TWI498274B - 由高長寬比分子構體構成之構造體及其製法 - Google Patents

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Description

由高長寬比分子構體構成之構造體及其製法
本發明係關於膜沉積技術，尤其是包含高長寬比分子構體之膜構造體。
碳奈米管(CNT)在電、光、熱量及力學上具有獨特之特性，因此能成為許多應用上之適當材料。在該等應用上使用碳奈米管存在一個問題，就是使用先前技術製造及處理包含碳奈米管，或其他高寬比分子(HARM)構體，例如碳奈米芽(具有富勒烯(fullerene)分子共價結合於碳奈米管側之分子)、纖維素、奈米線(nanowires)、奈米桿(nanorods)等等之自撐膜是極具挑戰性的。HARM構體之自撐膜在各式之電氣及機械裝置是必需的，以減少該HARM構體之膜(或網絡)所附著之固體基板對該裝置操作所造成之不良效應。
一包含碳奈米管之自撐膜之習知製造方法是於基板上垂直植生碳奈米管成“樹林”狀，然後於該基板面拉拔成碳奈米管膜，致使獨立之CNT彼此聯結形成結實之自撐奈米管薄片，其被稱為巴克紙(buckypaper)。該製造方法之範例揭示於科學刊物“碳，45卷(2007)，2880-2888頁”。另一巴克紙之製造技術通常稱作“骨牌推動形成(domino pushing formation)”，其以一非常薄之微孔薄膜置於碳奈米管排列之上，然後將鐵圓筒緩慢滾過該樣品。如此將所有之碳奈米管沿同一方向推倒而於該薄膜與矽基板之間呈平坦狀。其次，將該薄膜及該巴克紙剝離該矽基板，接著去除該薄膜而得到高度排列一致之自撐巴克紙(奈米技術 19(2008)075609，1-6頁)。
該自撐巴克紙薄片之缺點在於該等奈米管於薄片上排列一致，其將限制該巴克紙材料應用於不同之電氣裝置或其他應用上。此外，由於巴克紙骨牌推動或拉拔形成方式，以現有之合成製造法欲合成非常薄、非常透明及非常均勻之巴克紙層面是非常不容易的；而且單壁碳奈米管之自撐巴克紙之製造仍是挑戰性之工作。
本發明之目的在於提供包含高長寬比分子構體之新構造體及製造該等構造體之方法以改進前述先前技術之問題。
依據本發明之產品將揭示於申請專利範圍獨立項第1項。
依據本發明之方法將揭示於申請專利範圍獨立項第4項。
依據本發明之使用將揭示於申請專利範圍獨立項第10項。
依據本發明之構造體包含高長寬比分子構體(HARM-構體)，其中包括一主要HARM-構體之實質平面網絡及一支撐該網絡之支撐物。該支撐有一開口，而該開口周圍是該網絡與該支撐相接觸，如此使得網絡之中間部分沒有被該支撐物所支撐。該網絡包含實質任意方向之HARM-構體。
依據本發明製造包含高長寬比分子構體之構造體之方法之步驟包括：-將高長寬比分子構體放置於第一級基板之上以形成高長寬比分子構體之實質平面網絡；-將置放於該第一級基板上之該網絡放置於與該支撐相接觸，該支撐具有開口於其中； -將該網絡轉移至該支撐上，使得該網絡與該支撐接觸於該支撐開口之圓周區域，而該網絡之中間部分則沒有被該支撐所支撐；-將該第一級基板與該網絡分開；該平面網絡包含任意方向之高長寬比分子構體。
依據本發明之構造體用於選自雷射或光脈波整形器中的光學元件、音效擴音器、空氣微粒過濾器、氣體過濾器、壓力感應器、流動感應器、微粒感應器、氣體感應器、電磁接收器及天線的裝置中。
依據本發明之結構體在雷射或光脈波整形器內可消除由基板對裝置操作所產生之負面效應。該負面效應可例如為該基板之表面產生之光學吸收或光學反射。該結構體也可移除可能由該基板導致之熱傳送限制，該限制會降低HARM-網絡在光學裝置內之飽和吸收器之效能。
在機械過濾裝置中，例如微粒或氣體過濾器，本發明可提供良好功能。濾網，亦即HARM-構體之網絡，在其合成過程可功能性地將例如抗菌功能加入該高長寬比分子內。該濾網也可容易地被加熱，例如阻尼式地，以清潔及/或消毒該濾網於過濾程序之後。在擴音器中，依據本發明之結構體能促使回應時間快速，因此寬頻操作得到改良之熱消耗結果。
在感應器中，依據本發明之HARM-構體之網絡可提供大的感應面積及良好感應力之快速感應表面作為感應器之感應部件。
本發明之構造體及方法提供之HARM-構體之網絡是部分地被支撐於平面網絡之周邊，而在中央部份並未獲支撐(亦即獨立 自撐)。該HARM-網絡(HARM-構體之網絡)以結構觀點可視為“半自撐式”。
該“半自撐式”網絡及相關製造方法可提供若干優點。該“半自撐式”網絡可容易地在支撐上被處理及/或儲放。該製造方法及該“半自撐式”結構可適用於非常薄及非常透明之包含有HARM-構體材料之網絡。該“半自撐式”網絡也易於使網絡結合其他不同之裝置結構。實現製造本發明結構之方法可例如適當地選擇其支撐及第一級基板，使得該支撐之表面能量高於該第一級基板之表面能量。如此可造成該網絡離開該第一級基板至該支撐之淨吸引力。
在本發明一實施例中，網絡包含任意方向之HARM-構體。本發明之方法能夠製造“半自撐式”之HARM-構體之網絡，其中單一高長寬比分子，例如CNT或甚至單壁CNT，可為任意方向。此點相對於例如巴克紙，其CNT基本上是同方向的。任意方向之單一分子對於HARM-構體網絡之特性可具有許多優點。該等優點包括但不受限於高電及熱傳導性，等向性電及熱傳導性，良好動力穩定性及耐久性，於厚度及孔隙度方面具高均質性，大表面積及化學反應度，良好之固體、熱、電、光及流體動力等向性，以及上述各特性之良好控制性。
在本發明一實施例中，該支撐為一滑片(slide)，其中央部份有一圓孔。該支撐之形狀適用於HARM網絡從第一級基板至支撐之簡單移轉。此外，該形狀之製作也可簡易地例如藉移除聚合物或玻璃滑片薄片之中央部份而形成。
在本發明另一實施例中，該網絡包括從碳奈米管分子及碳奈 米芽分子群中挑選任意方向之HARM構體。由於高禨械強度，CNT添增自身製作本發明之“半自撐式”網絡之能力。CNT網絡也有許多特性使得自身特別適用於多方面之應用，例如製造技術、電子學、光學、過濾、淨化、聲學、材料工程、甚至生物工程。該等特性包括：高長寬比、直徑小、高禨械強度、及高熱及電傳導性。
在本發明一實施例中，使第一級基板上之網絡臨近具有開口之支撐之步驟包括沉積網絡於臨近該支撐之第一級基板上。
在本發明一實施例中，本發明之方法包括放置該支撐上網絡進入氣流中之步驟，如此氣流可被引導通過該網絡及通過該支撐之開口，以修改該網絡。根據本發明之部份(或“半”)自撐式結構有助於氣相(gas-phase)處理及修改，因為在支撐上之該網絡可置放於氣流中，因而行進氣體可輕易地被引導通過該網絡及通過該支撐中之開口。
在本發明另一實施例中，本發明之方法包括放置液體於支撐上之網絡，使該液體完全覆蓋該網絡。如此可使用於例如修改或改進該網絡之機械、光、熱、或電特性。
在本發明另一實施例中，該液體是種溶劑，其含有溶質溶解於其中。
在本發明又一實施例中，本發明之方法包括步驟：-將安置於支撐上之網絡與第三級基板接觸，其中該第三級基板之表面能量低於第一級基板之表面能量，然後-將該網絡由該支撐移送至該第三級基板。
上述本發明實施例可以任何組合方式應用。數個實施例可併 以形成另一實施例。與本發明相關產品、方法或使用可包含至少一上述實施例。
第1a至1d圖係說明一系列依據本發明實施例之產品製作程序。各圖式之左側圖係與第一級基板1平面之垂直縱剖視圖。各圖式之右側圖係構體之頂視平面圖。該相應方法之流程圖顯示於第4圖。
在第1a及1b圖中，任意方向CNT之網絡2(在本圖式及以下本發明實施例中，該網絡2也可考慮包括CNT外之HARM構體)沉積於第一級基板1(第4圖之步驟S1)。在第1c圖中，具有圓形開口(圓孔)5在中央之滑片狀平面支撐3貼近該CNT網絡2及緊壓在一起(第4圖之步驟S2及S3)。該網絡2(或開口5)之圓周區域4與支撐3(或網絡2)接觸在一起，該網絡2覆蓋在該滑片狀支撐3內之開口5。最後，在第1d圖中，與該CNT網絡2接觸之第一級基板1被移除(第4圖之步驟S4)。該步驟可藉該網絡2與該支撐3之黏合強過網絡2與該第一級基板1之黏合而達成，此乃由於該支撐3相較於該第一級基板1有較高之表面能量。該第一級基板1及該支撐3之表面能量之差異促使該第一級基板1容易地從該構體中移除而不會有撕扯該網絡2之顧慮。此外，由靜電力致使之引力、向心力、黏合力或阻力可用以將該網絡2由該第一級基板1吸引至該支撐3。
第2a至2c圖係說明一系列依據本發明實施例之產品製作程序。各圖式之左側圖係與第一級基板1平面成垂直之縱剖視圖。各圖式之右側圖係構體之頂視平面圖。
在第2a及2b圖中，任意方向CNT之網絡2沉積於第一級基板1。在此實施例中，該第一級基板1於沉積之前係緊鄰或緊貼該支撐3。網絡2沉積於該第一級基板1並進入該支撐3之開口內。此可藉選擇性沉積程序達成，或於沉積後，使用通用成型技術使網絡2成型。網絡2之選擇性沉積係以適當地選擇支撐3及第一級基板1之材料而達成。第一級基板1之材料可例如是多孔材料，其允許氣體流通，然而支撐3則可選擇無孔之材料。包含CNT之網絡2則可選擇性地藉引導包含CNT之氣流由氣相通過該多孔之第一級基板1而沉積進入開口5，然而CNT之沉積則不會發生在該無孔之支撐上，因為CNT分子祇會流經過該支撐。在此實施例中，該網絡2(或開口5)之圓周區域4與該支撐3(或網絡2)接觸，且該網絡2黏附於構成開口5之圓周區域4之垂直側壁(見第2b或2c圖)。因此該網絡2覆蓋在支撐3內之開口5。為得到第2c圖之半自撐式網絡2，第一級基板1最終可輕易地自構體中移除。此可藉由網絡2對支撐3之黏合力高於對第一級基板1之黏合力而達成，此乃由於該支撐3相較於該第一級基板1有較高之表面能量。
該部分(半)自撐式薄膜可進一步以液態或蒸汽形式之乙醇之稠化作用做進一步修改。該半自撐式薄膜也可使用化學處理產生作用，例如以液態或蒸汽狀之硝酸，或者藉微粒(例如奈米微粒)之沉積進入網絡2，或藉CVD、ALD或濺鍍(sputtering)技術使薄膜沉積於該網絡2之上。該修改實施方式可例如於氣流中將該網絡2置放於該支撐3之上，然後引導處理之氣體通過該網絡2及通過在該支撐3內之開口5。
上述之修改(處理)可用於例如改變網絡2之吸收效力、透明性、反光率、熱或電導性、機械強度、延展性或彈性、或化學活性。適當處理之半自撐式薄膜可用於例如雷射或光脈波整形器之光學元件、獨立式熱音效擴音器、浮微粒或氣體過濾器、壓力、流體、微粒或氣體之感應器、接收器或天線。
此外，半自撐式薄膜構體可用以在第三級基板6上製造沉積，該層板6具有困難直接沉積之表面。該表面可能例如為低表面能量(例如比第一級基板1還低)，或粗糙之表面型態。在這些表面之沉積之方式首先是產生一半自撐式構體，然後放置該網絡2於鄰近該層板6，使得該薄膜可為該層板6所吸引。
在實行時，網絡2可轉移至具有低表面能量之第3層板6，其乃藉針對第三級基板6按壓於支撐3之該網絡2，然後切離該網絡2覆蓋該支撐3之開口5之單獨區域。第3a至3c圖一系列示意圖說明上述於層板6沉積之程序。第3a及3b圖顯示程序中層狀構體之垂直縱斷面，及第3c圖顯示最終產品之上視圖。第3b圖說明在移轉該網絡2於該第三級基板6之前，如何切割該網絡2。該網絡2之切割可簡易地藉該支撐3之開口5來實施。在移轉後，該網絡2之一或多區域可遺留在該支撐3上。
該部分(半)自撐式構體特別適用於氣相處理及修改，因為於支撐3上之網絡2可置放於氣流中，且處理中之氣體可簡易地被引導通過該網絡2及通過該支撐3之開口5。此方法可例如用於沉積第2物質，例如以異相成核(凝結)或機械過濾，於該網絡2之上或之內。此類技術也可例如使用於製作複合網絡2，其包含例如奈米微粒及HARM構體。在此情況，該奈米微粒可從被引 導通過網絡2之氣體中過濾。在網絡2中之該奈米微粒可增加該網絡2之傳導性。電阻加熱可以進一步調整該網絡2。
實施例
SWCNT(單壁碳奈米管)係合成於氣霧層流(流動觸媒)反應器，其使用一氧化碳及二茂鐵(ferrocene)分別作為碳源及觸媒前驅物。碳奈米管膜(SWCNT mats)則直接收集自經由2.45cm直徑之硝化纖維(或銀)盤過濾器(美國米里波爾公司，Millpore,USA)過濾該反應器之氣相下游。在以下實施例中，該過濾器承擔第一級基板1之角色，然而依據本發明，其他獲取纖維狀之網絡2手段也是可行的。該SWCNT之合成步驟可例如參考專利申請公告WO 2005/085130。
該過濾器(第一級基板1)表面之沉積溫度之測量微45℃。SWCNT之網絡2之厚度是由沉積時間來控制，其時間可能依其要求之網絡厚度而由數分鐘改變至數小時。在該過濾器1所蒐集之沉積是任意方向之SWCNT之網絡2。
隨後，物理壓縮被使用於傳送網絡2至一支撐3。壓縮可例如應用兩個平行板，其中包含該網絡2之第一級基板1及該支撐3被放置於該平行板之間。該第一級基板1經調整，使得該網絡2(或該開口5)之圓周區域4與該支撐3(或該網絡2)接觸，且當該網絡2被壓縮於該第一級基板1與該支撐3之間，該網絡2之中間部分覆蓋在該支撐3之開口5。
該SWCNT網絡2可轉移至聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)聚合膜支撐3之上，該膜中央具有一開口5。選用該材料之原因在於其有適當彈性及表面能量。
為了CNT網絡2轉移及結合至該PET聚合膜支撐3之上，該HARM構體(在本例即CNT)首先沉積於第一級基板1。經壓縮後，與該CNT網絡2接觸之第一級基板1被移除。
依據本發明進一步處理時，可藉插入物質(例如乙醇)而使該CNT網絡2密實化於該第一級基板1或該支撐3之上。
在上述實例中，該過濾器作為該第一級基板1、該PET膜作為該支撐3、及凡得瓦力(Van der Waals Force)相互附黏之差異(及表面能量差異)被使用於將該網絡2由第一級基板1移轉至該支撐3之圓周區域4且覆蓋在該支撐3之開口5之上。藉乙醇來密實則被用以修改該SWCNT網絡2。
具有開口5於中央部份之PET膜支撐3被置放於一平坦表面。然後，包覆CNT網絡2之該第一級基板1則被放置於緊鄰該PET膜支撐3處，接著施加一力量，使網絡2對著該支撐3於該網絡2(或該開口5)之圓周區域4緊壓5-10秒。將該第一級基板1從CNT網絡2處移除後，該CNT網絡2異常堅實地緊附於該PET膜支撐3之開口5之上而成為半自撐式膜。
本發明不受限於上述實施例，而可在本發明申請範圍內任意更改。
1‧‧‧第一級基板
2‧‧‧網絡
3‧‧‧支撐
4‧‧‧圓周區域
5‧‧‧開口
6‧‧‧第三級基板
第1a圖，示意圖系列1a-1d之第1圖，其說明依據本發明實施例之產品之製造。
第1b圖，示意圖系列1a-1d之第2圖，其說明依據本發明實施例之產品之製造。
第1c圖，示意圖系列1a-1d之第3圖，其說明依據本發明實施例之產品之製造。
第1d圖，示意圖系列1a-1d之第4圖，其說明依據本發明實施例之產品之製造。
第2a圖，示意圖系列2a-2c之第1圖，其說明依據本發明實施例之產品之製造。
第2b圖，示意圖系列2a-2c之第2圖，其說明依據本發明實施例之產品之製造。
第2c圖，示意圖系列2a-2c之第3圖，其說明依據本發明實施例之產品之製造。
第3a圖，示意圖系列3a-3c之第1圖，其說明依據本發明實施例之產品之製造。
第3b圖，示意圖系列3a-3c之第2圖，其說明依據本發明實施例之產品之製造。
第3c圖，示意圖系列3a-3c之第3圖，其說明依據本發明實施例之產品之製造。
第4圖，依據本發明實施例之方法之示意圖。
2‧‧‧網絡
3‧‧‧支撐
4‧‧‧圓周區域
5‧‧‧開口

Claims (10)

  1. 一種包括高長寬比分子構體(HARM-構體)之構造體，其中，該構造體包含有HARM-構體之實質平面網絡(2)及與該網絡(2)接觸之支撐(3)，其特徵在於該支撐(3)具有一開口(5)在其中，而該網絡(2)與該支撐(3)在該開口(5)之圓周區域(4)相接觸，使得該網絡(2)之中央部份並不為該支撐(3)所支撐，並且該網絡(2)包含實質任意方向之HARM-構體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之構造體，其中，該支撐(3)之特徵係一實質平面滑片，其中，該開口(5)是位於該滑片的中央部分之圓孔。
  3. 如申請專利範圍第1至2項所述之任一構造體，其中，該網絡(2)包括選擇自碳奈米管分子及碳奈米芽分子群組之實質任意方向之HARM-構體。
  4. 一種製造包含高長寬比分子構體(HARM-構體)之構造體之方法，其特徵在於，該方法包括下列步驟：藉沉積HARM-構體於第一級基板(1)以在該第一級基板(1)上製造任意方向之HARM-構體之實質平面網絡(2)，將該第一級基板(1)上之該網絡(2)放置於接近具有開口(5)於其中之支撐(3)，將該網絡(2)移轉至該支撐(3)之上，使得該網絡(2)與該支撐(3)在該支撐中的該開口(4)之圓周區域相接觸，且 該網絡(2)之中央部分並不為該支撐(3)所支撐，以及將該第一級基板(1)自該網絡(2)移除。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中將該第一級基板(1)上之網絡(2)放置於接近具有開口(5)於其中之支撐(3)之步驟包括沉積第一級基板(1)上接近該支撐(3)之該網絡(2)。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中，該方法包括下列步驟：將該支撐(3)上之該網絡(2)放置於氣體流中，使得該氣體被導引通過該網絡(2)及通過該支撐(3)中之該開口(5)，以修改該網絡(2)。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中，該方法包括下列步驟：將液體放置於該支撐(3)上之該網絡(2)上，使得該液體充分覆蓋該網絡(2)。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，該液體是溶質溶解於其中之溶劑。
  9. 如申請專利範圍第4至8項中任一項所述之方法，其中，該方法包括下列步驟：將位於該支撐(3)上之該網絡(2)與第三級基板(6)相接觸，該第三級基板(6)之表面能量低於該第一級基板(1)之表面能量，及 將該網絡(2)從該支撐(3)移轉至該第三級基板(6)。
  10. 將申請專利範圍第1項所述之構造體使用於選自雷射或光脈波整形器中的光學元件、音效擴音器、空氣微粒過濾器、氣體過濾器、壓力感應器、流動感應器、微粒感應器、氣體感應器、電磁接收器及天線的裝置中。
TW099102211A 2009-01-28 2010-01-27 由高長寬比分子構體構成之構造體及其製法 TWI498274B (zh)

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