例之含碳反應氣體與平衡氣體，在適當的工作壓力下，於該等鐵矽合金顆粒上成長垂直於該基板頂面的奈米碳管，微波功率為250~1500 W，工作壓力為20~40 Torr。

三、

英文發明摘要：

四、	指定代表圖：
	(一)本案指定代表圖為：第3圖
	(二)本代表圖之元件符號簡單說明：
	3．．．基板
	40．．．鐵矽合金顆粒
	6．．．含碳反應氣體
	7．．．平衡氣體
	8．．．奈米碳管

五、	本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

六、	發明說明：
	【發明所屬之技術領域】
[n]	本發明是有關於一種奈米碳管的製造方法，特別是指一種於低溫環境中快速製造準直性奈米碳管的方法。
	【先前技術】
[n]	化學氣相沉積法(chemical vapor deposition, CVD)，以及其衍生技術：微波電漿輔助化學氣相沉積法(microwave plasma enhanced CVD, MPCVD)是目前經常被用於製造奈米碳管之方法，該等方法之主要技術，是將一被覆有催化劑之孔洞性基板置於(微波電漿輔助)化學氣相沉積系統中，並導入成長奈米碳管所需之適當含碳反應氣體於該系統中，並使該含碳反應氣體產生裂解或離子化，而分別在被覆有催化劑之基板上與催化劑作用而沉積成長固態奈米碳管。雖然該等方法可獲得較高密度且準直性較佳的奈米碳管，但目前製造奈米碳管的速度緩慢且製程溫度超過550℃。
[n]	而在以上方法中，影響製程溫度與碳管成長速率的原因，主要是在於該催化劑的組成。催化劑的使用是化學氣相沉積法合成碳奈米管中相當重要的步驟，其主要功能為催化分解碳氫化合物，及讓碳原子在其中擴散，因此，催化劑之催化活性會直接影響碳管之成長速率，而催化劑的催化活性則受控於製程溫度的高低。於習知以CVD或MPCVD製造奈米碳管的製程中，因所採用之催化劑皆需較高之催化溫度，使得奈米碳管的製程溫度皆高於550℃。由於一般商用鈣鈉玻璃的轉化溫度為536℃，因此製程溫度過高將限制奈米碳管在場發射平面顯示器及積體電路上的應用，所以，為能使奈米碳管能直接應用於較低價之玻璃基板上，極需開發低溫成長奈米碳管之相關技術。
	【發明內容】
[n]	因此，本發明低溫快速準直性奈米碳管之製造方法之目的，即在提供一種可在低溫環境中快速製作高分布密度與高準直性之奈米碳管的方法。
[n]	於是，本發明低溫快速準直性奈米碳管之製造方法包含：(A)在一基板頂面被覆一鐵矽合金薄膜，並以該鐵矽合金薄膜作為成長奈米碳管之催化劑。(B)蝕刻該鐵矽合金薄膜，而於該基板頂面形成適當密度分布之細微鐵矽合金顆粒。及(C)在低於380℃微波電漿輔助化學氣相沉積系統中，將預定流量比例之含碳反應氣體與平衡氣體通入該系統中，於適當的工作壓力下，在該等鐵矽合金顆粒上成長垂直於該基板頂面之奈米碳管，微波功率為250~1500 W，工作壓力為20~40 Torr。
[n]	本發明是藉由該鐵矽合金薄膜作為成長奈米碳管之催化劑，以及預定流量及比例之含碳氣體與平衡氣體的設計，使得本發明可在低溫環境中快速成長高分布密度準之直性奈米碳管。
	【實施方式】
[n]	有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
[n]	本發明低溫快速製造準直性奈米碳管之方法的較佳實施例如下：
[n]	(A)於一基板上被覆成長奈米碳管所需之催化劑。如圖1所示，本發明是以直流或交流式濺鍍方式，在一基板3頂面被覆一層鐵矽合金薄膜4作為催化劑，利用矽在鐵中可增進碳原子擴散能力的特性，大幅提昇鐵的催化活性，進而可降低用以提高催化劑活性所需之製程溫度，其中，鐵矽合金薄膜4之直流濺渡功率為50 W、工作壓力為10^-2Torr、濺鍍時間為3 min。
[n]	在本實施例中，該基板3是為矽基板，但實施時，亦可採用玻璃等高分子材料做為基板3，且不以此為限。而於該基板3頂面被覆該鐵矽合金薄膜4的方式亦可採用化學氣相沉積、物理氣相沉積、電鍍，或壓印等方式，且不以上述方式為限。
[n]	(B)蝕刻催化劑。如圖2所示，將被覆有該鐵矽合金薄膜4之基板3置於微波電漿輔助化學氣相沉積系統(MPCVD)(圖未示)中，並導入蝕刻鐵矽合金薄膜4之蝕刻氣體5，將該鐵矽合金薄膜4蝕刻成適當密度分布於該基板3頂面之複數細微鐵矽合金顆粒40。
[n]	在本實施例中，該蝕刻氣體5為氫氣(H₂)，而該等鐵矽合金顆粒40之粒徑大小範圍約為5~25 nm，分布密度範圍約為3×10¹⁰~4×10¹⁰cm^-2，蝕刻條件：微波功率為500 W、工作壓力為20 Torr、蝕刻時間為5 min。但實施時，該蝕刻氣體5亦可選用自氧氣(O₂)、氮氣(N₂)、氨氣(NH₃)以及氫氣、氧氣、氮氣與氨氣之混合所組成的混合氣體。該等鐵矽合金顆粒40之大小與分布密度，則可藉由調整蝕刻製程中之微波功率、工作壓力，及蝕刻時間等參數條件來作調整，且蝕刻之方法不以此為限。
[n]	(C)成長奈米碳管。如圖3所示，緊接著步驟(B)，於該 MPCVD系統中通入預定流量比例之含碳反應氣體6與平衡氣體7，並於300~380℃環境下，在該等鐵矽合金顆粒40上成長垂直於該基板3頂面之奈米碳管8。因為MPCVD方法已為習知製造奈米碳管8經常採用之技術，所以對於其成長奈米碳管8之詳細機制在此不再詳述。
[n]	在步驟C中，通入平衡氣體7之目的，是要利用平衡氣體7在奈米碳管8成長過程中，所具有之清潔與還原鐵矽合金顆粒40的能力，因此，當在製程中同時通入含碳反應氣體6與平衡氣體7時，平衡氣體5可用以清除包附在該等鐵矽合金顆粒40周圍而阻礙碳原子進入該等鐵矽合金顆粒40中的非晶質(amorphous)碳，使被微波裂解之碳原子可順利地進入該等鐵矽合金顆粒 40中，並於該等鐵矽合金顆粒40中擴散且呈成長奈米碳管8。所以，藉由調控進入MPCVD系統中之含碳反應氣體6與平衡氣體7的流量比例，可使碳原子更容易於該等鐵矽合金顆粒40中擴散並成長奈米碳管8。
[n]	在本實施例中，所採用之含碳反應氣體6為甲烷，平衡氣體7為氫氣，而甲烷與氫氣之流量比例為2：9，成長奈米碳管8之微波功率為250~1500 W、工作壓力為20~40Torr。但實施時，含碳反應氣體6亦可採用自甲烷(CH₄)、乙烷(C₂H₆)、丙烷(C₃H₈)、乙炔(C₂H₂)、苯(C₆H₆)以及甲烷、乙烷、丙烷、乙炔與苯之混合組成物，該平衡氣體7亦可選用自氧氣(O₂)、氮氣(N₂)、氨氣(NH₃)以及氫氣、氧氣、氮氣與氨氣之混合所組成之混合氣體。
[n]	如圖4所示，本實施例所製造之該等奈米碳管8的分布密度範圍約3×10¹⁰~4×10¹⁰cm^-2，管徑尺寸範圍5~25 nm，成長速率可達13 μm/min，而每一奈米碳管8之高度與直徑寬度比之範圍為1500~7500。
[n]	如圖5所示，為單一奈米碳管8之管壁結構的TEM顯微影像，該奈米碳管8之管徑11 nm，管壁的石墨層共有八層且結構完整。
[n]	歸納上述，在本發明低溫快速製造準直性奈米碳管之方法中，由於所採用之鐵矽合金薄膜4本身即具有良好之催化活性，因此碳原子於鐵矽合金薄膜4中之擴散速率相當快，所以可降低成長奈米碳管8所需的製程溫度。再加上高密度分布之鐵矽合金顆粒40，及含碳反應氣體6與平衡氣體7之流量比例設計，使得所成長之奈米碳管8的分布密度可高達4×10¹⁰cm^-2，而成長速率可達13 μm/min，因此可大幅提昇奈米碳管8之產能並降低成本。且因該等準直性奈米碳管8具有管徑大小分佈範圍小、較高的高寬比，以及低於380℃之製程溫度等特性，所以本發明可應用於在玻璃基板上製作場發射平面顯示器之開發、積體電路，及生物晶片製程的應用上，且高分布密度之該等奈米碳管8亦可應用於儲能元件的開發。
[n]	惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
	【圖式簡單說明】
[n]	圖1是一側視示意圖，說明本發明低溫快速製造準直性奈米碳管之方法的一較佳實施例於步驟(A)的情況；圖2是類似圖1之視圖，並說明該較佳實施例在步驟(B)之情況；
[n]	圖3是類似圖2之視圖，並說明該較佳實施例在步驟(C)之情況；
[n]	圖4是該較佳實施例所製造之多數奈米碳管的外形與分布情形之FESEM側視圖；
[n]	圖5是單一奈米碳管的管壁結構之TEM顯微影像。
	【主要元件符號說明】
[y]	3．．．基板
[y]	4．．．鐵矽合金薄膜
[y]	40．．．鐵矽合金顆粒
[y]	5．．．蝕刻氣體
[y]	6．．．含碳反應氣體
[y]	7．．．平衡氣體
[y]	8．．．奈米碳管

七、

申請專利範圍：

1. 一種低溫快速製造準直性奈米碳管之方法，包含：(A)在一基板頂面被覆一層鐵矽合金薄膜作為成長奈米碳管所需之催化劑；(B)蝕刻該鐵矽合金薄膜，而於該基板頂面形成適當分布密度之複數細微鐵矽合金顆粒；及(C)將含有鐵矽合金顆粒之基板置於300~380℃微波電漿輔助化學氣相沉積系統中，並通入預定流量比例之含碳反應氣體與平衡氣體，而分別於該等鐵矽合金顆粒上成長垂直於該基板頂面之奈米碳管，成長奈米碳管之微波功率為250~1500 W、工作壓力為20~40 Torr。
2.依據申請專利範圍第1項所述之低溫快速製造準直性奈米碳管之方法，其中，步驟(A)之基板是選用自矽基板或高分子基板。
3.依據申請專利範圍第1項所述之低溫快速製造準直性奈米碳管之方法，其中，步驟(A)於該基板頂面被覆該鐵矽合金薄膜的方法，是選用自濺鍍、化學氣相沉積、物理氣相沉積、電鍍或壓印等。
4.依據申請專利範圍第1項所述之低溫快速製造準直性奈米碳管之方法，其中，步驟(B)是將被覆有該鐵矽合金薄膜的基板置於微波電漿輔助化學氣相沉積系統中，通入蝕刻氣體蝕刻該鐵矽合金薄膜，而在該基板頂面形成適當分布密度之複數細微鐵矽合金顆粒。
5.依據申請專利範圍第4項所述之低溫快速製造準直性奈米碳管之方法，其中，該蝕刻氣體是選用自氫氣、氧氣、氮氣、氨氣以及氫氣、氧氣、氮氣與氨氣之混合所組成之混合氣體。
6.依據申請專利範圍第4項所述之低溫快速製造準直性奈米碳管之方法，其中，該等鐵矽合金顆粒之粒徑範圍為5~25 nm。
7.依據申請專利範圍第4項所述之低溫快速製造準直性奈米碳管之方法，其中，該等鐵矽合金顆粒之分布密度範圍為3×10¹⁰~4×10¹⁰cm^-2。
8.依據申請專利範圍第1項所述之低溫快速製造準直性奈米碳管之方法，其中，步驟(C)中預定之含碳反應氣體與平衡氣體的流量比例為2：9。
9.依據申請專利範圍第8項所述之低溫快速製造準直性奈米碳管之方法，其中，步驟(C)中之含碳反應氣體是選用自甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、苯以及甲烷、乙烷、丙烷、乙炔與苯之混合組成物。
10.依據申請專利範圍第8項所述之低溫快速製造準直性奈米碳管之方法，其中，該平衡氣體是亦可選用自氫氣、氧氣、氮氣、氨氣以及氫氣、氧氣、氮氣與氨氣之混合所組成之混合氣體。

八、	圖式：
	圖1 圖2 圖3 圖4 圖5

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