ES2632778T3 - Matrices alineadas verticalmente de nanotubos de carbono formados sobre sustratos multicapa - Google Patents

Abstract

Un sustrato multicapa para el desarrollo y/o el soporte de una pluralidad de nanotubos de carbono, que comprende un soporte inerte; una capa de adhesión presente sobre una o más superficies del soporte inerte; una capa de interfaz presente sobre la capa de adhesión; y una capa catalítica; en el que la capa de interfaz está situada entre la capa de adhesión y la capa catalítica; y en el que la capa de adhesión y la capa catalítica tienen la misma composición química.

Description

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DESCRIPCION

Matrices alineadas verticalmente de nanotubos de carbono formados sobre sustratos multicapa Referenda cruzada a solicitud relacionada

Esta solicitud reivindica prioridad a la U.S.S.N. 13/546,827 titulada "Vertically Aligned Arrays of Carbon Nanotubes Formed on Multilayer Substrates" presentada el 11 de julio de 2012.

Campo de la invencion

La invencion esta generalmente en el campo de sustratos para el desarrollo de matrices de nanotubos de carbono (CNT), matrices de CNT alineados, as! como metodos de elaboracion y uso de las mismas.

Antecedentes de la invencion

Los nanotubos de carbono (CNT) poseen una diversidad de propiedades utiles, incluyendo alta conductividad termica, resistencia a la traccion y modulo de elasticidad. Los nanotubos de carbono se han investigado para aplicaciones en nanotecnologla, electronica, optica y otros campos de la ciencia y tecnologla de materiales.

Los CNT presentan alta conductividad termica, con nanotubos de carbono multipared (MWCT) que presentan conductividades termicas de hasta aproximadamente 3.000 W/mK a temperatura ambiente, y nanotubos de carbono monopared (SWNT) que presentan conductividades termicas de hasta aproximadamente 5.000 hasta aproximadamente 8.000 W/mK a temperatura ambiente. Como resultado, los CNT, especialmente matrices alineadas verticalmente de CNT, han atraldo un interes significativo para su uso en materiales de interfaz termica (TIM). Con el fin de funcionar eficazmente y mantener el rendimiento a lo largo del tiempo, los CNT deben estar bien anclados a una estructura de soporte, uniformemente alineados, preferentemente perpendiculares a la superficie de soporte, y estar presentes a alta densidad sobre la estructura de soporte.

Sin embargo, a pesar del enorme potencial de tales materiales, se ha comprobado que es diflcil formar matrices de CNT densas y bien alineadas sobre superficies metalicas, y conseguir una buena adhesion entre el metal y los CNT. Normalmente, se desarrollan matrices de nanotubos de carbono alineados a partir de superficies que contienen una pellcula fina (<1 nm de espesor) de catalizador, tal como hierro, soportado sobre una pellcula de oxido metalico, tal como alumina, con un espesor de entre 10 y 200 nm. En condiciones de desarrollo, el catalizador forma islas o partlculas pequenas (<10 nm) sobre la superficie de la pellcula de oxido a partir de la que se desarrollan los nanotubos. Las partlculas de catalizador se acumulan en la superficie, limitando el desarrollo de nanotubos a una direccion perpendicular a la superficie.

Desafortunadamente, las matrices de CNT desarrolladas a partir de estas superficies muestran densidad y rendimiento limitados. Este es el resultado de la migracion de las partlculas de catalizador en la pellcula de oxido durante el transcurso de desarrollo de nanotubos. Veanse, por ejemplo, Amama, P.B. et al. ACS Nano, 4:895-904 (2010) y Kim, S.M. et al. J. Phys. Chem. Lett. 1:918-922 (2010). Ademas, las matrices de CNT formadas de este modo se adhieren deficientemente a las superficies de metal subyacentes, porque la capa de oxido, incorporada para promover el desarrollo denso y alineado de CNT, no se adhiere bien a la superficie de metal subyacente.

El documento US 2004/184981, segun se ha comunicado, proporciona un metodo para la formacion de una matriz de nanotubo de carbono usando un sustrato de metal que incluye las siguientes etapas:

proporcionar un sustrato de metal, oxidar el sustrato de metal hasta formar una capa oxidada sobre el mismo, depositar una capa de catalizador sobre la capa oxidada, introducir un gas de fuerte de carbono, y as! formar una matriz de nanotubo de carbono que se extiende desde el sustrato de metal.

El documento EP 2251302, segun se ha comunicado, proporciona un metodo de fabricacion de matrices de dispositivo de CNT. Se ha comunicado que en el metodo de fabricacion de matrices de dispositivo de CNT, los patrones de catalizador pueden formarse usando un proceso de fotolitografla, Los CNT pueden desarrollarse a partir de los patrones de catalizador, y los electrodos pueden formarse sobre los CNT desarrollados.

El documento US 2004/105807, segun se ha comunicado, proporciona un metodo para la fabricacion de nanotubos de carbono. Se ha comunicado que el metodo incluye las siguientes etapas: (a) proporcionar un sustrato, (b) depositar un material de catalizador sobre el sustrato, (c) exponer el material de catalizador a un gas que contiene carbono durante un perlodo predeterminado de tiempo en una temperatura predeterminada de tal manera que una matiz de nanotubo de carbono que tiene una longitud predeterminada se desarrolla a partir del sustrato en una direccion sustancialmente perpendicular al sustrato, (d) retirar los nanotubos de carbono del sustrato, y (e) dispersar los nanotubos de carbono a traves de ultrasonicacion en un dispersante, siendo el dispersante etanol o 1-2 dicloroetano.

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El documento WO 2013/007645, segun se ha comunicado, se refiere a un sistema de capas, que comprende una capa de nanotubos de carbono orientados paralelamente entre si y una capa superficial que tiene propiedades metalicas conectadas directamente a la misma, capa superficial a partir de la cual los nanotubos de carbono se han desarrollado en desarrollo de las puntas. Con el fin de proporcionar matrices de CNT mejoradas para su uso como materiales de interfaz termica (TIM), las matrices de CNT con densidad de nanotubo mas alta y adhesion de nanotubo mejorada son necesarias.

Por lo tanto, un objetivo de la invencion es proporcionar superficies para el desarrollo de matrices de alta densidad de nanotubos de carbono, y metodos de uso de las mismas.

Un objetivo adicional de la invencion es proporcionar matrices de CNT alineados verticalmente que se adhieran bien a una superficie, tal como una superficie metalica.

Tambien es un objetivo de la invencion proporcionar matrices de matrices alineadas verticalmente de CNT para su uso como materiales de interfaz termica (TlM).

Sumario de la invencion

El primer aspecto de la presente invencion proporciona un sustrato multicapa para el desarrollo y/o soporte de una pluralidad de CNT que comprende un soporte inerte; una capa de adhesion presente sobre una o mas superficies del soporte inerte; una capa de interfaz presente sobre la capa de adhesion; y una capa catalitica; en el que la capa de interfaz esta situada entre la capa de adhesion y la capa catalitica; y en el que la capa de adhesion y la capa catalitica tienen la misma composition quimica. Los sustratos multicapa promueven el desarrollo de matrices de CNT alineadas verticalmente densas y proporcionan excelente adhesion entre los CNT y las superficies de metal.

Los sustratos multicapa contienen tres o mas capas depositadas sobre un soporte inerte, tal como una superficie de metal. Generalmente, el sustrato multicapa contiene una o mas capas de adhesion, una o mas capas de interfaz, y una o mas capas cataliticas, depositadas sobre la superficie de un soporte inerte. Generalmente, el soporte esta formado al menos en parte de un metal, tal como aluminio, platino, oro, niquel, hierro, estano, plomo, plata, titanio, indio, cobre, o combinaciones de los mismos. En determinados casos, el soporte es una lamina metalica, tal como una lamina de aluminio o de cobre. El soporte tambien puede ser una superficie de un dispositivo, tal como un disipador termico o difusor termico convencionales usados en aplicaciones de intercambio termico.

La capa de adhesion esta formada de un material que mejora la adhesion de la capa de interfaz al soporte. En determinadas realizaciones, la capa de adhesion es una pelicula fina de hierro. Generalmente, la capa de adhesion debe ser lo suficientemente espesa para mantener una pelicula continua a las temperaturas elevadas usadas para formar CNT. La capa de adhesion tambien proporciona generalmente resistencia a la formation de oxido y carburo durante la sintesis de CNT a temperaturas elevadas.

La capa de interfaz esta formada preferentemente de un metal que se oxida en condiciones de sintesis de nanotubos o durante la exposition al aire o despues de la sintesis de nanotubos para formar un oxido de metal adecuado. Los ejemplos de materiales adecuados incluyen, pero sin limitation, aluminio. Como alternativa, la capa de interfaz puede estar formada de un oxido de metal, tal como oxido de aluminio u oxido de silicio. Generalmente, la capa de interfaz es lo suficientemente fina para permitir que la capa catalitica y la capa de adhesion se difundan a traves de ella. En algunas realizaciones en las que la capa catalitica y la capa de adhesion tienen la misma composicion, esto reduce la migration del catalizador a la capa de interfaz, mejorando la vida util del catalizador durante el desarrollo de nanotubos.

La capa catalitica es normalmente una capa fina formada de un metal de transition que puede catalizar la formacion de nanotubos de carbono a traves de deposition de vapor quimica. Los ejemplos de materiales adecuados que pueden usarse para formar la capa catalitica incluyen, pero sin limitacion, hierro, niquel, cobalto, rodio, paladio, y combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, la capa catalitica esta formada de hierro. La capa catalitica es de espesor adecuado para formar nanoparticulas o agregados cataliticos en las condiciones de hibridacion usadas durante la formacion de nanotubos.

Un segundo aspecto de la presente invencion es proporcionar una matriz de nanotubos de carbono formados en el primer aspecto de la presente invencion, en el que la capa de interfaz esta formada de una pluralidad de nanoparticulas o agregados de oxido de metal; la capa catalitica esta formada de una pluralidad de nanoparticulas o agregados cataliticos depositados sobre las nanoparticulas o agregados de oxido de metal; y una pluralidad de nanotubos de carbono alineados verticalmente se une a las nanoparticulas o agregados cataliticos.

Tambien se proporcionan matrices de CNT que contienen una pluralidad de CNT alineados verticalmente sobre un material. Los cNt estan bien anclados al material, y estan presentes en una densidad alta.

En algunas realizaciones, la matriz de CNT se forma mediante hibridacion vertical de una pluralidad de CNT sobre el sustrato multicapa. Esto puede conseguirse, por ejemplo, mediante transferencia de una matriz de CNT a los

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extremos distales de CNT desarrollados sobre el sustrato multicapa. En algunas realizaciones, las matrices de CNT altas se transfieren a los extremos distales de CNT muy cortos sobre el sustrato multicapa. Esta tecnica mejora la resistencia a la union mediante el aumento del area superficial para la union.

En otras realizaciones, el sustrato multicapa sirve como superficie catalltica para el desarrollo de una matriz de CNT. En estos casos, el proceso de desarrollo de CNT usando deposicion de vapor qulmica altera la morfologla del sustrato multicapa. Especlficamente, tras el calentamiento, la capa de interfaz se convierte en un oxido de metal, y forma una capa o capa parcial de nanopartlculas o agregados de oxido de metal depositados sobre la capa de adhesion. La capa catalltica forma similarmente una serie de nanopartlculas o agregados depositados sobre las nanopartlculas o agregados de oxido de metal. Durante el desarrollo de CNT, los CNT se forman de las nanopartlculas o agregados catallticos. Las matrices de CNT resultantes contienen CNT anclados a un soporte inerte a traves de una capa de adhesion, nanopartlculas o agregados de oxido de metal, y/o nanopartlculas o agregados catallticos.

Las nanopartlculas o agregados de oxido de metal contienen normalmente un oxido de metal formado del metal o metales usados para formar la capa de interfaz. Por ejemplo, en las realizaciones en las que la capa de interfaz esta formada de aluminio, las nanopartlculas o agregados de oxido de metal estan formados de oxido de aluminio. Las nanopartlculas o agregados pueden estar compuestos del metal usado para formar la capa catalltica.

Generalmente, los nanotubos estan presentes a una densidad suficiente de tal manera que los nanotubos se autosoportan y adoptan una orientacion sustancialmente perpendicular a la superficie del sustrato multicapa. Preferentemente, los nanotubos estan espaciados a distancias optimas entre si y son de altura uniforme para minimizar las perdidas de transferencia termica, maximizando de este modo su difusividad termica colectiva.

Los CNT muestran una fuerte adhesion al sustrato multicapa. En determinadas realizaciones, la matriz de CNT se mantiene sustancialmente intacta despues de sumergirse en un disolvente, tal como etanol, y sonicarse durante un perlodo de al menos cinco minutos.

En una realizacion, el sustrato multicapa es de tres capas. En algunas realizaciones, el sustrato de tres capas esta formado de una capa de adhesion (por ejemplo, hierro) de aproximadamente 30 nm en espesor, una capa de interfaz (por ejemplo, aluminio o alumina) de aproximadamente 10 nm en espesor, y una capa catalltica (por ejemplo, hierro) de aproximadamente 3 nm en espesor depositadas sobre una superficie metalica. En esta realizacion, la capa de adhesion de hierro se adhiere tanto a la superficie de metal como a la capa de interfaz de Al (nanopartlculas o agregados de alumina despues del desarrollo) o AhO3. La capa catalltica de hierro forma nanopartlculas o agregados de hierro a partir de los que se desarrollan los CNT. Estas nanopartlculas o agregados de hierro tambien se unen a la alumina mas adelante.

En otra realizacion, el sustrato multicapa es de cinco capas. En algunas realizaciones, el sustrato de cinco capas esta formado de una primera capa de adhesion (por ejemplo, hierro) de aproximadamente 10 nm en espesor, una primera capa de interfaz (por ejemplo, aluminio o alumina) de aproximadamente 100 nm en espesor, una segunda capa de adhesion (por ejemplo, hierro) de aproximadamente 30 nm en espesor, y una segunda capa de interfaz (por ejemplo, aluminio o alumina) de aproximadamente 10 nm en espesor, y una capa catalltica (por ejemplo, hierro) de aproximadamente 3 nm en espesor depositadas sobre una superficie metalica.

Como resultado, existen interfaces bien unidas en ambos lados de los materiales de interfaz de oxido. De las interfaces de metal/oxido de metal, se sabe que la interfaz de hierro-alumina es una de las mas fuertes en terminos de union e interaccion qulmica. Ademas, losmetales (por ejemplo, la capa de adhesion de hierro y la superficie de metal) tienden a unirse bien entre si debido al fuerte acoplamiento electronico. Como consecuencia, los CNT estan fuertemente anclados a la superficie de metal.

Ademas, la difusion subsuperficial de hierro de la capa catalltica durante el desarrollo de nanotubos se reduce porque el mismo metal esta en ambos lados del soporte de oxido, que equilibra los gradientes de concentration que normalmente conducen la difusion. Por lo tanto, el catalizador no se agota durante el desarrollo, mejorando la velocidad de desarrollo, y el rendimiento de los nanotubos en la matriz.

Las matrices de CNT descritas en el presente documento pueden usarse como materiales de interfaz termica. Las matrices de CNT pueden formarse y/o depositarse, tal como se requiera para una aplicacion particular.

Por ejemplo, en una realizacion, el soporte inerte para la matriz de CNT es una pieza de lamina de metal, tal como lamina de aluminio. En estos casos, los CNT se anclan a una superficie de la lamina de metal a traves de una capa de adhesion, nanopartlculas o agregados de oxido de metal, y nanopartlculas o agregados catallticos. En algunos casos, solo una superficie (es decir, un lado) de la lamina de metal contiene una matriz de CNT alineados anclados a la superficie. En otros casos, ambas superficies (es decir, lados) de la lamina de metal contienen una matriz de CNT alineados anclados a la superficie. Si se desea, pueden aplicarse uno o mas pollmeros a la matriz de CNT. La matriz de CNT tambien puede decorarse con uno o mas tipos de nanopartlculas de metal. Los pollmeros y las nanopartlculas de metal pueden aplicarse juntos a la matriz de CNT. Tambien puede usarse la inmersion de las

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matrices en llquido y despues la evaporacion del llquido de tal manera que las fuerzas capilares durante el secado cambian la morfologla local y/o global de los CNT para modificar las matrices de CNT. En otras realizaciones, se puede anadir un material fluido o de cambio de fase a las matrices de CNT para rellenar el espacio entre los CNT. Estos materiales pueden colocarse o fijarse entre una fuente termica y un disipador termico o difusor termico, tal como entre un conjunto de circuito integrado y un intercambiador termico con aletas, para mejorar la transferencia de calor desde la fuente termica hasta el disipador termico o difusor termico.

En otras realizaciones, el soporte inerte para la matriz de CNT es una superficie de un disipador termico o difusor termico de metal convencional. En estos casos, los CNT se anclan a una superficie del disipador termico o difusor termico a traves de una capa de adhesion, nanopartlculas o agregados de oxido de metal, y nanopartlculas o agregados catallticos. Despues, este disipador termico o difusor termico funcionalizado puede acoplarse o adherirse a una fuente termica, tal como un conjunto de circuito integrado.

Las matrices de CNT descritas en el presente documento pueden usarse como materiales de interfaz termica en ordenadores personales, ordenadores de servidor, modulos de memoria, chips graficos, dispositivos de radar y de radio frecuencia (RF), sistema de ensayo de quemado de dispositivos, unidades de disco, pantallas, incluyendo pantallas (LED) de diodos emisores de luz, sistemas de iluminacion, unidades de control automotriz, electronica de potencia, baterlas, equipo de comunicaciones, tales como telefonos moviles, generadores termoelectricos, y equipo de imagen, incluyendo las IRM.

Un tercer aspecto de la presente invencion proporciona un metodo de mejorar la transferencia de calor desde una fuente termica hasta un disipador termico, que comprende la colocacion y la fijacion de la matriz de nanotubos de carbono segun el segundo aspecto de la invencion entre la fuente termica y el disipador termico.

En un cuarto aspecto, la presente invencion proporciona un metodo de formacion de una matriz de nanotubos de carbono alineados verticalmente que comprende (a) hibridar un sustrato multicapa que comprende un soporte inerte, una capa de adhesion presente sobre una o mas superficies del soporte inerte, una capa de interfaz presente sobre la capa de adhesion, y una capa catalltica, en el que la capa de interfaz esta presente entre la capa de adhesion y la capa catalltica, y en el que la capa de adhesion y la capa catalltica tienen la misma composicion qulmica; y (b) calentar el sustrato multicapa hasta una temperatura de desarrollo de entre 550 °C y 660 °C; y (c) introducir un gas de fuente de carbono.

Breve descripcion de los dibujos

La Figura 1 es una seccion transversal de un sustrato multicapa para la formacion y/o soporte de matrices de nanotubos de carbono. La Figura 2 es una seccion transversal de una matriz de nanotubos de carbono formados mediante deposicion de vapor qulmica sobre un sustrato multicapa. Para claridad, solo se ilustran un unico nanotubo, nanopartlcula o agregado catalltico y nanopartlcula o agregado de oxido de metal.

La Figura 3 es un diagrama que muestra la impresion por transferencia de nanotubos de carbono largos sobre una matriz de nanotubos de carbono cortos.

La Figura 4 es un esquema que muestra el cambio en la morfologla cuando se sumerge una matriz de CNT en un llquido. La imagen de SEM muestra la agregacion de CNT en islas discretas debido a la accion capilar de la evaporacion de disolvente. La Figura 5 es un esquema que muestra las matrices de CNT en materiales fluidos o de cambio de fase.

La Figura 6 es un diagrama que muestra los extremos distales de las matrices de CNT en ambos lados de la lamina de aluminio recubierta con P3HT. La muestra recubierta de pollmero se adhiere a plata recubierta de oro y superficies de cuarzo.

La Figura 7 es una grafica que muestra la tension (V) medida como una funcion de corriente (Amperios) a 180 °C para CNT sobre cobre, CNT sobre aluminio, y Grafoil®.

Descripcion detallada de la invencion

I. Definiciones

La expresion «material de interfaz termica» (TIM), tal como se usa en el presente documento, se refiere a un material o combinacion de materiales que proporcionan alta conductividad termica y cumplimiento mecanico entre una fuente termica y un disipador o difusor termico para conducir eficazmente el calor lejos de una fuente termica.

La expresion «matriz de nanotubo de carbono» o «matriz de CNT», tal como se usa en el presente documento, se refiere a una pluralidad de nanotubos de carbono que estan alineados verticalmente sobre una superficie de un material. Se dice que los nanotubos de carbono estan «alineados verticalmente» cuando son sustancialmente perpendiculares a la superficie sobre la que se soportan o unen. Se dice que los nanotubos son sustancialmente perpendiculares cuando se orientan en promedio dentro de 30, 25, 20, 15, 10 o 5 grados de la superficie normal.

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II. Sustratos multicapa

Los sustratos multicapa para la formacion de matrices de nanotubos de carbono promueven el desarrollo de matrices de CNT alineadas verticalmente densas y proporcionan excelente adhesion entre los CNT y las superficies de metal. Los sustratos multicapa tambien promueven altas velocidades de desarrollo de CNT sobre superficies de metal. Los sustratos multicapa contienen tres o mas pellculas finas metalicas depositadas sobre la superficie de un soporte inerte, preferentemente mecanico.

Un sustrato multicapa (100) a modo de ejemplo se muestra en la Figura 1. El sustrato multicapa contiene tres capas (una capa de adhesion, 104; una capa de interfaz, 106; y una capa catalltica, 108) depositadas sobre la superficie de un soporte inerte (102).

A. Soportes

Una diversidad de materiales puede servir como soporte para sustratos multicapa. Generalmente, el soporte es inerte, lo que significa que el soporte no participa qulmicamente en la formacion de nanotubos sobre el sustrato multicapa.

Generalmente, el soporte esta formado al menos en parte de un metal, tal como aluminio, cobalto, cromo, cinc, tantalio, platino, oro, nlquel, hierro, estano, plomo, plata, titanio, indio, cobre, o combinaciones de los mismos y/o uno o mas oxidos de metal, tales como oxidos de los metales desglosados anteriormente. Otros materiales incluyen ceramica y silicio o compuestos de silicio, tales como dioxido de silicio.

En algunos casos, el soporte es una hoja facilmente deformable y/o flexible de material solido. En determinadas realizaciones, el soporte es una lamina metalica, tal como lamina de aluminio o lamina de cobre.

El soporte tambien puede ser una superficie de un dispositivo, tal como un disipador termico o difusor termico convencionales usados en aplicaciones de intercambio termico. Tales disipadores termicos pueden estar formados de una diversidad de materiales que incluyen cobre, aluminio, pseudoaleacion de cobre-tungsteno, AlSiC (carburo de silicio en una matriz de aluminio), Dymalloy (diamante en una matriz de aleacion de cobre-plata), y E-Material (oxido de berilio en una matriz de berilio).

En algunas realizaciones, la superficie del soporte puede someterse a tratamiento para aumentar la adhesion con la capa de adhesion. Tal tratamiento puede incluir el uso de limpieza de superficie basada en productos qulmicos o asistida por plasma. Otro tratamiento puede incluir la deposicion de un recubrimiento de metal u oxido de metal o partlculas en el soporte.

Los sustratos multicapa pueden formarse sobre una o mas superficies de un soporte adecuado. Por ejemplo, en determinadas realizaciones, el soporte es una lamina metalica. En estos casos, los sustratos multicapa pueden formarse en uno o ambos lados de la lamina metalica, tal como se requiera para una aplicacion particular.

El soporte, y condiciones en las que se forman los CNT, deben seleccionarse de tal manera que el soporte resista la reaccion con el catalizador, gases de proceso, y/o gases residuales a traves de reacciones, tales como oxidacion, silicidacion, aleacion, y/o formacion de carburos. Por ejemplo, C, O, H, y N son los elementos que componen la mayor parte del proceso de CVD de CNT y los gases de contamination. En determinadas condiciones, el soporte puede reaccionar para formar oxidos, carburos, y otros subproductos que reducen significativamente el desarrollo de CNT que, a su vez, conduce a una perdida de conduction electrica en el soporte. Las condiciones de reaccion, tales como la temperatura, pueden seleccionarse con el fin de minimizar las reacciones adversas del soporte.

B. Capas de adhesion

Las capas de adhesion estan formadas de un material que mejora la adhesion de la capa de interfaz al soporte.

En realizaciones preferidas, la capa de adhesion es de la misma composition qulmica que la capa catalltica. En estos casos, se puede disenar la capa de adhesion, en combination con la capa de interfaz, para reducir la migration de la capa catalltica a la capa de interfaz durante la slntesis de nanopartlculas.

En algunas realizaciones, la capa de adhesion es hierro o una aleacion de hierro. En otras realizaciones, la capa de adhesion es nlquel o una aleacion de nlquel. La capa de adhesion tambien puede ser cualquier metal de transition, o aleacion de ese metal, que tambien puede servir como catalizador de CNT.

En las realizaciones en las que se emplea el sustrato multicapa como un sustrato para el desarrollo de nanotubos de carbono, la capa de adhesion debe ser lo suficientemente espesa para mantenerse como una pellcula continua a la temperatura elevada utilizada para formar CNT. En determinados casos, la capa de adhesion puede tener un espesor de entre aproximadamente 10 nm y aproximadamente 150 nm, mas preferentemente entre aproximadamente 10 nm y aproximadamente 100 nm, mas preferentemente entre aproximadamente 10 nm y

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aproximadamente 75 nm, lo mas preferentemente entre aproximadamente 15 nm y aproximadamente 50 nm. En determinadas realizaciones, la capa de adhesion tiene un espesor de aproximadamente 30 nm.

La capa de adhesion debe proporcionar buena resistencia a la formacion de oxido y carburo durante la slntesis de CNT a temperaturas elevadas. En determinados casos, la energla de formacion de oxido para la capa de adhesion puede ser mayor que -4,5 eV, mas preferentemente mayor que -3,5 eV, lo mas preferentemente mayor que -2,75 eV. En determinados casos, la energla de formacion de carburo para la capa de adhesion puede ser mayor que -2,5 eV, mas preferentemente mayor que -1,5 eV, lo mas preferentemente mayor que -0,5 eV.

C. Capas de interfaz

En determinadas realizaciones, la capa de interfaz esta formada de un metal que se oxida en condiciones de slntesis de nanotubos o durante la exposicion al aire o despues de la slntesis de nanotubos para formar un oxido de metal adecuado. Los ejemplos de materiales adecuados incluyen aluminio, titanio, oro, cobre, plata, y tantalio.

Como alternativa, la capa de interfaz puede estar formada de un oxido de metal, tal como oxido de aluminio, oxido de silicio, o dioxido de titanio.

En realizaciones preferidas, la capa de interfaz es lo suficientemente fina para permitir que la capa catalltica y la capa de adhesion se difundan a traves de su espesor. En las realizaciones en las que la capa catalltica y la capa de adhesion tienen la misma composition, esto reduce la migration del catalizador a la capa de interfaz, mejorando la vida util del catalizador durante el desarrollo de nanotubos.

En determinadas realizaciones, la capa de interfaz tiene un espesor de entre aproximadamente 5 nm y aproximadamente 50 nm, mas preferentemente entre aproximadamente 7 nm y aproximadamente 30 nm, lo mas preferentemente entre aproximadamente 7 nm y aproximadamente 15 nm. En determinadas realizaciones, la capa de interfaz tiene un espesor de aproximadamente 10 nm.

D. Capa catalltica

La capa catalltica es normalmente una capa fina formada de un metal de transition que puede catalizar la formacion de nanotubos de carbono a traves de deposition de vapor qulmica. Preferentemente, la capa catalltica esta formada de un material que es resistente a la oxidation y/o formacion de carburo en las condiciones de deposicion de vapor qulmica usadas para formar matrices de CNT.

Los ejemplos de materiales adecuados que pueden usarse para formar la capa catalltica incluyen, pero sin limitation, hierro, nlquel, cobalto, rodio, paladio, osmio, iridio, platino, y combinaciones de los mismos. En realizaciones particulares, la capa catalltica contiene solo materiales que catalizan la formacion de CNT, tal como uno o mas metales de transicion, incluyendo aquellos desglosados anteriormente. En otras realizaciones, los materiales de capa catalltica que catalizan la formacion de CNT no contienen uno o mas materiales no catallticos. En realizaciones preferidas, la capa catalltica esta formada de hierro.

La capa catalltica es de un espesor adecuado para agregarse en pequenas partlculas catallticas en condiciones de hibridacion. La capa catalltica normalmente tiene un espesor de menos de aproximadamente 10 nm. En realizaciones preferidas, la capa catalltica tiene un espesor de entre aproximadamente 10 nm y aproximadamente 1 nm, mas preferentemente entre aproximadamente 5 nm y aproximadamente 1 nm, mas preferentemente entre aproximadamente 2 nm y aproximadamente 5 nm. En determinadas realizaciones, la capa catalltica tiene un espesor de aproximadamente 3 nm.

E. Metodos de elaboracion

Los sustratos multicapa pueden formarse usando una diversidad de tecnicas bien desarrolladas para la deposicion de pellculas finas metalicas. Los ejemplos no limitantes de tales tecnicas incluyen evaporation, deposicion por pulverization, y deposicion de vapor qulmica. En algunas realizaciones, las multicapas se forman mediante deposicion por pulverizacion y/o deposicion de vapor qulmica, que puede ser mas facil a mayor escala.

La evaporacion puede usarse para depositar pellculas finas de una diversidad de metales. El material de fuente a depositar (por ejemplo, un metal) se evapora en vaclo. El vaclo permite que las partlculas de vapor circulen directamente al objeto diana (soporte), en el que se condensan de nuevo en un estado solido, formando una pellcula fina sobre el objeto diana. Los metodos de formacion de pellculas finas usando evaporacion son bien conocidos en la tecnica. Vease, por ejemplo, S. A. Campbell, Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, 2a edition, Oxford University Press, Nueva York (2001). La evaporacion normalmente requiere un vaclo alto; sin embargo, es aplicable a una diversidad de metales, y puede depositar metales a velocidades de hasta 50 nm/s. Si se desea, se pueden usar mascaras para modelar las pellculas finas metalicas sobre el objeto diana.

Las pellculas finas metalicas y de oxido de metal tambien pueden formarse mediante deposicion de vapor qulmica

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(CVD). Los precursores de gas que contienen el material de fuente a depositar mediante CVD (por ejemplo, un metal u oxido metalico) se introducen en la camara cerrada. La camara puede estar a presion atmosferica o a diversos grados de vaclo. Las paredes de la camara pueden estar calientes o una etapa calentada puede usarse con paredes de camara frlas para aumentar la velocidad de deposition sobre el objeto diana (soporte). Los metodos de formation de pellculas finas usando CVD son bien conocidos en la tecnica. Vease, por ejemplo, S. A. Campbell, Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, 2a edition, Oxford University Press, Nueva York (2001). La deposicion CVD de metales, tales como hierro, aluminio y titanio, se ha demostrado, por lo que tiene la deposicion CVD de oxidos tales como oxido de aluminio y oxido de silicio. Las velocidades de deposicion CVD pueden ser tan bajas como 1 nm/ciclo.

En una realization, la evaporation por haz de electrones se usa para formar la estructura multicapa sobre el soporte. Cada capa se deposita a una presion menor que aproximadamente 1,33*10'7 kPa (0,001 mTorr). La capa de adhesion se deposita a una velocidad de evaporacion de 0,3 nm/s. Las capas de interfaz y catalltica se depositan a una velocidad de evaporacion de 0,1 nm/s.

III. Matrices de CNT

Las matrices de CNT contienen una pluralidad de nanotubos de carbono que estan alineados verticalmente sobre la superficie de un material. En algunas realizaciones, los CNT estan alineados verticalmente sobre el sustrato multicapa descrito anteriormente.

En otras realizaciones, las matrices de CNT se desarrollan sobre los sustratos multicapa descritos anteriormente mediante deposicion de vapor qulmica. En estos casos, el proceso de desarrollo de cNt altera la morfologla del sustrato multicapa. Especlficamente, tras el calentamiento o la exposition al aire despues del desarrollo, la capa de interfaz se convierte en un oxido de metal, y forma una capa de nanopartlculas o agregados de oxido de metal depositados sobre la capa de adhesion. La capa catalltica forma similarmente una serie de nanopartlculas o agregados depositados sobre las nanopartlculas o agregados de oxido de metal. Durante el desarrollo de CNT, los CNT se forman de las nanopartlculas o agregados catallticos.

Las nanopartlculas o agregados de oxido de metal normalmente contienen oxido de metal formado de un metal usado para formar la capa de interfaz. Por ejemplo, en las realizaciones en las que la capa de interfaz esta formada de aluminio, las nanopartlculas o agregados de oxido de metal estan formados de oxido de aluminio. En las realizaciones en las que la capa de interfaz esta formada de un oxido de metal, las nanopartlculas o agregados de oxido de metal pueden estar compuestos del oxido de metal usado para formar la capa de interfaz principal. Las nanopartlculas o agregados de oxido de metal pueden contener adicionalmente uno o mas metales que se difunden en las nanopartlculas o agregados de oxido de metal de la capa catalltica, la capa de adhesion, o combinaciones de las mismas. Las nanopartlculas o agregados pueden estar compuestos del metal usado para formar la capa catalltica.

La estructura de una matriz de CNT desarrollada sobre los sustratos multicapa descritos anteriormente (200) se muestra en la Figura 2. Estas matrices de CNT contienen los CNT (210) anclados a un soporte inerte, preferentemente una superficie de metal, (202) a traves de una capa de adhesion (204), nanopartlculas o agregados de oxido de metal (206), y nanopartlculas o agregados catallticos (208).

Generalmente, los nanotubos estan presentes a una densidad suficiente de tal manera que los nanotubos se autosoportan y adoptan una orientation sustancialmente perpendicular a la superficie del sustrato multicapa. En algunas realizaciones, los nanotubos se orientan, en promedio, dentro de 30, 25, 20, 15, 10, o 5 grados de la superficie normal de una llnea trazada perpendicularmente a la superficie del soporte. Preferentemente, los nanotubos estan espaciados a distancias optimas entre si y son de altura uniforme para minimizar las perdidas de transferencia termica, maximizando de este modo su difusividad termica colectiva.

En algunas realizaciones, la densidad de nanotubo en la superficie de sustrato varla de aproximadamente 1 x 107 a

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1 x 10 nanotubos por mm , mas preferentemente de aproximadamente 1 x 10 a 1 x 10 nanotubos por mm , lo mas preferentemente de aproximadamente 1 x 109 a 1 x 1010 nanotubos por mm2.

Los CNT muestran una fuerte adhesion al sustrato multicapa. En determinadas realizaciones, la matriz de CNT se mantiene sustancialmente intacta despues de sumergirse en un disolvente, tal como etanol, y sonicarse durante un perlodo de al menos cinco minutos. La expresion «sustancialmente intacto», tal como se usa en el presente documento, significa que mas del 90 %, 91 %, 92 %, 93 %, 94 %, 95 %, 96 %, 97 %, 98 %, 99 %, o 99,9 % de los CNT se mantuvo en la superficie despues de la sonicacion, y hubo menos del 1 % de cambio en la resistencia termica de la interfaz de soporte multicapa de CNT despues de la sonicacion. En algunas realizaciones, la resistencia termica de la interfaz de soporte de CNT varla de 1 a 0,1 mm2K/W, mas preferentemente de 0,5 a 0,1 mm2K/W, lo mas preferentemente de 0,25 a 0,1 mm2K/W.

La adhesion de las matrices de CNT al sustrato tambien puede medirse usando un ensayo de cizallamiento por troquel estandar de la industria. En este ensayo, los extremos libres de los CNT se fijan a otro sustrato, que es empujado con una fuerza controlada paralela al sustrato hasta que los CNT se desgarran de su interfaz con el

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soporte multicapa. En algunas realizaciones, la resistencia al cizallamiento por troquel de la interfaz de soporte multicapa de CNT varia de 0,2 a 3 MPa, mas preferentemente de 0,5 a 3 MPa, lo mas preferentemente de 1 a 3 MPa.

En determinadas realizaciones, se aplican uno o mas polimeros a la matriz de CNT. Uno o mas polimeros pueden adsorberse a los extremos distales de los CNT para unir los extremos distales de los CNT a una superficie, reducir la resistencia termica entre la matriz de CNT y una superficie, o combinaciones de los mismos. Los polimeros pueden aplicarse a las matrices de CNT usando una diversidad de metodos conocidos en la tecnica. Por ejemplo, los polimeros pueden disolverse en un disolvente adecuado, y pulverizarse o recubrirse por rotacion sobre el extremo distal de los CNT. En la Figura 3 se muestra una representacion.

Los ejemplos de polimeros adecuados incluyen polimeros conjugados y aromaticos, tales como poli(3-hexiltiofeno) (P3HT), poliestireno, y mezclas de los mismos. Otros ejemplos de polimeros adecuados que no son ni conjugados ni aromaticos incluyen alcohol polivimlico (PVA), poli(metil metacrilato) (PMMA), polidimetilsiloxano (PDMS), y mezclas de los mismos.

En determinadas realizaciones, se aplican una o mas nanoparticulas de metal a la matriz de CNT. Una o mas nanoparticulas de metal pueden adsorberse a los extremos distales de los CNT para unir los extremos distales de los CNT a una superficie, reducir la resistencia termica entre la matriz de CNT y una superficie, o combinaciones de los mismos. Las nanoparticulas de metal pueden aplicarse a las matrices de CNT usando una diversidad de metodos conocidos en la tecnica. Las nanoparticulas de metal adecuadas incluyen, pero sin limitacion, paladio, oro, plata, titanio, hierro, niquel, cobre, y combinaciones de los mismos. Por ejemplo, una solucion de tiolato de metal tal como hexadecanotiolato de paladio puede pulverizarse o recubrirse por rotacion sobre los extremos distales de los CNT, y las sustancias organicas pueden prehornearse para dejar nanoparticulas de paladio. En otro ejemplo, puede usarse la deposicion por haz de electrones o por pulverization para recubrir nanoparticulas de metal o conjuntos de particulas de «tipo pelicula» conectadas sobre los extremos distales de los CNT.

En determinadas realizaciones, se aplican uno o mas polimeros junto con una o mas nanoparticulas de metal a la matriz de CNT. Tanto las nanoparticulas de metal como los polimeros pueden adsorberse a los extremos distales de los CNT para unir los extremos distales de los CNT a una superficie, reducir la resistencia termica entre la matriz de CNT y una superficie, o combinaciones de los mismos. Los polimeros y las nanoparticulas de metal pueden aplicarse conjuntamente usando una diversidad de metodos conocidos en la tecnica. Por ejemplo, una solucion de tiolato de metal tal como hexadecanotiolato de paladio puede pulverizarse o recubrirse por rotacion sobre los extremos distales de los CNT, y las sustancias organicas pueden prehornearse para dejar nanoparticulas de paladio. Despues, los polimeros pueden disolverse en un disolvente adecuado, y pulverizarse o recubrirse por rotacion sobre los extremos distales de los CNT que se recubrieron en la etapa anterior con nanoparticulas de metal.

En determinadas realizaciones, se aplican materiales fluidos o de cambio de fase a la matriz de CNT. Los materiales fluidos o de cambio de fase pueden anadirse a la matriz de CNT para desplazar el aire entre los CNT y mejorar el contacto entre los extremos distales de los CNT y una superficie y, como resultado, reducir la resistencia termica de la matriz y el contacto entre la matriz y una superficie, o combinaciones de los mismos. Pueden aplicarse materiales fluidos o de cambio de fase a las matrices de CNT usando una diversidad de metodos conocidos en la tecnica. Por ejemplo, los materiales fluidos o de cambio de fase en su estado liquido pueden retraerse en forma de mecha en una matriz de CNT mediante la colocation de la matriz en contacto parcial o total con el Kquido. En la Figura 4 se muestra una representacion.

Los ejemplos de materiales fluidos o de cambio de fase incluyen ceras de parafina, ceras de polietileno, ceras basadas en hidrocarburos en general, y mezclas de las mismas. Otros ejemplos de materiales fluidos o de cambio de fase que no son ni cera ni polimericos incluyen metales liquidos, aceites, eutecticos organicos-inorganicos e inorganicos-inorganicos, y mezclas de los mismos.

En determinadas realizaciones, se anade un Kquido a la matriz de CNT y despues se evapora para alterar la morfologia de la matriz. Las fuerzas capilares que resultan de la evaporation liquida pueden agrupar los CNT en patrones, que facilitan la adicion de materiales fluidos o de cambio de fase a la matriz y/o extraen los CNT adicionales en contacto con una superficie y, como resultado, reducen la resistencia termica del contacto entre la matriz y una superficie, o combinaciones de los mismos. La alteration impulsada capilarmente de matrices de CNT puede llevarse a cabo usando una diversidad de metodos conocidos en la tecnica. Por ejemplo, el disolvente puede aplicarse a la matriz de CNT y la matriz puede colocarse en una interfaz en estado humedo y dejarse secar, activando las fuerzas capilares que, en ultima instancia, impulsan los CNT en contacto con la superficie. En otro ejemplo, la matriz de CNT sumergida con disolvente puede dejarse secar libremente del contacto de la superficie para formar patrones en la matriz. En la Figura 5 se muestra una representacion.

Los ejemplos de liquidos adecuados que pueden evaporarse de las matrices de CNT para cambiar su morfologia incluyen disolventes tales como tolueno, isopropanol, y cloroformo, y cualquier otro liquido que humedece las matrices de CNT lo suficiente como para penetrar en toda su profundidad.

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A. Nanotubos de carbono

Las matrices de CNT contienen nanotubos que son continuos desde la parte superior de la matriz (es decir, la superficie formada por el extremo distal de los nanotubos de carbono cuando esta alineada verticalmente sobre el sustrato multicapa) hasta la parte inferior de la matriz (es decir, la superficie del sustrato multicapa). La matriz puede estar formada de nanotubos de carbono multipared (MWNT), que se refiere generalmente a nanotubos que tienen entre aproximadamente 4 y aproximadamente 10 paredes. La matriz tambien puede estar formada de nanotubos de unas pocas de paredes (FWNt), lo que se refiere generalmente a nanotubos que contienen aproximadamente 1-3 paredes. Los fWnT incluyen nanotubos de carbono de pared unica (SWNT), nanotubos de carbono de pared doble (DWNT), y nanotubos de carbono de pared triple (TWNT). En determinadas realizaciones, los nanotubos son MWNT. En algunas realizaciones, el diametro de los MWNT en las matrices varla de 10 a 40 nm, mas preferentemente de 15 a 30 nm, lo mas preferentemente de aproximadamente 20 nm. La longitud de los MWNT en las matrices puede variar de 1 a 5.000 micrometros, preferentemente de 5 a 5.000 micrometros, preferentemente de 5 a 2.500 micrometros, mas preferentemente de 5 a 2.000 micrometros, mas preferentemente de 5 a 1.000 micrometros.

B. Metodos de formacion de matrices de CNT

En realizaciones preferidas, los CNT se desarrollan sobre el sustrato multicapa usando deposicion de vapor qulmica.

Generalmente, la formacion de CNT empieza por la hibridacion del sustrato multicapa. Despues se introduce un gas de fuente de carbono adecuado, y la temperatura se aumenta a la temperatura de desarrollo.

El sustrato multicapa se hibrida generalmente durante un perlodo de tiempo corto, por ejemplo, durante aproximadamente diez minutos. Normalmente, el sustrato multicapa se hibrida en flujo de un gas inerte, tal como nitrogeno o argon. En determinadas realizaciones, la temperatura de hibridacion es de entre aproximadamente 500 °C y aproximadamente 650 °C, mas preferentemente entre aproximadamente 500 °C y aproximadamente 600 °C, lo mas preferentemente entre aproximadamente 525 °C y aproximadamente 575 °C.

En realizaciones preferidas, los CNT se desarrollan sobre el sustrato multicapa a una temperatura de desarrollo que es menor que la temperatura de fusion de aluminio (aproximadamente 660 °C). En determinadas realizaciones, los CNT se desarrollan sobre el sustrato multicapa a una temperatura de desarrollo de entre aproximadamente 600 °C y aproximadamente 660 °C, mas preferentemente entre aproximadamente 610 °C y aproximadamente 650 °C, lo mas preferentemente entre aproximadamente 620 °C y aproximadamente 640 °C. En determinadas realizaciones, los CNT se desarrollan sobre el sustrato multicapa a una temperatura de desarrollo de aproximadamente 630 °C.

Puede usarse cualquier gas de fuente de carbono adecuado. En algunas realizaciones, el gas de fuente de carbono es acetileno. Otros gases de fuente de carbono adecuados incluyen eteno, etileno, metano, n-hexano, alcoholes, xilenos, gases de catalizador de metal (por ejemplo, hierro de carbonilo), y combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, el gas de fuente es un gas de catalizador de metal, que puede usarse con o sin la capa de catalizador.

En otras realizaciones, las matrices de CNT alineados verticalmente se fabrican sobre otra superficie, y se transfieren, usando los metodos conocidos en la tecnica, a los extremos distales de los CNT sobre el sustrato multicapa. Por ejemplo, una matriz de CNT, que es de 5 micrometros o mas corta, se desarrolla sobre el sustrato multicapa. Despues, una matriz de CNT muy alta, de aproximadamente 500 micrometros de longitud, se transfiere de extremo distal a extremo distal sobre los CNT cortos adheridos al sustrato multicapa. Los extremos distales de las dos matrices de CNT se unen mediante pollmeros, nanopartlculas de metal, o una combinacion de ambos mediante recubrimiento de los extremos distales con tales antes de la transferencia. Esta tecnica se denomina impresion por transferencia. En el caso de union de nanopartlculas de metal, las matrices de CNT y el sustrato multicapa se calientan para promover la difusion de metal y asegurar la union. Como ejemplo, el calentamiento se hace a 300 °C en aire durante 30 min a 1 hora; y las dos matrices de CNT se colocan en aproximadamente 138 (20 psi) a 276 kPa (40 psi) de presion durante el calentamiento.

IV. Metodos de uso

Las matrices de CNT descritas en el presente documento pueden usarse como materiales de interfaz termica. Las matrices de CNT pueden formarse y/o depositarse, tal como se requiera para una aplicacion particular.

Por ejemplo, en una realizacion, el soporte inerte para el sustrato multicapa y las matrices de CNT son una pieza de lamina de metal, tal como lamina de aluminio. En estos casos, los CNT se anclan a una superficie de la lamina de metal a traves de una capa de adhesion, nanopartlculas o agregados de oxido de metal, y nanopartlculas o agregados catallticos. En algunos casos, solo una superficie (es decir, un lado) de la lamina de metal contiene una matriz de CNT alineados anclados a la superficie. En otros casos, ambas superficies (es decir, lados) de la lamina de metal contienen una matriz de CNT alineados anclados a la superficie. Si se desea, pueden aplicarse uno o mas pollmeros, partlculas de metal, o combinaciones de los mismos a la matriz de CNT.

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Estos materiales pueden colocarse o fijarse entre una fuente termica y un disipador termico o difusor termico, tal como entre un conjunto de circuito integrado y un intercambiador termico con aletas, para mejorar la transferencia de calor de la fuente termica al disipador o difusor termico.

Las matrices de CNT de este tipo presentan tanto alta conductividad termica como durabilidad mecanica. Como consecuencia, estas matrices son bien adecuadas para aplicaciones en las que se requiere ciclos repetidos. Por ejemplo, pueden emplearse laminas de este tipo como materiales de interfaz termica durante el ensayo de «quemado» de componentes electricos, tales como chips.

En otras realizaciones, el soporte inerte para el sustrato multicapa y las matrices de CNT es una superficie de un disipador o difusor termico de metal convencional. En estos casos, los CNT se anclan a una superficie del disipador o difusor termico a traves de una capa de adhesion, nanopartlculas o agregados de oxido de metal, y nanopartlculas o agregados catallticos. Despues, este disipador o difusor termico funcionalizado puede acoplarse o adherirse a una fuente termica, tal como un conjunto de circuito integrado.

Las matrices de CNT descritas en el presente documento pueden usarse como materiales de interfaz termica en ordenadores personales, ordenadores de servidor,

modulos de memoria, chips graficos, dispositivos de radar y de radio frecuencia (RF), unidades de disco, pantallas, incluyendo pantallas (LED) de diodos emisores de luz, sistemas de iluminacion, unidades de control automotriz, electronica de potencia, celulas solares, baterlas, equipo de comunicaciones, tales como telefonos moviles, generadores termoelectricos, y equipo de imagen, incluyendo las IRM.

Las matrices de CNT tambien pueden usarse para aplicaciones distintas a la transferencia de calor. Los ejemplos incluyen, pero sin limitation, microelectronica, conjuntos de interconexion vertical de oblea pasante, y electrodos para baterlas y condensadores. Actualmente, se usan laminas de cobre y aluminio como materiales de respaldo para el anodo y el catodo en baterlas de iones de litio. Una suspension de carbono activado y los materiales de litio se pegan sobre las laminas. El contacto electrico entre el material pegado y las laminas es un punto de resistencia parasita. Ademas de la salida electrica reducida, esta resistencia puede impedir el rechazo de calor del dispositivo. Las matrices de CNT verticales bien adheridas colocadas en esta interfaz mejorarlan el rendimiento electrica y termicamente.

Las laminas de CNT tambien se usan para blindaje electromagnetico. Los CNT actuan para absorber eficazmente la irradiation electromagnetica, as! como el material de absorcion solar, para potenciar la absorcion solar en calentadores solares de agua caliente.

Ejemplos

Ejemplo 1. Preparacion de matrices de nanotubos de carbono (CNT)

La lamina de aluminio se adquirio en un espesor de 10 micrometros a traves de Alfa Aesar. Se coloco una pieza de lamina de aluminio en un soporte de muestra cuadrado en un evaporador por haz de electrones Denton Explorer. El soporte de muestra sujeto la lamina de aluminio alrededor de sus bordes y un cuadrado de 12,7 cm (5 pulgadas) x 12,7 cm (5 pulgadas) de la lamina de aluminio se expuso en el lado delantero y trasero de muestra, que puede soltarse in situ para depositar metal en ambos lados de la lamina sin romperse al vaclo.

De una en una, se deposito una capa de adhesion de hierro en un espesor de 30 nm, despues se deposito una capa de interfaz de aluminio en un espesor de 10 nm, y finalmente se deposito una capa catalltica de hierro hasta un espesor de 3 nm. La capa de aluminio se dejo enfriar durante 10 minutos antes de depositar la pellcula de hierro catalltica. Todas las deposiciones se producen a una presion de camara de aproximadamente 1,07*10'7 kPa (0,0008 mTorr). Las capas de adhesion de hierro se depositaron a una velocidad de 0,1 nm/s; las capas de interfaz de aluminio se depositaron a una velocidad de 0,1 nm/s; y la capa catalltica de hierro se deposito a una velocidad de 0,05 nm/s. Los sustratos multicapa depositados se dejaron enfriar durante 15 min antes de ventilar la camara y retirar la lamina de aluminio.

Una herramienta de CVD Aixtron Black Magic CVD se uso para desarrollar CNT sobre os sustratos multicapa. La lamina de aluminio con multicapas en ambos lados se coloco en una etapa en la herramienta de CVD. La muestra se calento en una atmosfera de nitrogeno a aproximadamente 1,33 kPa (10 Torr) a una temperatura de 550 °C, y despues la muestra se hibrido a esta temperatura durante 10 minutos en nitrogeno a 1,33 kPa (10 Torr) aproximadamente. Se introdujo hidrogeno en la camara al final de la etapa de hibridacion de nitrogeno y la muestra se mantuvo a la temperatura de hibridacion durante 3 minutos adicionales en la atmosfera de hidrogeno y nitrogeno. Se introdujo acetileno a la camara y se detuvo el flujo de nitrogeno al final de los 3 minutos, y despues la muestra se calento a 630 °C. El desarrollo de CNT comenzo durante 5 minutos a 630 °C y aproximadamente 1,33 kPa (10 Torr) con 700 centlmetros cubicos estandares por minuto (sccm) de hidrogeno y 100 sccm de acetileno como gases de proceso. El flujo de gas de acetileno e hidrogeno se detuvo al final de los 5 minutos y la lamina de aluminio con CNT adheridos a traves de multicapas se dejo enfriar a 200 °C en un flujo de nitrogeno.

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Se produjeron matrices de CNT verticales densas de aproximadamente 12 micrometros de altura en el lado de la lamina de aluminio dirigido hacia arriba, y se produjeron matrices de CNT verticales densas de aproximadamente 10 micrometros de altura en el lado de la hoja de aluminio dirigido a la etapa de muestra. Las densidades de los CNT en ambos lados de la lamina se determinaron mediante microscopla electronica de barrido (SEM) para que sean de 1 x 109 nanotubos por mm2. Los diametros de los CNT en ambos lados de la lamina se determinaron mediante SEM para que sean de 10 nm. Los CNT producidos eran MWNT, que tenlan 5 paredes en promedio.

La muestra de lamina de aluminio producida con los CNT adheridos con multicapas en ambos lados se coloco en un bano de sonicacion de etanol durante 5 minutos. No se observaron CNT que se liberaran del sustrato durante la sonicacion, lo que demuestra la excelente integridad adhesiva y cohesiva de la junta. Tras la retirada del etanol, los CNT en la matriz se modelaron en islas discretas, demostrando que la evaporation de disolvente de la matriz puede ser un metodo eficaz para alterar la morfologla de la matriz.

Los extremos distales de las matrices de CNT en ambos lados de la lamina de aluminio se recubrieron con P3HT mediante recubrimiento por rotation. La estructura se muestra en la Figura 6. La muestra recubierta de pollmero se presiono a aproximadamente 138 kPa (20 psi) entre las superficies de plata y cuarzo recubiertas de oro que se humedecen con cloroformo. La interfaz se dejo secar y la resistencia termica se midio usando una tecnica fotoacustica. Se estimo que la resistencia termica era de aproximadamente 7 mm2K/W, que es una reduction del 70 % de resistencia en comparacion con la estructura de muestra sometida a ensayo sin el recubrimiento de pollmero.

Ejemplo 2. Preparacion de matrices de nanotubos de carbono (CNT) de Carbice usando el sistema de CVD de First Nano

Desarrollo de CNT termico usando el sistema de CVD de First Nano

El desarrollo de CNT termico se realizo en un horno de deposition de vapor qulmica (CVD) Easy Tube de First Nano a presiones subatmosfericas (-40-53,33 kPa, -300-400 torr) con H2, C2H2 como gases de desarrollo. Se realizo el desarrollo de CNT sobre laminas de Al y Cu en este horno usando el catalizador (sustrato multicapa) de Fe30/Al10/Fe3 nm de Carbice y algunas variaciones al catalizador, tal como se describe en las siguientes secciones.

Desarrollo de CNT sobre laminas de Al usando el catalizador (Fe30IAl10IFe3 nm) de Carbice

El desarrollo de CNT se realizo sobre una lamina de Al de 25 pm de espesor en el horno de CVD de First Nano usando el siguiente procedimiento de deposicion de vapor qulmica de baja presion (LPCVD) a 630 °C. La muestra se coloco en el horno de CVD y la temperatura aumento a 530 °C en Ar a 400 sccm. La muestra se hibrido en H2 a 350 sccm durante 3 min. Despues se introdujo C2H2 en la camara a 50 sccm. La temperatura se aumento a 630 °C con la muestra en H2 a 350 sccm y C2H2 a 50 sccm. El desarrollo de CNT comenzo durante 20 min en H2 a 350 sccm y C2H2 a 50 sccm a 630 °C a -44 kPa (-330 torr) de presion.

Resultados

En estas condiciones de desarrollo, se produjo una matriz de CNT completamente densificado. Los CNT eran de aproximadamente 17 micrometros de altura, verticalmente alineados y bien adheridos al sustrato. Las resistencias termicas de contacto seco para los CNT desarrollados en estas condiciones, medidas en un aparato de barra de referencia 1D por etapas, eran de aproximadamente 1,6 cm2-K/W. La variabilidad de la muestra en alturas de CNT para este tiempo de desarrollo es dependiente de la distribution de temperatura y de las condiciones de flujo dentro del horno, as! como de la calidad del catalizador depositado. Las alturas de CNT tlpicas para este tiempo de desarrollo varlan de aproximadamente 15 a 25 micrometros. Los CNT mas cortos (~5-7 micrometros) se desarrollaron mediante la reduccion de los tiempos de desarrollo con el mismo catalizador y gases de desarrollo. En esta condition, se produjeron CNT con resistencias termicas que eran mas pequenos en un factor de tres o mas.

Desarrollo de CNT sobre laminas de Al y Cu usando el catalizador (Fe10IAl100Fe30IAl10IFe3 nm) de Carbice modificado

Las alturas de los CNT pueden aumentarse o disminuirse mediante el cambio del tiempo de desarrollo en especie, sin embargo, el desarrollo termina normalmente en aproximadamente 50-60 micrometros, punto en el que el aumento del tiempo de desarrollo no continua aumentando la altura de CNT. Debido a que el mecanismo de termination del desarrollo esta parcialmente relacionado con la difusion subsuperficial, se implemento un sistema catalizador de cinco capas ligeramente modificado para combatir el proceso de difusion. Usando un catalizador de Fe10IAl100IFe30IAl 10lFe3 nm, se desarrollaron CnT de 75-100 micrometros de altura sobre un sustrato de Al de 50 micrometros con 45 minutos de tiempo de desarrollo. Los otros parametros de desarrollo (por ejemplo, los gases de desarrollo, la temperatura, etc.) se mantienen igual, tal como se ha descrito anteriormente. Este catalizador modificado representa un apilamiento doble del catalizador de Carbice con modificaciones del espesor en las dos primeras capas. La primera capa de Fe sirve como promotor de adhesion para el resto del apilamiento de catalizador, y el Al actua como barrera de difusion. Ademas del aumento de la distancia de difusion relativa asociada

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con el catalizador de Carbice modificado, las interfaces adicionales tambien proporcionaron alguna resistencia a la difusion entre capas.

El envenenamiento de catalizador debido a la difusion de Cu a partir de los sustratos de Cu es mucho mas problematico que el problema analogo observado cuando se desarrollan en sustratos de Al. Por este motivo, el catalizador (Fe30IAl10IFe3 nm) convencional de Carbice de tres capas a menudo no es suficiente para el desarrollo respetable en Cu. El catalizador (Fe10IAl100I Fe30IAl10IFe3 nm) modificado de Carbice de 5 capas supera este problema al tiempo que permite el desarrollo respetable en Cu hasta altas alturas de CNT muy altos.

Por ejemplo, usando el catalizador de Fe10IAl100I Fe30IAl10IFe3 nm, se desarrollaron CNT de 150 micrometros sobre un sustrato de cobre de alta conductividad libre de oxlgeno con un tiempo de desarrollo de 90 minutos a 650 °C. La mayor temperatura de fusion de Cu permite este ligero aumento en la temperatura de desarrollo. Las velocidades de rampa y los gases de desarrollo se mantienen igual, tal como se ha descrito anteriormente.

Ejemplo 3. Estudio de rendimiento de TIM de Carbice en comparacion con Grafoil®

El siguiente experimento determina el impacto del producto de TIM de Carbice en una aplicacion de uso final potencial en comparacion con un producto competitivo (Grafoil®).

Se midio la tension de salida de un modulo termoelectrico. Se realizaron diez (10) mediciones basales usando Grafoil®. Tambien se realizaron diez (10) mediciones con TIM de CNT de Carbice tanto en sustrato de cobre como de aluminio. Todas las mediciones se realizaron en puntos de referencia de temperatura de lado caliente de 30, 60, 90, 120, y 180 °C. Todos los ensayos se realizaron sobre un modulo termoelectrico RC3-6 Bi2Te3 de Marlow Industries.

Resultados

Una curva comparativa de CNT sobre cobre, CNT sobre aluminio, y Grafoil® se muestra en la Figura 7. Se muestra un resumen de los resultados en la Tabla 1. En estas condiciones de ensayo, el TIM de Carbice mejora significativamente el rendimiento del sistema en comparacion con los TIM convencionales basados en grafito. Especlficamente, las tensiones de salida aumentaron el 20 % o mas para sustratos de cobre y aluminio en comparacion con Grafoil.

Tabla 1: Resumen de estudio comparativo.

Interfaz

Tension Mejora (sobre el momento basal)

Grafoil (basal)

1,148 -

Sustrato de cobre de TIM de Carbice

1,383 20 % f

Sustrato de aluminio de TIM de Carbice

1,465 28 % f

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   REIVINDICACIONES

   1. Un sustrato multicapa para el desarrollo y/o el soporte de una pluralidad de nanotubos de carbono, que comprende

   un soporte inerte;

   una capa de adhesion presente sobre una o mas superficies del soporte inerte; una capa de interfaz presente sobre la capa de adhesion; y una capa catalltica;

   en el que la capa de interfaz esta situada entre la capa de adhesion y la capa catalltica; y

   en el que la capa de adhesion y la capa catalltica tienen la misma composicion qulmica.
2. 2. El sustrato de la reivindicacion 1, en el que el soporte inerte es un metal seleccionado del grupo que consiste en aluminio, platino, oro, nlquel, hierro, estano, plomo, plata, titanio, indio, cobre y combinaciones de los mismos; o,

   en el que el soporte inerte es una aleacion de metal, tal como una pseudoaleacion de cobre-tungsteno, o diamante en una matriz de aleacion de cobre-plata y combinaciones de los mismos.
3. 3. El sustrato de la reivindicacion 1, en el que el soporte inerte se selecciona del grupo que consiste en carburo de silicio en una matriz de aluminio, oxido de berilio en una matriz de berilio y combinaciones de los mismos.
4. 4. El sustrato de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la capa de adhesion y la capa catalltica comprenden un metal o una aleacion de metal.
5. 5. El sustrato de la reivindicacion 4, en el que el metal o la aleacion de metal es un metal de transicion o una

   aleacion de metal de transicion que es un catalizador para la formation de nanotubos de carbono (CNT).
6. 6. El sustrato de la reivindicacion 4, en el que el metal se selecciona del grupo que consiste en hierro, nlquel,

   cobalto, rodio, paladio, osmio, iridio, platino (preferentemente, hierro) y combinaciones de los mismos; o,

   la aleacion de metal se selecciona del grupo que consiste en una aleacion de hierro, una aleacion de nlquel (preferentemente aleacion de hierro), y combinaciones de los mismos.
7. 7. El sustrato de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la capa de interfaz comprende un metal seleccionado del grupo que consiste en aluminio, titanio, oro, cobre, plata, tantalio y combinaciones de los mismos; o un oxido de metal seleccionado del grupo que consiste en oxido de aluminio, oxido de silicio, oxido de titanio y combinaciones de los mismos.
8. 8. El sustrato de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la capa de adhesion es de entre 10 nm y 150 nm de espesor; y/o la capa de interfaz es de entre 5 nm y 50 nm de espesor; y/o

   la capa catalltica es de entre 10 nm y 1 nm de espesor.
9. 9. Una matriz de nanotubos de carbono formados sobre el sustrato de la reivindicacion 1, en el que la capa de interfaz esta formada de una pluralidad de nanopartlculas o agregados de oxido de metal;

   la capa catalltica esta formada de una pluralidad de nanopartlculas o agregados catallticos depositados sobre las nanopartlculas o los agregados de oxido de metal; y

   una pluralidad de nanotubos de carbono alineados verticalmente estan unidos a las nanopartlculas o a los agregados catallticos.
10. 10. La matriz de la reivindicacion 9, que comprende adicionalmente uno o mas pollmeros absorbidos a los extremos distales de los nanotubos de carbono.
11. 11. La matriz de la reivindicacion 9, que comprende adicionalmente una o mas nanopartlculas de metal absorbidas a los extremos distales de los nanotubos de carbono.
12. 12. La matriz de la reivindicacion 9, que comprende adicionalmente un material fluido o de cambio de fase en el espacio entre los nanotubos de carbono.
13. 13. Un metodo de mejorar la transferencia de calor desde una fuente termica hasta un disipador termico, que comprende la colocation o la fijacion de la matriz de nanotubos de carbono segun una cualquiera de las reivindicaciones 9-12 entre la fuente termica y el disipador termico.
14. 14. Un metodo para la formacion de una matriz de nanotubos de carbono alineados verticalmente, que comprende

    (a) hibridar un sustrato multicapa que comprende un soporte inerte, una capa de adhesion presente sobre una o mas superficies del soporte inerte, una capa de interfaz presente sobre la capa de adhesion y una capa catalltica, en el que la capa de interfaz esta presente entre la capa de adhesion y la capa catalltica, y en el que la capa de adhesion y la capa catalltica tienen la misma composicion qulmica; y

    (b) someter a calentamiento el sustrato multicapa a una temperatura de desarrollo de entre 550 °C y 660 °C; e

    (c) introducir un gas de fuente de carbono.
15. 15. El sustrato de una cualquiera de las reivindicaciones 1-8 o la matriz de una cualquiera de las reivindicaciones 912 o el metodo de la reivindicacion 14, en donde la capa de interfaz tiene una composicion qulmica que es diferente 5 de la misma composicion qulmica de la capa de adhesion y la capa catalltica.