TWI585033B - 奈米粒子製造系統 - Google Patents
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Description
本發明係關於奈米粒子之技術領域，尤指一種奈米粒子製造系統。
奈米粒子係由幾十個到幾百個原子所組成固體微細顆粒，一般是指粒徑介於1nm至100nm之間的超微顆粒，具有非常特別的物理特性與化學特性。在化學領域中，利用奈米技術所製成的催化劑顯現出極高的催化效率；在電子領域中，奈米級金屬導線被製成金屬網格(metal mesh)而應用於觸控面板之中。另外，鋁與鉛等特殊金屬係能夠以奈米技術製成超導體。由此可知，奈米技術與奈米材料已然廣泛地應用在化學、材料、光電、生物、與醫藥等領域之中。
有鑑於奈米材料具有廣泛的應用，科學家係積極地嘗試研發各種製造奈米顆粒或奈米單元之方法。金屬奈米粒子之製備可分成雷射消熔法(laser ablation method)、金屬氣相合成法(metal vapor synthesis method)、以及化學還
原法(chemical reduction method)；其中，雷射消熔法為常見的一種奈米顆粒或奈米單元之製造方法。
請參閱第一圖，係習知的雷射消熔設備的架構圖。如第一圖所示，習知的雷射消熔設備1’係包括：一雷射源10’、一基板11’、一聚焦透鏡12’、一消熔腔體13’、一第一混合腔體14’、一第一幫浦15’、一第二混合腔體14a’、以及一第二幫浦15a’。其中，該基板11’係設置於該消熔腔體13’的底部，且其上係放置有一靶材2’，例如一金屬塊。
承上述說明，雷射源10’所發射之一雷射光係經由聚焦透鏡12’所聚焦，接著該雷射光係通過設置於消熔腔體13’頂部之一透明窗130’而射向放置於消熔腔體13’底部之該靶材2’。受到功率控制在90mJ/pulse之雷射光的照射，靶材2’之上會發生金屬消熔現象，使得，一高密度金屬原子雲團在靶材2’之上生成；進一步地，藉由充於該消熔腔體13’之中的界面活性溶液3’之作用(例如：sodium dodecyl sulfate，簡稱SDS)，複數金屬奈米粒子即生成於該消熔腔體13’之中。
如第一圖所示，所生成之金屬奈米粒子係經由第一收集管路131’與第二收集管路131a’而分別運送至第一混合腔體14’與第二混合腔體14a’。其中，第一幫浦15’係透過第一溶液輸入管路151’輸入一第一高分子溶液進入該第一混合腔體14’之中，且第二幫浦15a’係透過第二溶液輸
入管路151a’輸入一第二高分子溶液(或該第一高分子溶液)進入該第二混合腔體14a’之中。如此，複數金屬奈米粒子與第一高分子溶液便能夠於第一混合腔體14’之中混合成一第一奈米高分子溶液，且該複數金屬奈米粒子與第二高分子溶液係於第二混合腔體14a’之中混合成一第二奈米高分子溶液。最終，所述第一奈米高分子溶液及第二奈米高分子溶液係經由一第一輸出管路141’與一第二輸出管路141a’而分別被運送至後端之一第一成品加工區(first product process stage)與一第二後製加工區(second product process stage)，進以經由後製加工而成為一第一複合奈米單元與一第二複合奈米單元。
第一圖所述之雷射消熔設備1’雖然為已廣泛地應用於製作各種複合奈米產品，然，所述雷射消熔設備1’仍具有以下主要之缺點：
(1)於該雷射消熔設備1’之中，係必須將雷射光之功率精準控制在90mJ/pulse，才能夠於靶材2’之上產生金屬消熔現象。可想而知，應用於該雷射消熔設備1’之中的雷射源10’必須為一高功率、高精準度之雷射產生裝置，其購置成本勢必相當高。
(2)此外，該雷射消熔設備1’係使用聚焦透鏡12’將雷射光聚焦至靶材2’之上藉以透過雷射光的高能量而於靶材2’上引發金屬消熔現象；然而，基於靶材2’(即，金屬
塊材)之表面可能凹凸不平之故，由金屬消熔現象所生成之複數金屬奈米粒子之間可能會缺乏粒徑之均一性。
(3)承上述第1點，由於該消熔腔體13’之中係充有界面活性溶液3’，故當雷射光射入該消熔腔體13’內部時，部分的雷射光可能受到界面活性溶液3’之影響而產生例如反射與折射等光學效應，導致雷射光之入射率的下降，進而造成設備之使用成本的增加。
因此，有鑑於習知的雷射消熔設備1’係於實務應用上顯現諸多缺陷，本案之發明人極力加以研究發明，終於研發完成本發明之一種奈米粒子製造系統。
本發明之主要目的，在於提供不同於習知的奈米粒子製造設備的一種奈米粒子製造系統；此奈米粒子製造系統係使用光導管將雷射源所提供的雷射光直接引導至位於消熔腔體內的靶材之表面，藉此方式避免雷射光可能受到消熔腔體內冷卻液體之影響而產生例如反射與折射等光學效應。此外，於本發明所提供的奈米粒子製造系統之中，係將光導管之一光導出端與該靶材之間的距離控制在一特定距離(<5mm)；如此設計即使雷射源所提供的雷射光為一低功率(<30mJ/pulse)的雷射光，該雷射光亦能夠藉由雷射消熔將所述靶材製成複數奈米粒子。
因此，為了達成本發明之主要目的，本案之發明人提出一種奈米粒子製造系統，係包括：一消熔腔體，其頂部設有一透明窗；一基板，係設於該消熔腔體之中，用以置放一靶材；一冷卻液體輸入裝置，係透過一冷卻液體輸送管而連接於該消熔腔體，用以輸入一冷卻液體於該消熔腔體之中；其中，該冷卻液體之一液面高度與該透明窗之一設置高度之間係相距一第一距離；並且，該液面高度與該靶材之表面之間係相距一第二距離；一雷射源，係提供一雷射光；至少一光導管，係具有一光導入端與一光導出端；其中，該光導入端係連接於該雷射源，且該光導出端係延伸進入該消熔腔體內部，使得該光導出端與該靶材之表面之間相距一第三距離；其中，當所述之雷射光經該至少一光導管被導入該消熔腔體之內部並射向該靶材之後，該靶材會被該雷射光消熔成為複數個奈米粒子。
1‧‧‧奈米粒子製造系統
11‧‧‧消熔腔體
12‧‧‧基板
13‧‧‧冷卻液體輸入裝置
14‧‧‧雷射源
15‧‧‧光導管
1A‧‧‧靶材遞送裝置
1B‧‧‧液面控制裝置
1C‧‧‧低壓均質裝置
111‧‧‧透明窗
2‧‧‧靶材
131‧‧‧冷卻液體輸送管
d1‧‧‧第一距離
d2‧‧‧第二距離
d3‧‧‧第三距離
151‧‧‧光導入端
152‧‧‧光導出端
16‧‧‧初級混合裝置
17‧‧‧高分子材料輸入裝置
18‧‧‧次級混合裝置
19‧‧‧奈米單元成形裝置
1D‧‧‧第一高壓均質裝置
1E‧‧‧第二高壓均質裝置
112‧‧‧奈米粒子輸送管
171‧‧‧高分子材料輸送管
161‧‧‧第一混合溶液輸送管
181‧‧‧第二混合溶液輸送管第一混合
132‧‧‧第一流速控制閥
172‧‧‧第二流速控制閥
1R‧‧‧造粉裝置
1’‧‧‧雷射消熔設備
10’‧‧‧雷射源
11’‧‧‧基板
12’‧‧‧聚焦透鏡
13’‧‧‧消熔腔體
14’‧‧‧第一混合腔體
15’‧‧‧第一幫浦
14a’‧‧‧第二混合腔體
15a’‧‧‧第二幫浦
2’‧‧‧靶材
130’‧‧‧透明窗
3’‧‧‧界面活性溶液
131’‧‧‧第一收集管路
131a’‧‧‧第二收集管路
151’‧‧‧第一溶液輸入管路
151a’‧‧‧第二溶液輸入管路
141’‧‧‧第一輸出管路
141a’‧‧‧第二輸出管路
第一圖係習知的雷射消熔設備的架構圖；
第二圖係本發明之一種奈米粒子製造系統的示意性架構圖；第三圖係消熔腔體、光導管與低壓均質裝置的示意性連接架構圖；第四圖係一奈米單元製造系統的第一示意性架構圖；以及第五圖係奈米單元製造系統的第二示意性架構圖。
為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種奈米粒子製造系統，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。
請參閱第二圖，為本發明之一種奈米粒子製造系統的示意性架構圖。如第二圖所示，該奈米粒子製造系統1係包括：一消熔腔體11、一基板12、一冷卻液體輸入裝置13、一雷射源14、至少一光導管15、一靶材遞送裝置1A、一液面控制裝置1B、一低壓均質裝置1C、以及一恆溫系統(未圖示)。其中，該消熔腔體11係由聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene,PTFE)所製成，且其頂部設有一透明窗111。
繼續地參閱第二圖，並請同時參閱第三圖，係消熔腔體、光導管與低壓均質裝置的示意性連接架構圖。如圖所示，該基板12係設於該消熔腔體11內以供置放一靶材
2。於操作上，作業人員可操作連接於該消熔腔體11之靶材遞送裝置1A，進而將該靶材2送進該消熔腔體11之中。於本發明中，所述靶材2為一惰性金屬靶材且基板12之材質係相同於該靶材2之材質。另，該冷卻液體輸入裝置13係透過一冷卻液體輸送管131而連接於該消熔腔體11，用以輸入一冷卻液體於該消熔腔體11之中；其中，所述的冷卻液體可以是有機相冷凝液或者水相冷凝液。必須特別指出的是，冷卻液體之一液面高度與該透明窗111之一設置高度之間係相距一第一距離d1(<5mm)，且該液面高度與該靶材2之表面之間係相距一第二距離d2(<5cm)。其中，連接於該消熔腔體11之該液面控制裝置1B係藉由充入/抽出該冷卻液體之方式，進而將該液面高度與該設置高度之間的距離控制在所述的第一距離d1。
該雷射源14係透過至少一光導管15以提供一雷射光至該靶材2之表面。如第二圖與第三圖所示，該光導管15可以是一光纖或一石英玻璃柱，係具有一光導入端151與一光導出端152；其中，該光導入端151係連接於該雷射源，且該光導出端152係延伸進入該消熔腔體11內部，使得該光導出端152與該靶材2之表面之間相距一第三距離d3(<5mm)。進一步地，當所述之雷射光經該至少一光導管15被導入該消熔腔體11之內部並射向該靶材2之後，該靶材2會被該雷射光消熔成為複數個奈米粒子。於
此，必須補充說明的是，由於基板12之材質係相同於靶材2之材質，因此，即使雷射光射穿靶材2，射穿靶材2之雷射光會進一步地射向基板12。如此設計，係可防止射穿靶材2之雷射光直接射向消熔腔體11的內壁面而導致不必要的汙染物之產生。
本發明之奈米粒子製造系統1還包括有一低壓均質裝置1C與一恆溫系統(未圖示)；其中，該低壓均質裝置1C係連接於該消熔腔體11，用以循環該消熔腔體11之內的該冷卻液體，以加速該複數奈米粒子生成於該冷卻液體之中。另，該恆溫系統，係連接於該消熔腔體11，用以維持該冷卻液體之溫度。
由上述說明可以得知第一圖與第二圖所示之奈米粒子製造系統1係為一消熔雷射設備，用以將一惰性金屬把材製成複數奈米粒子。進一步地，第一圖所示之奈米粒子製造系統1可配合其它加工設備而成為一奈米單元製造系統。請參閱第四圖，為一奈米單元製造系統的第一示意性架構圖。如第四圖所示，所述奈米單元製造系統除了包括第一圖所示之奈米粒子製造系統1以外，係更包括：一初級混合裝置16、一高分子材料輸入裝置17、一次級混合裝置18、一奈米單元成形裝置19、一第一高壓均質裝置1D、以及一第二高壓均質裝置1E。
承上述，該初級混合裝置16係透過一奈米粒子輸
送管112而連接於該消熔腔體11，且該高分子材料輸入裝置17係透過一高分子材料輸送管171而連接於該初級混合裝置16。如此設置，該複數個奈米粒子可通過該奈米粒子輸送管112自該消熔腔體11被輸送至該初級混合裝置，同時該高分子材料輸入裝置17通過該透過高分子材料輸送管171輸入一高分子溶液至該初級混合裝置16之中，使得該複數個奈米粒子與該高分子溶液於該初級混合裝置之中混合成為一初級混合溶液。於此，必須補充說明的是，所述高分子溶液可以是一有機相高分子溶液或者一水相高分子溶液。
該次級混合裝置18係透過一第一混合溶液輸送管161而連接於該初級混合裝置16，且該奈米單元成形裝置19係透過一第二混合溶液輸送管181而連接於該次級混合裝置18。如此設置，該初級混合溶液係由初級混合裝置16被輸入該次級混合裝置18，以藉該次級混合裝置18所執行之一再混合製程將該初級混合溶液混合成為一奈米/高分子混合溶液。進一步地，該奈米/高分子混合溶液係自該次級混合裝置18輸出自該奈米單元成形裝置19，並於該奈米單元成形裝置19之中成形為一複合奈米單元。必須補充說明的是，於本發明中，該消熔腔體11、該初級混合裝置16、該次級混合裝置18、與該奈米單元成形裝置19之內部皆被設置為一真空環境。
另外，為了控制冷卻液體以及高分子溶液之輸入流速，該奈米單元製造系統係分別加裝了一第一流速控制閥132與一第二流速控制閥172於該冷卻液體輸送管131與該高分子材料輸送管171之上。再者，所述第一高壓均質裝置1D係連接於該初級混合裝置16以加速該複數奈米粒子與該高分子溶液之混合，同時，所述第二高壓均質裝置1E係連接於該次級混合裝置18以加速該再混合製程之完成。
雖然第四圖揭示一奈米單元之製造系統可由第一圖所示之奈米粒子製造系統1、一初級混合裝置16、一高分子材料輸入裝置17、一次級混合裝置18、一奈米單元成形裝置19、一第一高壓均質裝置1D、以及一第二高壓均質裝置1E所構成；然而，不應以此限制所述之奈米單元製造系統的實施態樣。請參閱第五圖，係奈米單元製造系統的第二示意性架構圖。如第五圖所示，所述奈米單元製造系統除了包括第一圖所示之奈米粒子製造系統1以外，係更包括：一造粉裝置1R以及所述高分子材料輸入裝置17。其中，該造粉裝置1R係透過所述奈米粒子輸送管112而連接於該消熔腔體11，使得該複數個奈米粒子可自該消熔腔體11被輸送至該造粉裝置1R之中。並且，該高分子材料輸入裝置17係透過所述高分子材料輸送管171而連接於該造粉裝置1R，用以輸入一高分子溶液至該
造粉裝置1R之中；如此，該複數個奈米粒子與該高分子溶液便能夠於該造粉裝置1R之中被製成一粉狀奈米單元。
如此，上述說明係已完整、且清楚地說明本發明之奈米粒子製造系統的構件與技術特徵；並且，經由上述可以得知本發明之奈米粒子製造系統係具有以下之優點：
(1)不同於習知的奈米粒子製造設備，本發明之奈米粒子製造系統係使用光導管15將雷射源所提供的雷射光直接引導至位於消熔腔體11內的靶材2之表面，藉此方式避免雷射光可能受到消熔腔體11內冷卻液體之影響而產生例如反射與折射等光學效應。
(2)此外，於本發明之中，係將光導管15之一光導出端152與該靶材2之間的距離控制在一特定距離(<5mm)；如此設計，即使雷射源所提供的雷射光為一低功率(<30mJ/pulse)的雷射光，該雷射光亦能夠藉由雷射消熔將所述靶材2製成複數奈米粒子。
(3)進一步地，由於本發明係將光導管15之一光導出端152與該靶材2之間的距離控制在一特定距離(<5mm)，因此，即使靶材2’具有凹凸不平之表面，由雷射光所引發的雷射消熔亦能夠將靶材2加工成為具有粒徑均一性之複數金屬奈米粒子。
必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明
可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1‧‧‧奈米粒子製造系統
11‧‧‧消熔腔體
12‧‧‧基板
13‧‧‧冷卻液體輸入裝置
14‧‧‧雷射源
15‧‧‧光導管
1A‧‧‧靶材遞送裝置
1B‧‧‧液面控制裝置
1C‧‧‧低壓均質裝置
111‧‧‧透明窗
2‧‧‧靶材
131‧‧‧冷卻液體輸送管
132‧‧‧第一流速控制閥
151‧‧‧光導入端
152‧‧‧光導出端
112‧‧‧奈米粒子輸送管
Claims (15)
- 一種奈米粒子製造系統，係包括：一消熔腔體，其頂部設有一透明窗；一基板，係設於該消熔腔體之中，用以置放一靶材；一冷卻液體輸入裝置，係透過一冷卻液體輸送管而連接於該消熔腔體，用以輸入一冷卻液體於該消熔腔體之中；其中，該冷卻液體之一液面高度與該透明窗之一設置高度之間係相距一第一距離；並且，該液面高度與該靶材之表面之間係相距一第二距離；一雷射源，係提供一雷射光；至少一光導管，係具有一光導入端與一光導出端；其中，該光導入端係連接於該雷射源，且該光導出端係延伸進入該消熔腔體內部，使得該光導出端低於該冷卻液體之該液面高度並與該靶材之表面之間相距一第三距離；以及一液面控制裝置，係連接於該消熔腔體，用以偵測該冷卻液體之該液面高度，並藉由充入/抽出該冷卻液體之方式，進而將該液面高度與該設置高度之間的距離控制在所述的第一距離；其中，當所述之雷射光經該至少一光導管被導入該消熔腔體之內部並射向該靶材之後，該靶材會被該雷射光消熔成為複數個奈米粒子。
- 如申請專利範圍第1項所述之奈米粒子製造系統，其中，該冷卻液體可為下列任一者：有機相冷凝液或水相冷凝液。
- 如申請專利範圍第1項所述之奈米粒子製造系統，其中，該消熔腔體係由聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene,PTFE)所製成。
- 如申請專利範圍第1項所述之奈米粒子製造系統，其中，該靶材為一惰性金屬靶材。
- 如申請專利範圍第1項所述之奈米粒子製造系統，其中，該光導管可為下列任一者：光纖或石英玻璃柱。
- 如申請專利範圍第1項所述之奈米粒子製造系統，其中，該第一距離係小於5mm，該第二距離係小於5cm，且該第三距離係小於10cm。
- 如申請專利範圍第1項所述之奈米粒子製造系統，更包括：一靶材遞送裝置，係連接於該消熔腔體，用以將該靶材送進該消熔腔體之內； 一低壓均質裝置，係連接於該消熔腔體，用以循環該消熔腔體之內的該冷卻液體，以加速該複數奈米粒子生成於該冷卻液體之中；以及一恆溫系統(未圖示)，係連接於該消熔腔體，用以維持該冷卻液體之溫度。
- 如申請專利範圍第4項所述之奈米粒子製造系統，其中，該基板之材質係相同於該靶材之材質。
- 如申請專利範圍第7項所述之奈米粒子製造系統，更包括：一造粉裝置，係透過一奈米粒子輸送管而連接於該消熔腔體。
- 如申請專利範圍第7項所述之奈米粒子製造系統，更包括：一初級混合裝置，係透過一奈米粒子輸送管而連接於該消熔腔體；一高分子材料輸入裝置，係透過一高分子材料輸送管而連接於該初級混合裝置，用以輸入一高分子溶液至該初級混合裝置之中，使得該複數個奈米粒子與該高分子溶液於該初級混合裝置之中混合成為一初級混合溶液； 一次級混合裝置，係透過一第一混合溶液輸送管而連接於該初級混合裝置；其中，該初級混合溶液係由初級混合裝置被輸入該次級混合裝置，以藉該次級混合裝置所執行之將該初級混合溶液混合成為一奈米/高分子混合溶液；以及一奈米單元成形裝置，係透過一第二混合溶液輸送管而連接於該次級混合裝置；其中，該奈米/高分子混合溶液係自該次級混合裝置輸出自該奈米單元成形裝置，並於該奈米單元成形裝置之中成形為一複合奈米單元。
- 如申請專利範圍第9項所述之奈米粒子製造系統，更包括：一高分子材料輸入裝置，係透過一高分子材料輸送管而連接於該造粉裝置，用以輸入一高分子溶液至該造粉裝置之中，使得該複數個奈米粒子與該高分子溶液於該造粉裝置之中被製成一粉狀奈米單元。
- 如申請專利範圍第10項所述之奈米粒子製造系統，其中，該高分子溶液可為下列任一者：有機相高分子溶液或水相高分子溶液。
- 如申請專利範圍第10項所述之奈米粒子製造系統，更 包括：一第一高壓均質裝置，係連接於該初級混合裝置，用以加速該複數奈米粒子與該高分子溶液之混合；以及一第二高壓均質裝置，係連接於該次級混合裝置，用以加速該再混合製程之完成。
- 如申請專利範圍第10項所述之奈米粒子製造系統，其中，該消熔腔體、該初級混合裝置、該次級混合裝置、與該奈米單元成形裝置之內部皆被設置為一真空環境。
- 如申請專利範圍第10項所述之奈米粒子製造系統，其中，該冷卻液體輸送管與該高分子材料輸送管之上係分別安裝有一第一流速控制閥與一第二流速控制閥。
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2015
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