TWI386511B - 定向生長奈米碳管陣列之裝置及方法 - Google Patents

Description

定向生長奈米碳管陣列之裝置及方法

本發明涉及奈米材料技術領域，尤其係關於一種定向生長奈米碳管陣列之裝置及方法。

奈米碳管係由單層或多層石墨片按一定之螺旋度捲曲而成之無縫奈米級圓筒，由於奈米碳管之徑向受到奈米尺度之限域效應，為標準之一維量子線，其可表現出許多量子力學效應；且隨著奈米碳管螺旋度之變化，其可呈現金屬性或半導體性等。正由於奈米碳管之獨特特性，使其於各學科領域具有廣闊之應用前景。

傳統之奈米碳管生長之方法有電弧放電法、雷射削熔法及化學氣相沈積法等。電弧放電法係利用氣體放電將電能轉化成熱能與光能，繼而使固體碳源蒸發進行結構重排來生長奈米碳管。雷射削熔法係利用雷射光照射固體碳源將其轉化為氣態碳，並於催化劑作用下生長成奈米碳管。化學氣相沈積法又可稱為催化熱解法，其係以易分解之烃類有機物為碳源，利用過度金屬元素作為催化劑分解碳源產生碳原子來形成奈米碳管。

電弧放電法及雷射削熔法皆難以直接生長成定向之奈米碳管陣列。

化學氣相沈積法可以實現奈米碳管陣列之定向生長。先前之定向生長奈米碳管之化學氣相沈積法有電漿輔助化學氣相沈積法與熱化學氣相沈積法。然，電漿輔助化學氣相沈積法需要額外使用產生電漿之真空系統，致使其 具有較高之成本；熱化學氣相沈積法，具有生長面積大型化、且成本低之優勢，但其要求反應條件嚴格，具有反應參數難以控制之缺點，因此其要實現定向奈米碳管陣列之生長比較困難。

有鑑於此，提供一種成本較低且易於實現定向生長奈米碳管陣列之裝置及方法實為必需。

以下將以實施例提供一種定向生長奈米碳管陣列之裝置及方法。

一種定向生長奈米碳管陣列之裝置，包括一反應室；一具有正極與負極之直流電源；設置於該反應室內部之一與所述電源之正極相連之第一金屬板；一與所述電源之負極相連且與第一金屬板相平行之第二金屬板；及一處於該第一金屬板與第二金屬板之間之基底，該基底與該第一金屬板及該第二金屬板均相間隔。該基底用於形成催化劑之表面與該第二金屬板相對。

及，一種定向生長奈米碳管陣列之方法，將催化劑形成於基底上；將該基底設置於第一金屬板與第二金屬板之間並與該第一金屬板及該第二金屬板相間隔，且該基底形成催化劑之表面與該第二金屬板相對；接通直流電源，使該第一金屬板與第二金屬板之間產生電場；加熱反應室；及通入碳源氣，反應生成定向奈米碳管陣列。

相較於先前技術，上述定向生長奈米碳管陣列之裝置及方法，採用兩金屬板來產生電場，於電場作用下，奈米 碳管會形成偶極子，偶極子排列方向需與電場之方向相同，繼而促使奈米碳管沿著與電場方向生長，而易於獲得定向排列之奈米碳管陣列；且該定向生長奈米碳管陣列之過程僅需額外增加一電場，其所需成本較低；因此上述之定向生長奈米碳管陣列之裝置及方法具有易於實現定向生長奈米碳管陣列且其成本較低之優點。

下面將結合附圖對本發明實施例作進一步詳細說明。

請參閱第一圖，其係本發明實施例之定向生長奈米碳管陣列之裝置圖，其包括一反應室1，一具有正極3與負極4之直流電源2，以及設置於該反應室1內部之一第一金屬板5；一第二金屬板6；及一基底8。其中該第一金屬板5與所述直流電源2之正極3用導線7電性連接；該第二金屬板6與所述直流電源2之負極4用導線7電性連接，且與該第一金屬板5相平行；該基底8處於該第一金屬板5與第二金屬板6之間，且該基底8用於形成催化劑之基底表面9與該第二金屬板6相對。

於該第一金屬板5與第二金屬板6通電時，其可產生電場。當反應生長奈米碳管陣列，由於有電場存在，奈米碳管會發生極化產生偶極子；偶極子朝向如果未與電場處於同一方向上，則電場力會使偶極子產生轉動力矩，致使偶極子最終形成與電場相同方向相同之朝向；因此奈米碳管會被促使沿著與電場相同之方向生長，而易於獲得定向排列之奈米碳管陣列。

請參閱第二圖，基底8處於該第一金屬板5與一第二金屬 板6之間，根據生長奈米碳管陣列之朝向要求，該基底8可轉動或該第一金屬板5與第二金屬板6同時轉動，使得該第一金屬板5與第二金屬板6之中心連線與基底表面9可成一角度θ，而獲得不同方向之電場，該角度θ取值範圍為0°<θ≦90°；優選係，該第一金屬板5與第二金屬板6之中心連線通過該基底表面9之中心。例如，當反應生長奈米碳管陣列要求垂直於該基底表面9時，該第一金屬板5與第二金屬板6之中心連線與基底表面9所成之角度θ可為90°，以使該第一金屬板5與第二金屬板6可形成垂直於基底表面9之電場。

第一金屬板5與第二金屬板6之材質及該導線7之導電材質為熔點較高之材料，具體係該材料於奈米碳管生長所需之溫度下不會被熔融，其可為金(熔點為1064℃)、銅(熔點為1083℃)、鉑(熔點為1772℃)、鈀(熔點為1552℃)、鐵(熔點為1535℃)、鈷(熔點為1495℃)及鎳(熔點為1453℃)等之一或幾種之合金。

進一步，請參閱第三圖，為避免碳源氣分解所產生之碳粒子直接沈積於該第一金屬板5與第二金屬板6上，而污染金屬板並影響其產生電場之均勻性，可於其外設置一層防護裝置10。另外，導線7處於反應室1內之部分亦可設置一防護裝置10，以避免碳直接沈積於其表面。且設置一層防護裝置10，還會有益於儀器使用後之清潔工作。

該防護裝置材質為熔點較高且絕緣之材料，例如石英管。

進一步，該定向生長奈米碳管陣列之裝置還包括一溫度控制系統11，視反應室之形狀而定，其可處於反應室1外或反應室1內，具體要求係其能實現對反應室均勻加熱；優選係該溫度控制系統11包括多個加熱器，且均勻分布於該反應室1之內壁或外壁。均勻加熱，易於使反應室1內各處之生成奈米碳管之速度均勻，進而更易於使得奈米碳管陣列定向排列。

另，上述定向生長奈米碳管陣列之方法包括如下步驟：步驟一，將催化劑形成於基底8上。該催化劑可為鐵、鈷、鎳、鉬、釩、氧化鐵、氧化鎳及氧化鈷等之一或幾種組合。

步驟二，將該基底8設置於第一金屬板5與第二金屬6之間，且該基底形成催化劑之表面9與該第二金屬板相對。其中，根據所需奈米碳管陣列之朝向需要，可設置好第一金屬板5與第二金屬板6之中心連線與基底表面9所成之角度θ。

步驟三，接通所述直流電源2，使所述第一金屬板5與第二金屬板6之間產生電場。根據反應生成奈米碳管之速度不同，所需電場強度不同；該電場強度可通過控制所述直流電源2之電壓來控制，該直流電源2電壓可為500伏特以下。

步驟四，加熱反應室1溫度為預定之反應溫度。反應溫度具體係依照所採用之催化劑及碳源來確定，該反應溫度可為500~1000攝氏度。

步驟五，通入碳源氣，反應生成定向奈米碳管陣列。該碳源氣可為甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、甲烷、乙烯、乙炔、丙烯、丙二烯及一氧化碳等之一或幾種混合物。

反應過程中，由於有所述第一金屬板5與第二金屬板6所產生之電場之作用，奈米碳管會被極化生成偶極子，促使奈米碳管朝著電場之方向生長，繼而生成與基底表面9成θ角之奈米碳管陣列。相較於先前技術之電漿輔助化學氣相沈積法需要額外使用費用較高之產生電漿之真空系統，於該定向生長奈米碳管陣列之過程中，僅需增加一電場即可實現奈米碳管陣列之定向生長，其所需成本降低。

與先前技術相比較，上述定向生長奈米碳管陣列之裝置及方法，採用第一金屬板5及第二金屬板6來產生電場，於電場之作用下，奈米碳管會形成偶極子，偶極子排列方向需與電場之方向相同，繼而促使奈米碳管沿著與電場方向生長，而易於獲得定向排列之奈米碳管陣列；且該定向生長奈米碳管陣列之過程中僅需額外增加一電場，其所需成本較低；因此上述之定向生長奈米碳管陣列之裝置及方法具有易於實現定向生長奈米碳管陣列且其成本較低之優點。

綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，本發明之範圍並不以上述實施方式為限，舉凡熟悉本案技藝之人士，在援依本案發明精神所作之等效修飾或變化，皆應包含於以下之申請專利範圍內。

1‧‧‧反應室

2‧‧‧直流電源

3‧‧‧正極

4‧‧‧負極

5‧‧‧第一金屬板

6‧‧‧第二金屬板

7‧‧‧導線

8‧‧‧基底

9‧‧‧基底表面

10‧‧‧防護裝置

11‧‧‧溫度控制系統

第一圖係本發明實施例之定向生長奈米碳管陣列之裝置示意圖。

第二圖係本發明實施例之第一金屬板與第二金屬板位置關係示意圖。

第三圖係本發明另一實施例之定向生長奈米碳管陣列之裝置示意圖。

1‧‧‧反應室

2‧‧‧直流電源

3‧‧‧正極

4‧‧‧負極

5‧‧‧第一金屬板

6‧‧‧第二金屬板

7‧‧‧導線

8‧‧‧基底

9‧‧‧基底表面

Claims (14)

1. 一種定向生長奈米碳管陣列之裝置，包括一反應室；一具有正極與負極之直流電源；設置於該反應室內部之一第一金屬板，其與所述電源之正極電性連接；一第二金屬板，其與所述電源之負極電性連接，且與該第一金屬板相平行；及一基底，其處於該第一金屬板與第二金屬板之間並與該第一金屬板及該第二金屬板相間隔，且該基底用於形成催化劑之表面與該第二金屬板相對。
2. 如申請專利範圍第1項所述之定向生長奈米碳管陣列之裝置，其中，該第一金屬板與第二金屬板之中心連線通過該基底之中心。
3. 如申請專利範圍第1項所述之定向生長奈米碳管陣列之裝置，其中，該第一金屬板與該第二金屬板之材質為金、銅、鉑、鈀、鐵、鈷及鎳等之一或幾種之合金。
4. 如申請專利範圍第1項所述之定向生長奈米碳管陣列之裝置，其中，進一步包括一防護裝置，該第一金屬板設於其內部。
5. 如申請專利範圍第1項所述之定向生長奈米碳管陣列之裝置，其中，進一步包括另一防護裝置，該第二金屬板設於其內部。
6. 如申請專利範圍第4項或第5項所述之定向生長奈米碳管陣列之裝置，其中，該防護裝置為石英管。
7. 如申請專利範圍第1項所述之定向生長奈米碳管陣列之裝置，其中，進一步包括一溫度控制系統，其設置於該反應室之內壁或外壁。
8. 一種定向生長奈米碳管陣列之方法，其包括如下步驟：將催化劑形成於基底上；將該基底設置於第一金屬板與第二金屬板之間並與該第一金屬板及該第二金屬板相間隔，且該基底形成催化劑之表面與該第二金屬板相對；接通所述直流電源，使該第一金屬板與第二金屬板之間產生電場；加熱反應室；及通入碳源氣，反應生成定向奈米碳管陣列。
9. 如申請專利範圍第8項所述之定向生長奈米碳管陣列之方法，其中，所述之催化劑為鐵、鈷、鎳、鉬、釩、氧化鐵、氧化鎳及氧化鈷等之一或幾種組合。
10. 如申請專利範圍第8項所述之定向生長奈米碳管陣列之方法，其中，所述之直流電源，其電源電壓為500伏特以下。
11. 如申請專利範圍第8項所述之定向生長奈米碳管陣列之方法，其中，所述之碳源氣為甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、甲烷、乙烯、乙炔、丙烯、丙二烯及一氧化碳等之一或幾種混合物。
12. 如申請專利範圍第8項所述之定向生長奈米碳管陣列之方法，其中，進一步包括一防護裝置，該第一金屬板設於其內部。
13. 如申請專利範圍第8項所述之定向生長奈米碳管陣列之方法，其中，進一步包括另一防護裝置，該第二金屬板設於其內部。
14. 如申請專利範圍第12項或第13項所述之定向生長奈米碳 管陣列之方法，其中，該防護裝置為石英管。