TW202100457A - 定向沉積裝置及方法 - Google Patents

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畢爾恩 夫瑞爾 麥克拉達
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Abstract

提供一種高深寬比分子結構的氣相沉積之裝置及方法。第一態樣係關於一種裝置，其組構用於過濾器上的高深寬比分子結構定向氣相沉積。第二態樣係關於一種裝置，其組構用於基板上的高深寬比分子結構定向氣相沉積。亦提供一種系統，其包括根據第二態樣之多個裝置。該裝置的元件配置以產生沉積區中的含高深寬比分子結構之氣體的層流流動，以及導引此流動至少部份平行於該沉積區。本發明之另一態樣係關於高深寬比分子結構定向沉積之方法，其適用於過濾器及基板兩者上的沉積。

Description

定向沉積裝置及方法
本發明係關於氣相沉積。特別是，本發明係關於包括用於高深寬比分子結構之定向沉積的方式之沉積方法及裝置。
高深寬比分子結構(High-aspect ratio molecular structures；HARM-structures)例如碳奈米管(carbon nanotube)、碳奈米芽(carbon nanobud)或具有高深寬比之其他奈米級結構，高深寬比分子結構擁有獨特電、光學、熱及機械的特性，使其成為多種應用之有前景的材料。
為了沉積高深寬比分子結構，通常對包含高深寬比分子結構之氣溶膠或或氣體施加一作用力，例如曳力(drag force)、靜電力(electrostatic force)慣性力(inertial force)、光泳力(photophoretic force)、熱泳力(thermophoretic force)或聲波力(acoustic force)。該力可基於一種或多種物理特性將一些高深寬比分子結構朝向預定位置移動，以施加作用力的方式將高深寬比分子結構沉積成為圖案。高深寬比分子結構的特性可為異向性(anisotropic)。因此，高深寬比分子結構的定向沉積之裝置及方法可為所欲的。
根據本發明之裝置特徵在於獨立請求項第1及17項。
根據本發明之方法特徵在於獨立請求項第24項。
根據本發明之第一態樣，提供一種裝置。該裝置可為用於高深寬比分子(HARM)結構沉積之裝置、或用於高深寬比分子結構的定向沉積之裝置。該裝置包括沉積腔、過濾器、進料口、出料口及控制系統。沉積腔係水平延展並包括具有頂蓋之頂部及具有底蓋之底部。過濾器係水平定位在沉積腔中並分隔該頂部及部，過濾器包括沉積區。沉積區係指在特定條件下會發生沉積在過濾器上的區域。過濾器可具有一或多個沉積區。
進料口配置在沉積腔的頂部，並組構以供應含高深寬比分子結構之氣體進入沉積腔。出料口配置在沉積腔的底部，並組構以收集來自沉積腔的氣體。在高深寬比分子結構沉積之後或期間，從沉積腔收集來的氣體可為含高深寬比分子結構之氣體。控制系統組構以控制在進料口及出料口的氣體流動。
在本說明書中，術語“頂”、“底”、“水平”及表示幾何位置之任何其它術語不應該被解讀為將裝置限制在特定幾何組成。這些術語僅用於明確化及描述裝置之元件間的相互關係，以使所請求發明之整體幾何性更容易被瞭解。“水平”可能不是精確地水平或平行於地面，“頂”及“底”為可相互交換而且只是表示結構的任何兩相對位置。
再者，根據第一態樣，進料口、出料口及過濾器配置以建立用於含高深寬比分子結構之氣體的氣體流動路徑，該氣體流動路徑從頂部的進料口朝向底部的出料口流動、且穿過過濾器。於鄰近過濾器的沉積區處含高深寬比分子結構之氣體的流動方向(當其遵循該路徑)係至少部份地平行於過濾器。此可由元件 之間彼此的適當定位達成，例如，進料口及出料口係定位在過濾器的相對側邊；並可根據下文所述一些實施例中經由沉積腔的尺寸及沉積腔內部附加元件輔助。
此外，控制系統、及進料口、出料口、頂蓋、底蓋和過濾器的相對位置配置成，維持鄰近過濾器的沉積區的含高深寬比分子結構之氣體的層流氣體流動(laminar gas flow)。控制系統可配置成，將進料口及出料的氣體流動維持在需要的範圍，以維持含高深寬比分子結構之氣體的層流氣體流動。
過濾器的沉積區係來自含高深寬比分子結構之氣體的高深寬比分子結構沉積處的過濾器區域。
在第一態樣中，該裝置係配置成，建立鄰近過濾器沉積區的含高深寬比分子結構之氣體的層流流動，其中，在氣體通過過濾器之前，氣體沿至少部份地平行於過濾器之路徑流動。這促成過濾器上高深寬比分子結構均勻且定向沉積的功效。高深寬比分子結構一般可定向為與氣體流動方向相同的方向。沉積腔的尺寸可經預選擇以進一步將層流氣體流動最佳化。
出料口組構以作為排放口並可收集來自沉積腔的任何氣體，例如通過用於沉積的過濾器之後的含高深寬比分子結構之氣體。
控制系統可包括控制器及複數個幫浦及/或控制器，控制系統組構以將流動速率維持在預定範圍內。控制系統亦可包括壓縮氣體容器及各種幾何形狀的氣體管路，該壓縮氣體容器用以供應氣體進入進料口，各種幾何形狀的氣體管路用於將通過腔體的氣體流動最佳化。
含高深寬比分子結構之氣體可包括載流氣體，其可為任何惰性氣體，例如氮氣、氬氣或二氧化碳。
根據一具體實施例，控制系統與進料口、出料口、頂蓋、底蓋和過濾器的相對位置配置成，將鄰近過濾器的沉積區處含高深寬比分子結構之氣體的層流氣體流動之雷諾數維持在介於10及3500之間。具雷諾數介於10及3500之間的氣體流動具有下述附加功效：深寬比分子結構均勻定向沉積於過濾器的沉積區上。其亦維持層流具有此範圍的雷諾數。
在一具體實施例中，進料口及出料口係定位在水平平面中的沉積腔的相對側邊。在本具體實施例中，氣體流動路徑水平延伸跨越沉積腔。這可允許沉積發生在較大的過濾器區域並延伸該沉積區。
根據一具體實施例，過濾器水平地延伸，並嵌入至頂部及底部之沉積腔以使沉積腔之頂蓋至底蓋具有一預定距離。嵌入的過濾器水平地延伸，嵌入的過濾器可具有一個或多個跨越沉積腔區域之沉積區。氣體可通過過濾器的任意處係取決於所選之參數、控制系統的附加元件構造、及沉積腔的物理尺寸。此構造在具體實施例中可為所欲的，其中，需要較寬廣的沉積區域、或以各種附加結構性特徵來決定沉積腔中之氣體路徑。
在另一具體實施例中，裝置包括支撐件，其包住過濾器，該支撐件水平地延伸並嵌入頂部及底部之間的沉積腔。支撐件可為不讓氣體通過之任何材料的一層，從而限制氣體路徑穿過被支撐件圍住的過濾器。支撐件可接著密封過濾器的外部區域。密封可沿著氣體路徑在過濾器之前建立安置區。在一具體實施例中，當通過安置區時，含高深寬比分子結構之氣體流動方向變成平行。這造成高深寬比分子結構通過安置區後定向沉積於過濾器上。支撐件與過濾器可為一體，並易於以單一元件製造。
本案說明書中的安置區係指位於例如沉積區前之區域，其中氣體流動穩定化、變成層流且實質地平行於沉積表面。
根據一具體實施例，裝置包括具有至少一凸出物之第一擋板，其中，第一擋水平地延伸並定位成鄰近過濾器，使得從進料口朝向出料口之氣體流動路徑通過鄰近第一擋板中的至少一凸出物之過濾器的部份。第一擋板可建立在鄰近至少一凸出物之過濾器的部份之前的安置區。
根據又一具體實施例，裝置包括具有至少一凸出物之第二擋板，其中，第二擋板水平地延伸並以位在第一擋板下方一預定距離定位，建立介於第一擋板及第二擋板之間、且介於沉積腔頂部及底部之間的空間。第一擋板及第二擋板的凸出物配置在水平平面中的沉積腔的相對側邊。這延伸了含高深寬比分子結構之氣體流動路徑的長度，並建立在過濾器的預定部份中定向沉積的有利條件。路徑的延伸長度可允許較小沉積腔的使用。
其中裝置包括一個或多個擋板之具體實施例提供沉積腔內部可再組構性(reconfigurability)的功效，因為擋板可被移動、被改變或完全被移除。
根據一具體實施例，從沉積腔的頂蓋至過濾器之距離介於0.1及10mm之間，從沉積腔的底蓋至過濾器之距離介於5及20mm之間。這些尺寸可最佳化以產生在所欲位置的層流氣體流動。若頂蓋形狀是不平坦的，從頂蓋的距離可指從頂蓋之預定點的距離。
在一具體實施例中，過濾器係為膜式過濾器。對於從高深寬比分子結構阻隔氣體，膜式過濾器較其他形式的過濾器可為有利的。
根據一具體實施例，控制系統進一步組構以控制反應腔內部的溫度及壓力。腔室中經控制的溫度及壓力可有助於產生高深寬比分子結構沉積於過濾器上的有利條件。
在一具體實施例中，進料口具有圓形形狀之剖面並具有介於5及100mm之間的直徑。圓形進料口之形狀可適用於進料口處的寬範圍氣體流動速度。
在另一具體實施例中，進料口為狹縫(slit)形狀，並具有介於0.5及18mm之間之寬度。進料口的狹縫形狀可具有下述功效：對含高深寬比分子結構之氣體分佈、及伴隨之過濾器上含高深寬比分子結構之氣體分佈的控制加以提升。
根據一具體實施例，沉積腔於水平平面具有矩形形狀，進料口及出料口配置在水平平面中的沉積腔的相對角落。此形狀可易於製造且符合標準需求。跨越矩形的進料口及出料口位置提供氣體分佈、及潛在沉積區，該潛在沉積區水平地跨越大部份腔體內部空間。然而，根據本發明之具體實施例，亦可使用任何其它形狀的沉積腔。
在一具體實施例中，裝置包括具有預定孔洞尺寸之多孔板，其水平地延伸且定位在沉積腔中的過濾器下方。多孔板可使用作為具有可調整形狀之附加擋板，在沉積之前或期間，其可藉由堵住或開啟某些孔洞而變化。
對於本說明書之目的，高深寬比分子結構係指任何微米或奈米級結構，其具有一尺寸中的高深寬比，例如選自碳奈米管分子(carbon nanotube molecules)、碳奈米芽分子(carbon nanobud molecules)、石墨烯條帶(graphene ribbons)、碳或石墨纖維絲(carbon or graphite fiber filaments)及銀奈米線(silver nanowires)組成之群組。
在一具體實施例中，該沉積腔的尺寸為100至200mm之高度、390至1040mm之寬度以及515至1240mm之長度。對於各種級別的高深寬比分子結構沉積，這些尺寸涵蓋的沉積腔範圍可為優選的。
根據第二態樣，提供一種裝置。該裝置可為用於沉積高深寬比分子結構之裝置、用於高深寬比分子結構定向沉積之裝置、或用於基板上的高深寬比分子結構定向沉積之裝置。
該裝置包括沉積腔、基板、進料口、至少一出料口及控制系統。沉積腔係水平地延展，包括具有水平延伸的頂板之頂部及具有水平延伸的底板之底部。板件可具有各種結構，包括各種材料，且實心或一體成型不是必要的。
基板係水平定位在介於頂板及底板之間的沉積腔。根據一具體實施例，基板可放置在底板之頂上或距頂板一預定距離放置。
進料口配置在沉積腔之頂部並組構以供應含高深寬比分子結構之氣體進入沉積腔。至少一出料口亦配置於沉積腔之頂部且組構以收集來自沉積腔的氣體，例如沉積之後的含高深寬比分子結構之氣體。
控制系統組構以控制在進料口及至少一出料口的氣體流動、及除此之外的頂板及底板的溫度及電位。
頂板及基板定位成建立介於頂板及基板之間的間隙，使得從進料口朝向至少一出料口的含高深寬比分子結構之氣體的流動實質地平行於基板。控制系統組構以將頂板及底板的溫度維持在足以不同於鄰近基板產生的溫度梯度的層級。
控制系統亦可組構以將頂板及底板的電位維持在足以於鄰近基板產生均勻電場的數值。
根據第二態樣之裝置係配置成產生氣體流動，該氣體流動包含鄰近基板的高深寬比分子結構，且至少部份地平行基板。如此達到高深寬比分子結構在基板上產生均勻且定向之沉積的功效。高深寬比分子結構一般可定向在與氣體流動方向相同之方向上。由頂板及底板的各種不同溫度層級建立的溫度梯度，可提供於高深寬比分子結構上的曳力以促成沉積。經由頂板及底板的不同電位值產生的均勻電場可提供促使高深寬比分子結構沉積之電泳。沉積腔的尺寸可經預選擇以將層流氣體流動最佳化。
正如在第一態樣中所解說，術語“頂”、”底”、“水平”及表示幾何位置之任何其它術語不應該被解讀為將裝置限制在特定幾何組成。這些術語僅用於明確化及描述裝置元件間的相互關係，以使所請求發明之整體幾何性更容易被瞭解。
根據第二態樣之裝置可適用於具有實質平坦的頂板及底板之沉積腔中平坦基板上的沉積。然而，根據第二態樣之裝置亦可適用於曲面基板上具各種形狀的腔室中的沉積。例如，裝置可用於鼓形(drum-shaped)或凹形(concave)沉積腔中的高深寬比分子結構定向沉積。在某些實施例中，介於基板及頂板之間沿著沉積腔的間隙為固定高度。
在第二態樣之具體實施例中，控制系統與進料口、出料口、頂板、底板和基板的相對位置配置成，將鄰近基板的含高深寬比分子結構之氣體的氣體流動維持成具有雷諾數介於10及3500之間的層流。
具有雷諾數介於10及3500之間的氣體流動維持層流，並具有下述附加功效：高深寬比分子結構均勻定向沉積於基板上。
根據該態樣之具體實施例，該裝置復包括至少一阻氣進料口，其定位於鄰近至少一出料口，至少一阻氣進料口組構以供應阻氣進入沉積腔以防止含高深寬比分子結構之氣體在沉積腔中進一步擴散。本案具體實施例中，具有阻氣之進料口可為有功效的，其中，應防止氣體通過外緣(outer borders)逸散或從基板進一步擴散。
在一具體實施例中，進料口配置在沉積腔頂部的中央區域，且至少一出料口配置在沉積腔的周圍區域。在包括一個或多個阻氣進料口之具體實施例，其亦可定位在沉積腔的周圍，從而防止含高深寬比分子結構之氣體進一步擴散超過定位在周圍區域的出料口。其中進料口定位在中央區域，且出料口定位在周圍之結構，對於裝配有基板用之卷對卷系統(roll to roll sysytem)之裝置，可為所欲的，其導致跨越基板寬度的均勻沉積。具有此結構之裝置視需要亦可在任何構造中彼此鄰近定位。
根據一具體實施例，從頂板至基板的距離係介於0.5及5mm之間，且從底板至基板的距離係介於0及5mm之間。
在一具體實施例中，控制系統配置成將頂板維持在較高溫度的層級，且將較低板件維持在較低溫度的層級，從而產生介於受熱板件及冷卻板件之間的溫度梯度。
在一具體實施例中，基板為塑膠膜。對於高深寬比分子結構定向沉積，塑膠膜可為可使用且適合的基板。任何其它基板的替換方案亦落入第二態樣範圍內。
本發明之第三態樣中，提供一種系統。該系統包括第二態樣之具體實施例的任一者之二或更多種裝置，其彼此鄰近定位。該系統可為用於較大級別(larger-scale)的高深寬比分子結構沉積的系統。
根據第四態樣，提供一種高深寬比分子結構定向沉積之方法。該方法包括：以預定氣體流量經由進料口供應含高深寬比分子結構之氣體進入沉積腔。預定氣體流量可藉由控制系統控制。該方法亦包括將鄰近基板或過濾器的沉積區處含高深寬比分子結構之氣體的層流氣體流動的雷諾數維持在介於10及3500之間，其中，含高深寬比分子結構之氣體層流流動係至少部份地平行於基板或過濾器。該方法復包括從含高深寬比分子結構之氣體將高深寬比分子結構沉積在基板或過濾器的沉積區；以及經由出料口以預定氣體流量收集來自沉積腔的殘留氣體。
該方法可藉由對於沉積高深寬比分子結構之任何適合裝置實行，例如藉由根據第一及第二態樣之裝置之任一者。由於平行於基板或過濾器的層流氣體流動具有對沉積結果的驚奇功效，該方法提供對高深寬比分子結構之定向沉積有利的均勻性及效率。
根據本發明之方法及裝置可易於併入各種用於製造之裝置。
上文所述的本發明之具體實施例可彼此任意組合使用。數個具體實施例可結合在一起以形成本發明更精進之具體實施例。與本發明相關之產品、方法或用途可包括上文所述之本發明之至少一具體實施例。
100,200,300,400,600,700,800:裝置
101,401,501,511,701:進料口
102,402,502,702,802:出料口
103:過濾器
106:間隙
110,410,610,710:沉積腔
111:頂蓋
112:底蓋
113,413,613:沉積區
204:擋板(第一擋板)
205,713:多孔板
304:第二擋板
420:安置區
421:側邊
603,803:基板
611,811:頂板
612,812:底板
620:阻氣進料口
801:中央進料口
820:阻氣進料口
901,902,903,904:步驟
根據下列參照附圖閱讀的詳細說明，將更好瞭解本案說明，其中：
圖1係根據一態樣中包括過濾器之裝置的示意繪示圖。
圖2係根據一具體實施例中包括過濾器及擋板之裝置的示意繪示圖。
圖3係根據一具體實施例中包括過濾器及二擋板之裝置的示意繪示圖。
圖4係根據一具體實施例中具有進料口及出料口替換位置之裝置的示意繪示圖。
圖5a係為水平平面中相對進料口及出料口位置的示意繪示圖。
圖5b係為替換進料口形狀的示意繪示圖。
圖6係根據一態樣中包括基板之裝置的示意繪示圖。
圖7係繪示根據一實施品之用於沉積在過濾器上之例示性裝置。
圖8係繪示根據一實施品之用於沉積在基板上之例示性裝置。
圖9係繪示根據一態樣之方法的流程圖。
在附圖中相同的元件符號用於表示相同的部分。
在下文中，將藉由參考附圖以示例性實施品更詳細地說明本發明。
當含高深寬比分子結構之氣體的層流流動通過過濾器之前行進在平行其表面之平坦過濾器上，產生本發明之具體實施例利用之功效。此功效顯現在過濾器上的高深寬比分子結構定向沉積，其中，定向通常與氣體流動方向一致。類似功效發生在基板上的直接沉積，其中，含高深寬比分子結構之氣體的層流流動通過平行其表面的平坦基板，可促成基板上的高深寬比分子結構定向沉積。對於基板上的沉積，溫度梯度或電場亦可使用於沉積腔中高深寬比分子結構產生定向沉積的條件。
提供以下實施例以用於更瞭解本發明，並且不應將其解讀為限制性。
圖1至3繪示沉積高深寬比分子結構之裝置100。圖1中的裝置100包括沉積腔110，該沉積腔110水平延展，包裝其它元件且包括具有頂蓋111之頂部及具有底蓋112之底部。頂蓋111包括進料口101，該進料口101配置於頂部且組構以提供含高深寬比分子結構之氣體進入沉積腔110；底蓋112包括出料口102，該出料口102配置於底部且組構以收集來自沉積腔110的氣體。
裝置100復包括過濾器103，該過濾器103水平延伸並分隔頂部及底部。過濾器103可為膜式過濾器或任意適合的型式。過濾器103包括沉積區113，該沉積區113僅由橢圓繪示且可具有過濾器103上的非預設位置。沉積區係發生高深寬比分子結構定向沉積之區域，且可能取決於各種因素，如沉積腔110尺寸、氣體流速、及其它條件。由圖1至3中的箭頭所示，係從進料口101至出料口102至的約略氣體流動路徑。
如同圖2至3的裝置，圖1的裝置100復包括控制系統(圖未示)，其組構以控制的氣體流動。控制系統可包括幫浦及控制器，例如基於電腦的控制器，以控制進料口及出料口處的流量，某些實施例中控制系統可包括預定形狀的氣體管路、及壓縮氣體容器。控制系統可組構以在供應任何氣體進入腔室之前界定特性，及/或在沉積期間調整氣體流量、溫度或任何其它特性。
沉積區113可整合於氣體通過過濾器103處的過濾器103區域。含高深寬比分子結構之氣體的氣體流動路徑由進料口101、出料口102及過濾器103的配置建立，並約略地由箭頭所標示。鄰近過濾器的沉積區113處，含高深寬比分子結構之氣體流動方向至少部份平行於過濾器103。控制系統、及進料口 101、出料口102、頂蓋111、底蓋112和過濾器103的相對位置配置成，於鄰近過濾器的沉積區處，維持含高深寬比分子結構之氣體的層流氣體流動。層流氣體流動方向為鄰近過濾器的沉積區113處至少部份平行於過濾器103，形成高深寬比分子結構定向沉積於過濾器103上的結果。特別是，含高深寬比分子結構之氣體的層流氣體流動具有雷諾數介於10及3500之範圍者，已顯示能提供有效率的定向沉積。
圖1至3中裝置100、200、300亦繪示有間隙106，間隙106介於過濾器及頂蓋111之間，其尺寸結合氣體流量及其它參數可進一步促成過濾器103上的層流氣體流動。本實施例中，進料口101及出料口102水平定位在沉積腔110相對側邊。如此提供了對氣體流動方向的更簡化控制。替換地，進料口101及出料口102可定位成在水平面上彼此更靠近，至少部份平行於過濾器的氣體流動路徑可由此處所述的其它手段建立。
圖1至3中的過濾器103係水平延伸，並以頂部及底部之間的預定位置嵌入於沉積腔110。在其它實施例中，過濾器103可包裝於支撐元件中，或者過濾器103可以介於過濾器103水平邊緣及沉積腔110側壁之間之距離定位於沉積腔110中。其中過濾器103未嵌入於沉積腔110之配置可能製造較便宜，及/或在沉積腔110的側壁裝設附加排放件可能是有助益的。附加排放件或出料口亦能影響氣體流動方向。
過濾器103的部份可被支撐件包裝(圖未示)，使得含高深寬比分子結構之氣體可物理地僅通過未被支撐件包裝的部份。支撐件可水平延伸並嵌入於沉積腔110，其中過濾器可為，例如，支撐件中的凸出物。未讓氣體通過的支撐件，可在氣體流動路徑通過過濾器103之前建立安置區。
圖2顯示一實施例，其中裝置200包括具有至少一凸出物之擋板204。擋板204水平延伸，並定位成附接於過濾器103，使得從進料口101朝向出料口102之氣體流動路徑通過過濾器103附接於擋板204中至少一突出物之部份。擋板204亦在沉積區113之前建立安置區，沉積區113由橢圓約略地標示。在安置區中，氣體流動可安定化、變成層流且平行於過濾器103，以在氣體通過安置區進入沉積區113時，提供用於高深寬比分子結構定向沉積的條件。
圖2的裝置200復包括多孔板205。多孔板205可具有預定孔洞尺寸並水平延伸，定位在沉積腔110中的過濾器103下方。多孔板205可使用作為具有可調形狀之附加擋板，可調形狀於某些孔洞堵住或開啟的時候改變。僅為了例示之目的，多孔板205繪示於圖2上，並可使用於任何其他實施例所示的裝置。
圖3示意地顯示裝置300的實施品(implementation)，其包括兩片擋板204、304。第一擋板204可定位成類似於前述實施例的擋板204。第二擋板304亦包括至少一凸出物，並水平延伸。第二擋板304定位於第一擋板204下預定距離處，並建立介於第一擋板204及第二擋板304之間、且在沉積腔中介於頂部及底部之間的空間。第一擋板及第二擋板的凸出物配置在水平平面中的沉積腔110的相對側邊。這延伸了含高深寬比分子結構之氣體行進路徑的長度，如箭頭所描示。路徑的延伸長度可允許較小沉積腔110的使用。
在一實施品中，定位於沉積腔110中的元件尺寸係如後所述。從沉積腔110的頂蓋111至過濾器103之距離介於0.1及10mm之間，從沉積腔110的底蓋112至過濾器103之距離介於5及20mm之間。
圖4繪示裝置400的實施品，其中進料口401及出料口402長度延伸，並沿沉積腔410壁面定位。圖4係具有過濾器(圖未示)之裝置的示意俯視圖。出料口402定位於鉛直平面(圖4的俯視圖中無法見到)中過濾器的相對側邊上。本實施例中，含高深寬比分子結構之氣體在沉積腔410內的水平平面中擴散，沉積腔410可沿氣體流動路徑繪示地分割成各種區域。安置區420係為一區域，其中該區域在進入沉積區413之前含高深寬比分子結構之氣體的氣體流動變成層流且平行沉積表面、且平行沉積表面。在側邊421(亦稱為，犧牲區)上，定向沉積應該比較不會發生，因此側邊421從沉積區413排除。
圖5a至5b上所繪示者，係具有進料口及出料口的替換位置之實施品。圖5a中，進料口501及出料口502定位於沉積腔的相對角落。進料口501形狀為圓形，並具有介於5及25mm間之直徑。圓形形狀可適用於進料口501處的寬範圍氣體流動速度。
如圖5b所示，進料口511具有狹縫形狀，並具有介於0.5及18mm間之寬度。進料口511的狹縫形狀可具有下述功效：對含高深寬比分子結構之氣體分佈、及伴隨之過濾器上含高深寬比分子結構之氣體分佈的控制加以提升。繪示於圖4的實施例中，進料口401亦可為狹縫形狀。
本發明範圍內可使用其它形狀的進料口、出料口及沉積腔，可改變進料口及出料口的位置。
根據另一態樣之裝置顯示於圖6上。裝置600係設計用於高深寬比分子結構定向沉積於基板上，其相對於圖1至3所示的過濾器。裝置600包括水平延展之沉積腔610，該沉積腔610包括具有頂板611之頂部及具有底板612之底部，該頂板611及該底板612係水平延伸。繪示於圖6上的裝置600包括基 板603，其水平定位於頂板611及底板612之間的沉積腔610中。基板603可為塑膠膜、或任何其它適合的基板。進料口601配置於頂部中，且穿過沉積腔610的頂板611，進料口601組構以供應含高深寬比分子結構之氣體進入沉積腔610。出料口602亦配置於沉積腔610的頂部，並穿過頂板611。裝置可具有一個或多個出料口602，而圖6的實施品包括兩個出料口。出料口602設置成從沉積腔收集氣體。
裝置600亦包括控制系統(圖未示)，該控制系統組構以控制進料口601及出料口602處的氣體流動、及頂板611和底板612的溫度和電位。控制系統可包含幫浦及控制器，以控制進料口601及出料口602處的流量，在某些實施例中，控制系統包含預定形狀的氣體管路及壓縮氣體容器。控制系統可包含基於電腦的控制器。控制系統組構以在供應任何氣體進入腔室之前界定特性，及/或在沉積期間調整板件611、612的氣體流量、溫度、電位或任何其它特性。
頂板611及基板603定位成建立介於頂板611及基板603之間的間隙，使得從進料口601朝向出料口602的含高深寬比分子結構之氣體流動實質平行於沉積區613(僅約略地由橢圓繪示)中的基板603。控制系統組構以維持頂板611及底板612的各種溫度層級，以建立鄰近基板603的溫度梯度。由頂板611及底板612的各種溫度層級建立的溫度梯度，可提供對高深寬比分子結構上的曳力，其可產生用於定向沉積的條件。除了維持溫度層級以外或者替換地，控制系統亦可組構以將頂板611及底板612的電位維持在足以於鄰近基板603產生均勻電場的數值。均勻電場產生電泳的條件促進基板603上的高深寬比分子結構沉積。
為了在各種條件下維持氣體流動層流，並從而強化沉積區613中的高深寬比分子結構定向沉積效果，控制系統與進料口601、出料口602、頂板611、底板612和基板603的相對位置可配置成，將鄰近基板603的含高深寬比分子結構之氣體的氣體流動維持成具有雷諾數介於10及3500之間的層流。
圖6所示的裝置600亦包括選擇性阻氣進料口620，其定位於鄰近出料口602。阻氣進料口620組構以提供阻氣進入沉積腔610以防止含高深寬比分子結構之氣體在沉積腔610中進一步擴散。在圖6所繪示的實施品中，進料口601配置在沉積腔610頂部的中央區域，出料口602與阻氣進料口620一樣配置在沉積腔610的周圍區域。阻氣可為氮氣、氬氣、一氧化碳、二氧化碳或其他惰性或可過濾氣體組成。
在一例示性實施品中，從頂板611至基板603的距離介於0.5及5mm之間，從底板612至基板603的距離介於0及5mm之間。可加熱頂板611、同時冷卻底板612以產生溫度梯度。
二或更多圖6所示之裝置600可彼此鄰近定位以建立系統。該系統可具有基板，該基板穿過多個彼此鄰近定位的裝置600。
圖6繪示的裝置600具有實質平坦的頂板611、底板612、及基板603。然而，根據本態樣的裝置600亦可適用沉積在各種形狀的腔中室的曲面基板上。例如，裝置600可使用於在鼓形或凹形沉積腔中的高深寬比分子結構定向沉積。
圖7顯示根據第一態樣之實施品之裝置700的實施例。裝置700包括連接於沉積腔710之進料口701及出料口702。進料口701配置在腔室710頂部，同時出料口702配置在底部。本實施例中，進料口701及出料口702為錐 形。裝置700復包括過濾器703、及帶孔的多孔板713，該過濾器703定位在距頂部0至10mm處。多孔板713可作為具有可調整凸出物尺寸之擋板使用，以控制腔室710中的氣體擴散。沉積腔710亦可包括一個或多個擋板，該一個或多個擋板使氣體流動路徑從腔室710左側的進料口701到達多孔板713，如圖7所示。本圖的尺寸為近似，可能無法反映裝置700元件的真實相對尺寸。
圖8顯示根據第二態樣之實施品之裝置800的實施例。裝置800包括加熱的頂板811、冷卻的底板812及介於期間的沉積腔(圖未示，介於頂板811及底板812的細小間隙)。裝置800亦包括基板803，其定位在底板812上。進一步，該裝置包括中央進料口801、及兩出料口802，該兩出料口802連接於沉積腔的周邊位置。裝置800亦包括阻氣進料口820，該阻氣進料口820連接於更周邊位置以防止氣體經過出料口802。圖8尺寸為近似，可能無法反映裝置700元件的真實相對尺寸。
圖9為根據一態樣之高深寬比分子結構定向沉積之方法的流程圖。該方法包括步驟901，以預定氣體流量經由進料口供應含高深寬比分子結構之氣體進入沉積腔。氣體流量可由控制單元決定。該方法復包括步驟902，以介於10及3500之間之雷諾數，維持鄰近基板或過濾器的沉積區的含高深寬比分子結構之氣體的層流流動。步驟902中，含高深寬比分子結構之氣體層流流動至少部份平行於基板或過濾器。層流氣體流動可由控制系統結合進料口的相對位置、出料口及沉積腔中其它元件維持。當步驟902中層流氣體流動維持在適當條件，該方法復包括步驟903，從含高深寬比分子結構之氣體沉積高深寬比分子結構在基板或過濾器的沉積區。步驟903沉積發生於當層流及實質平行氣體流動到達過濾器或基板的沉積區時。該方法包括步驟904，以預定氣體流量經由出料 口從沉積腔收集殘留氣體。預定流量及層流氣體流動允許高深寬比分子結構定向沉積。
該方法可藉由任何適合的沉積高深寬比分子結構之裝置實行，例如，藉由任何根據第一及第二態樣之裝置。該方法亦可藉由包括電腦之控制系統實現。因為平行於基板或過濾器的層流氣體流動形成沉積的驚奇功效，該方法提供有助益的均勻性、及有效率的高深寬比分子結構定向沉積。
[實施例]
一種過濾器上高深寬比分子結構定向沉積之裝置，其係上述第一態樣之實施例，該裝置包括：沉積腔，係160 x 390 x 515mm(高x寬x長)。氣體流量維持在20至50lither/min，腔室中溫度為20至80℃(Celsius)。在進料口供應的氣體為包含碳奈米芽之氮載氣。膜式過濾器以距頂部0.5至2mm之距離嵌入於介於頂部及底部之間之沉積腔。膜式過濾器收集沉積區中的碳奈米芽，該沉積區係約略為150 x 420mm。上述條件下沉積之碳奈米芽的定向，可以範圍1.3至2.2之定向指數(最大阻值與最小阻值的比值)估計。該裝置復包括具有凸出物之擋板，其定位在過濾器下方，該擋板建立安置區，且該擋板尺寸係約略為150 x 420mm。
對熟習此項技藝之人士而言清楚的是，本發明不限於上述實施例，但可在本發明請求項保護之範圍內，自由修改上述實施例。
100:裝置
101:進料口
102:出料口
103:過濾器
106:間隙
110:沉積腔
111:頂蓋
112:底蓋
113:沉積區

Claims (24)

  1. 一種裝置，包括：
    沉積腔，水平延展且包括具有頂蓋之頂部具有底蓋之底部；
    過濾器，水平定位在該沉積腔中並分隔該頂部及該底部，其中，該過濾器包括沉積區；
    進料口，配置在該沉積腔之頂部並組構以供應含高深寬比分子結構之氣體進入該沉積腔；
    出料口，配置在該沉積腔之底部並組構以收集來自該沉積腔的氣體；以及
    控制系統，組構以控制在該進料口及該出料口的氣體流動；
    其中，該進料口、該出料口及該過濾器配置成，建立用於該含高深寬比分子結構之氣體的氣體流動路徑，該氣體流動路徑從該頂部之該進料口朝向該底部之該出料口、且穿過該過濾器，其中，於鄰近該過濾器的該沉積區處該含高深寬比分子結構之氣體流動方向至少部份地平行於該過濾器；以及
    其中，該控制系統、及該進料口、該出料口、該頂蓋、該底蓋和該過濾器的相對位置配置成，於鄰近該過濾器的該沉積區處維持該含高深寬比分子結構之氣體的層流氣體流動。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中，該控制系統與該進料口、該出料口、該頂蓋、該底蓋和該過濾器的相對位置配置成，將鄰近該過濾器的該沉積區處該含高深寬比分子結構之氣體的層流氣體流動之雷諾數維持在介於10及3500之間。
  3. 如請求項1及2之任一項所述之裝置，其中，該進料口及該出料口定位在水平平面中的該沉積腔的相對側邊。
  4. 如請求項1至3之任一項所述之裝置，其中，該過濾器水平延伸並以從該沉積腔的該頂蓋至該底蓋之預定距離嵌入介於該頂部及該底部之間之該沉積腔。
  5. 如請求項1至3之任一項所述之裝置，包括支撐件，其包裝該過濾器，該支撐件水平延伸並嵌入介於該頂部及該底部之間之該沉積腔。
  6. 如請求項1至5之任一項所述之裝置，包括具有至少一凸出物之第一擋板，其中，該第一擋板水平延伸並定位成鄰近該過濾器，使得從該進料口朝向該出料口之氣體流動路徑通過鄰近該第一擋板中的至少一凸出物之該過濾器的部份。
  7. 如請求項6所述之裝置，包括具有至少一凸出物之第二擋板，
    其中，該第二擋板水平延伸並以預定距離定位在該第一擋板下方，建立介於該第一擋板及該第二擋板之間、且介於該沉積腔的該頂部及該底部之間的空間，以及
    其中，該第一擋板及第二擋板的凸出物配置在水平平面中的該沉積腔的相對側邊。
  8. 如請求項1至7之任一項所述之裝置，其中，從該沉積腔的頂蓋至該過濾器之距離介於0.1及10mm之間，從該沉積腔的該底蓋至該過濾器之距離介於5及20mm之間。
  9. 如申請專利範圍1至8之任一項所述之裝置，其中，該過濾器為膜式過濾器。
  10. 如申請專利範圍1至9之任一項所述之裝置，其中，該控制系統復組構以控制反應腔內部的溫度及壓力。
  11. 如申請專利範圍1至10之任一項所述之裝置，其中，該進料口於剖面具有圓形形狀，並具有介於5及100mm之間的直徑。
  12. 如申請專利範圍1至10之任一項所述之裝置，其中，該進料口形狀為狹縫，並具有介於0.5及18mm之寬度。
  13. 如申請專利範圍1至12之任一項所述之裝置，其中，該沉積腔於水平平面具有矩形形狀，該進料口及該出料口配置在該沉積腔的水平平面上的相對角落。
  14. 如申請專利範圍1至13之任一項所述之裝置，包括具有預定孔洞尺寸之多孔板，其水平延伸且定位在該沉積腔中的該過濾器下方。
  15. 如請求項1至14之任一項所述之裝置，其中，該高深寬比分子結構係選自碳奈米管分子、碳奈米芽分子、石墨烯條帶、碳或石墨纖維絲及銀奈米線所組成之群組。
  16. 如請求項1至15之任一項所述之裝置，其中，該沉積腔的尺寸為100至200mm之高度、390至1040mm之寬度以及515至1240mm之長度。
  17. 一種裝置，包括：
    沉積腔，水平延展並包括具有水平延伸的頂板之頂部及具有水平延伸的底板之底部；
    基板，水平定位在介於該頂板及底板之間的該沉積腔，
    進料口，配置在該沉積腔之頂部並組構以供應含高深寬比分子結構之氣體進入該沉積腔，
    至少一出料口，配置於該沉積腔之底部且組構以收集來自該沉積腔的氣體；以及
    控制系統，組構以控制在該進料口及該至少一出料口的氣體流動、及該頂板及該底板的溫度及電位，其中，
    該頂板及該基板定位成建立介於該頂板及該基板之間的間隙，使得從該進料口朝向該至少一出料口的該含高深寬比分子結構之氣體流動實質平行於該基板，以及
    其中，該控制系統設置成：
    將該頂板及該底板的溫度維持在足以於鄰近該基板產生不同溫度梯度的層級，及/或
    將該頂板及該底板的電位維持在足以於鄰近該基板產生均勻電場的數值。
  18. 如請求項17所述之裝置，其中，該控制系統與該進料口、該出料口、該頂板、該底板和該基板的相對位置配置成，將鄰近該基板之該含高深寬比分子結構之氣體的氣體流動維持成具有雷諾數介於10及3500之間的層流。
  19. 如請求項17及18之任一項所述之裝置，復包括至少一阻氣進料口，該至少一阻氣進料口定位在鄰近該至少一出料口以供應阻氣進入該沉積腔以防止該含高深寬比分子結構之氣體在該沉積腔中進一步擴散。
  20. 如請求項17至19之任一項所述之裝置，其中，該進料口配置在該沉積腔之頂部的中央區域，該至少一出料口配置在該沉積腔的周圍區域。
  21. 如請求項17至20之任一項所述之裝置，其中，從該頂板至該基板的距離係介於0.5及5mm之間，從該底板至該基板的距離係介於0及5mm之間。
  22. 如請求項17至21之任一項所述之裝置，其中，該基板係為塑膠膜。
  23. 一種系統，包括二或更多請求項17至22之任一項所述之裝置，其彼此鄰近定位。
  24. 一種高深寬比分子結構定向沉積之方法，包括：
    以預定氣體流量經由進料口供應含高深寬比分子結構之氣體進入沉積腔；
    維持鄰近基板或過濾器的沉積區的該含高深寬比分子結構之氣體的層流流動在雷諾數介於10及3500之間，其中，該含高深寬比分子結構之氣體的層流流動係至少部份平行該基板或該過濾器，
    從該含高深寬比分子結構之氣體將該高深寬比分子結構沉積在該基板或該過濾器的該沉積區；以及
    經由出料口以預定氣體流量收集來自該沉積腔的殘留氣體。
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