WO2015197047A1 - Atomic carbon source - Google Patents
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- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
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- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/24—Vacuum evaporation
- C23C14/243—Crucibles for source material
Definitions
- the invention relates to a simple, stable and clean source for producing carbon atoms.
- the new carbon source can be used in many ways. So can be z. B. form a bundled carbon atom beam with the help of skimmers and diaphragms, which can be used for molecular beam epitaxy. Even without bundling, substrates with carbon atoms can be vaporized over a large area (for example, for the production of diamond-like layers and two-dimensional graphene structures).
- the carbon atoms generated by the proposed source are also suitable for inclusion in helium droplets, for example, to study reactions of single carbon atoms with other species at ultra-low temperatures.
- the methodologically simplest method is based on the evaporation of graphite powder, for example from a crucible (as KR Thompson, RL DeKock and W. Weltner: Spectroscopy of carbon molecules, J. Am. Chem. Soc., 93, 1971, 4688) or graphitic Solid bodies (eg: FM Wachi and DE Gilmartin: High-temperature mass spectrometry - 1. Free vaporization studies of graphites, Carbon 8, 1970, 141) by application of high temperatures. In this case, the heat supply by indirect heating (especially in an oven), by direct ohmic heating or by local
- H. Hahndorf, LCL Huang, YT Lee, HF Bettinger, PV Schleyer, HF Schaefer and PR Schreiner Crossed beam reaction of atomic carbon, C ( 3 P j ), with d 6 -benzene, C 6 D 6 (X'Ai g ): Observation of the per-deutero-1,2-didehydrocycloheptatrienyl radical, C 7 D 5 (XB 2 B 2 ), J. Chem. Phys. 110, 1999, 6091), electrons or other energetic particles.
- the second basic method is based on the use of gaseous precursor or precursor molecules (preferably hydrocarbons, eg, CH 4 ), which are characterized by
- Carbon source can not be used because the Tantalzylinder consumed by the said evaporation of the material and thus the heating is interrupted after a short time.
- the invention has for its object to provide a robust, stable and efficient source for generating as pure as possible and carbon clusters and other
- an atomic carbon source which consists of a
- a heating chamber in communication with this energy source with at least a portion of a thin-walled (wall thickness ⁇ 0.05 mm) and at the operating temperature of the heated heating chamber non-evaporating material,
- the sealed heating chamber is heated with the carbonaceous material therein, e.g. by ohmic or inductive heating, and brought to a temperature of 2000 ° C and more, so that the carbonaceous material in the heating chamber below
- the operating temperature has the function to increase the carbon solubility of the thin-walled portion of the heating chamber, with the result that carbon atoms of penetrate into the material inside and by diffusion to the outer surface of the thin-walled portion reach, from where they evaporate into a vacuum.
- the evaporation rate depends on the vapor pressure of the carbon atoms, the solubility of the carbon atoms in the material, and the diffusion rate through the thin-walled portion of the heating chamber and is thus essentially determined by the temperature and the wall thickness of this subregion.
- the carbon clusters ie C 2 and C 3 molecules present in the interior of the heating chamber can not penetrate as such into the thin-walled subregion of the heating chamber. Instead, they are dissociated on the inner surface of said portion with catalytic assistance so that they are subsequently dissolved as carbon atoms in the material.
- the carbon gas emitted by the thin-walled portion is purely atomic in nature.
- Evaporating constituents contribute to the contamination of emerging in the vacuum from the heating chamber carbon atoms.
- the thinness of the subregion and the proposed heating allow an efficient and pure generation of atomic carbon, i. H. a high yield of carbon atoms emitted from the heating chamber at a comparatively low heating temperature, so that a simultaneous evaporation of the thin-walled portion is prevented.
- the carbon atoms diffusing into the vacuum experience a significantly lower kinetic energy compared to the known prior art, which can be advantageous or even essential for subsequent processes (for example the deposition of the C atoms on substrates or their incorporation into cryogenic matrices or helium droplets) ,
- Fig. 1 the general schematic structure of the atomic carbon source according to the invention is shown.
- An energy source 1 is connected to a heating chamber 2, which has a thin-walled film (about 0.05 mm in thickness) of a material which is carbon-soluble at operating temperature from 2150 ° C. (for example tantalum or tungsten). Inside is a carbonaceous substance 4 (eg.
- the heating chamber 2 is arranged with the power source 1 in a closed (by a chamber, not shown) vacuum 5 and is brought by this (for example, by electrical ohmic or inductive heating) to an operating temperature of 2150 ° C or more.
- the carbonaceous substance 4 is sublimated into a vapor 6 of carbon atoms and clusters. Secondly, at this operating temperature and the specified materials of subsection 3 of the
- Heating chamber 2 carbon atoms from the vapor 6 diffuse through the carbon-soluble portion 3 and evaporate on the outer surface into the surrounding vacuum 5 (symbolized by arrow 7).
- Carbon gas 8 purely atomic nature.
- the portion 3 of the heating chamber 2 thus assumes the function of a membrane which is responsible for carbon atoms, but not for
- Carbon cluster is permeable.
- Subregion 3 of the heating chamber 2 no significant components of the same evaporates into the surrounding vacuum 5, which would contaminate the carbon gas 8.
- FIG. 2 shows an exemplary schematic structure of the atomic carbon source according to the invention, in which the heating chamber 2 with the thin-walled partial region 3 is realized, for example, by a tantalum foil wound to the tube shape (1 ⁇ 4 -fold winding of an approximately 0.05 mm thick tantalum foil) ,
- the tantalum tube 9 is taken with its ends in electrodes 10, 1 1, which for electrical heating of the tantalum tube 9 with a not shown for clarity reasons in the drawing Niederampere current source for generating a by
- Tantalum tube 9 Tantalum tube 9, and there is again the vapor 6, which consists of carbon atoms and clusters.
- the operating temperature has also increased the carbon solubility of the tantalum tube 9, with the result that carbon atoms (as in principle already for
- Part 3 of the heating chamber 2 described in FIG. 1) penetrate from the inside into the wall of the tantalum tube 9 and reach by diffusion on the outer surface, from which they evaporate into the vacuum 5 (again symbolized by
- FIG. 7 Another geometry of the storage container (heating chamber 2 with the portion 3, see Fig. 1) is conceivable, provided that it can be brought by direct or indirect heating to comparable temperatures and if the
- Carbon atoms from the interior of the hermetically sealed container through a thin, take over the function of the tantalum tube membrane can go into vacuum without wall components of the reservoir at operating temperature evaporate to the outside in the vacuum 5 and the resulting carbon gas.
- the carbon clusters (ie C 2 and C 3 molecules) present in the interior of the tantalum tube 9 in the vapor 6 can not penetrate into the wall of the tantalum tube 9 as such (as the said carbon atoms do). Instead, they are dissociated on the inner surface of said wall of the tantalum tube 9 with catalytic support (also not explicitly shown for reasons of clarity), so that they are subsequently dissolved as carbon atoms in the metal.
- the carbon gas 8 emitted from the tantalum tube 9 is again purely atomic in nature.
- the thinness of the tantalum tube 9 and the proposed heating thus allow efficient and pure generation of atomic carbon, i. H. a high yield of carbon atoms emitted by the tantalum tube 9 at a comparatively low heating temperature, so that a simultaneous evaporation of the tantalum tube 9 is prevented.
- Helium droplets may be advantageous or even essential.
- Fig. 3 is shown schematically how the described carbon source for
- a carbon atomic beam 13 can be used. This is done essentially by a suitable diaphragm arrangement 12 and by differential pumping between these beam-shaping elements. It should be emphasized that the carbon atom beam 13 is purely effusive in nature, i. H. There is no cooling of the C atoms by gas-dynamic processes, such as in the expansion of jet streams. This means that no carbon molecules and clusters can be re-formed.
- the carbon atom beam 13 which was generated with an arrangement shown in Fig. 3, sent directly into a mass spectrometer and after his Components (ratio of carbon atoms to clusters, proportion of impurities) are analyzed.
- Main chamber in which the atomic carbon source (see Fig. 2) was installed.
- the source was in a water-cooled metal housing. Through two holes in the walls, the helium beam could enter and exit.
- the helium nanodroplets flew through the cloud of slow carbon atoms at a speed of about 300 m / s, colliding with them and collecting them.
- the carbon atoms embedded in the helium nanodroplets then entered the subsequent vacuum chamber containing the quadrupole mass spectrometer. In this spectrometer, the helium droplets were ionized by electron bombardment and their charged fragments separated by mass.
- FIG. 4 shows mass spectra for the comparison which illustrate the yield of the atomic carbon source according to the invention (FIG. 4a, diagram above) in comparison with a known carbon source (FIG. 4b, diagram below). Since the carbon atoms and molecules are embedded in helium droplets, not only the pure carbon peaks appear in the mass spectra, but also those that Complexes with helium atoms (C m He n ) are assigned. The peaks generated by carbon clusters are designated (each from the left: 1J C 2 ,, J 3 C 3 and C 2 , C 3 , C 6 , respectively); the other peaks belong to complexes which each contain only one carbon atom (FIG.
- the thermal expansion of the tantalum tube 9 during heating is not negligible. In order to cope with this circumstance, it makes sense to allow at least one electrode the compensating movement in one direction.
- a metallic and thus electrically conductive spring 14 can be seen in Fig. 3 at the electrode 10.
Abstract
The aim of the invention is to provide a robust, stable, and efficient source for generating atomic carbon which is as pure as possible and is largely free of carbon clusters and other impurities. According to the invention, the atomic carbon source contains a heating chamber (2) which is arranged in a vacuum (5) and which is connected to an energy source (1) for receiving a carbon-containing substance (4). At least one sub-region (3) of the heating chamber (2) consists of a thin-walled material which does not evaporate at the operating temperature of the heated heating chamber (2) and which receives carbon atoms released from the carbon-containing substance (4) when the interior of the heating chamber (2) is being heated and releases said carbon atoms largely only in the form of a gas (8) into the surrounding vacuum (5).
Description
Atomare Kohlenstoffquelle Atomic carbon source
Die Erfindung betrifft eine einfache, stabile und saubere Quelle zur Erzeugung von Kohlenstoffatomen. The invention relates to a simple, stable and clean source for producing carbon atoms.
Die neue Kohlenstoffquelle kann vielfältig eingesetzt werden. So lässt sich z. B. mit Hilfe von Skimmern und Blenden ein gebündelter Kohlenstoffatomstrahl ausbilden, der zur Molekularstrahlepitaxie eingesetzt werden kann. Auch lassen sich ohne Bündelung großflächig Substrate mit Kohlenstoffatomen bedampfen (beispielsweise zur Herstellung von diamantharten Schichten und zweidimensionalen Graphenstrukturen). Die von der vorgeschlagenen Quelle erzeugten Kohlenstoffatome eignen sich auch zur Einlagerung in Heliumtröpfchen, um beispielsweise bei ultratiefen Temperaturen Reaktionen von einzelnen Kohlenstoffatomen mit anderen Spezies zu untersuchen. The new carbon source can be used in many ways. So can be z. B. form a bundled carbon atom beam with the help of skimmers and diaphragms, which can be used for molecular beam epitaxy. Even without bundling, substrates with carbon atoms can be vaporized over a large area (for example, for the production of diamond-like layers and two-dimensional graphene structures). The carbon atoms generated by the proposed source are also suitable for inclusion in helium droplets, for example, to study reactions of single carbon atoms with other species at ultra-low temperatures.
Weitere Anwendungsgebiete betreffen die physikalisch-chemische Verfahrenstechnik, die sich Methoden der chemischen Gasphasenabscheidung und der Molekularstrahlepitaxie bedient, die Umweltchemie (Reaktionen von Kohlenstoff in der Gasphase z. B. in Further fields of application concern the physico-chemical process engineering, which uses methods of chemical vapor deposition and molecular beam epitaxy, environmental chemistry (reactions of carbon in the gas phase, eg in
Verbrennungsprozessen), die Nanotechnologie (Herstellung von Nanodiamanten und diamantharten dünnen Schichten) sowie die Nanoelektronik (Herstellung von Graphen für neuartige elektronische Anwendungen). Ebenso lässt sich diese Quelle zur Herstellung von größeren Diamanten und von Diamantfenstern einsetzen. Combustion processes), nanotechnology (production of nanodiamonds and diamond-like thin films) and nanoelectronics (production of graphene for novel electronic applications). Likewise, this source can be used for the production of larger diamonds and diamond windows.
Im Wesentlichen gibt es zurzeit zwei Verfahren, um Kohlenstoff in der Gasphase herzustellen: Essentially, there are currently two methods for producing carbon in the gas phase:
Das methodisch einfachste Verfahren beruht auf der Verdampfung von Graphitpulver, beispielsweise aus einem Tiegel, (wie K. R. Thompson, R. L. DeKock and W. Weltner: Spectroscopy of carbon molecules, J. Am. Chem. Soc. 93, 1971, 4688) oder von graphitischen Festkörpern (z. B.: F. M. Wachi and D. E. Gilmartin: High-temperature mass spectrometry - 1. Free vaporization studies of graphites, Carbon 8, 1970, 141) durch Anwendung hoher Temperaturen. Dabei kann die Wärmezufuhr durch indirektes Heizen (insbesondere in einem Ofen), durch direktes ohmsches Heizen oder durch lokale The methodologically simplest method is based on the evaporation of graphite powder, for example from a crucible (as KR Thompson, RL DeKock and W. Weltner: Spectroscopy of carbon molecules, J. Am. Chem. Soc., 93, 1971, 4688) or graphitic Solid bodies (eg: FM Wachi and DE Gilmartin: High-temperature mass spectrometry - 1. Free vaporization studies of graphites, Carbon 8, 1970, 141) by application of high temperatures. In this case, the heat supply by indirect heating (especially in an oven), by direct ohmic heating or by local
Bestrahlung mit Photonen (Laserverdampfung, z. B.: JP S593016 A; R. I. Kaiser, Irradiation with photons (laser evaporation, for example: JP S593016 A, R. I. Kaiser,
I. Hahndorf, L. C. L. Huang, Y. T. Lee, H. F. Bettinger, P. V. Schleyer, H. F. Schaefer and P. R. Schreiner: Crossed beams reaction of atomic carbon, C(3Pj), with d6-benzene,
C6D6(X'Aig): Observation of the per-deutero-l ,2-didehydrocycloheptatrienyl radical, C7D5(XB2B2), J. Chem. Phys. 110, 1999, 6091), Elektronen oder anderen energiereichen Teilchen erfolgen. H. Hahndorf, LCL Huang, YT Lee, HF Bettinger, PV Schleyer, HF Schaefer and PR Schreiner: Crossed beam reaction of atomic carbon, C ( 3 P j ), with d 6 -benzene, C 6 D 6 (X'Ai g ): Observation of the per-deutero-1,2-didehydrocycloheptatrienyl radical, C 7 D 5 (XB 2 B 2 ), J. Chem. Phys. 110, 1999, 6091), electrons or other energetic particles.
Der Nachteil dieser Methoden besteht darin, dass nur sehr wenig Kohlenstoff in atomarer Form in die Gasphase überführt wird; der Großteil des verdampften Kohlenstoffs liegt in molekularer Form als C2- und C3-Moleküle (Cluster) und als größere Kohlenstoff-Cluster vor. Diese kondensierte Form des Kohlenstoffs ist weniger reaktiv und hat in der Regel eine negative Beeinflussung aller Anwendungen zur Folge. Ein weiterer Nachteil, der mit dem Einsatz energiereicher Methoden einhergeht, ist die Erzeugung elektronisch angeregter und ionisierter Kohlenstoff- Atome, die ebenfalls die nachfolgenden Prozesse negativ beeinflussen können. The disadvantage of these methods is that only very little carbon is transferred into the gas phase in atomic form; most of the evaporated carbon is present in molecular form as C 2 and C 3 molecules (clusters) and as larger carbon clusters. This condensed form of carbon is less reactive and tends to negatively impact all applications. Another disadvantage associated with the use of high-energy methods is the generation of electronically excited and ionized carbon atoms, which can also adversely affect subsequent processes.
Das zweite Grundsatzverfahren basiert auf dem Einsatz von gasförmigen Vorläufer- oder Präkursor-Molekülen (vorzugsweise Kohlenwasserstoffe, z. B. CH4), die durch The second basic method is based on the use of gaseous precursor or precursor molecules (preferably hydrocarbons, eg, CH 4 ), which are characterized by
Energiezufuhr dissoziiert werden, so dass der atomare Kohlenstoff freigesetzt wird (US 8,617,669 Bl, US 6,269,1 10 Bl, JP H06139560 A, JP S598608 A; G. Dorthe, P. Caubet, T. Vias, B. Barrere, and J. Marchais: Fast flow studies of atomic carbon kinetics at room-temperature, J. Phys. Chem. 95, 1991, 5109). Energy supply are dissociated, so that the atomic carbon is released (US 8,617,669 Bl, US 6,269.110 Bl, JP H06139560 A, JP S598608 A, G. Dorthe, P. Caubet, T. Vias, B. Barrere, and J. Marchais: Fast flow studies of atomic carbon kinetics at room-temperature, J. Phys. Chem. 95, 1991, 5109).
Der Nachteil dieser Methode ist, dass die Kohlenstoffatome nicht alleine entstehen sondern durch die anderen Bestandteile der Präkursor-Moleküle verunreinigt werden. Darüber hinaus erhalten die Kohlenstoffatome durch die notwendige Energiezufuhr oft recht hohe kinetische Energien, was ebenfalls für viele Anwendungen unerwünscht ist. The disadvantage of this method is that the carbon atoms do not arise alone but are contaminated by the other constituents of the precursor molecules. In addition, the necessary supply of energy often gives the carbon atoms quite high kinetic energies, which is also undesirable for many applications.
Eine besondere Form des erstgenannten Verfahrens wird im Artikel von Thompson und Mitarbeitern (K. R. Thompson, R. L. DeKock and W. Weltner: Spectroscopy of carbon molecules, J. Am. Chem. Soc. 93, 1971, 4688) beschrieben. Diese benutzen einen speziellen Tantalzylinder und füllen diesen mit einer Kohlenstoffprobe. Anschließend wird die Anordnung mit einigen hundert Ampere für eine Stunde geheizt, so dass der Tantalzylinder in Carbid umgewandelt wird. In einem weiteren Schritt wird bei sehr hohen Temperaturen dann Kohlenstoff von diesem Carbidzylinder abgedampft. Diese zweistufige A particular form of the former method is described in the article by Thompson and coworkers (K.R. Thompson, R.L. DeKock and W. Weltner: Spectroscopy of carbon molecules, J. Am. Chem. Soc., 93, 1971, 4688). These use a special tantalum cylinder and fill it with a carbon sample. Subsequently, the assembly is heated with a few hundred amperes for one hour, so that the tantalum cylinder is converted into carbide. In a further step, carbon is then removed from this carbide cylinder at very high temperatures. This two-tiered
Vorgehensweise ist zwingend notwendig, da der Zylinder sonst bei den hohen Approach is imperative because the cylinder otherwise at high
Verdampfungstemperaturen strukturell zerstört würde, wenn er nicht ausreichend carbidisiert wurde; bzw. es muss durch eine hinreichend große Kohlenstoffprobe
sichergestellt werden, dass stets ausreichend Carbid vorhanden ist. Wesentliche Nachteile dieser Anordnung sind neben dem hohen Aufwand (zeitlich und energetisch) eine starke Verunreinigung des abgedampften Kohlenstoffs durch Kohlenstoffmonoxid und Tantal, welche auch nach größeren Anstrengungen nicht komplett beseitigt werden konnte. Zwar gelingt es, C02 und H20 durch schnelles Pumpen zumindest weitgehend aus dem Evaporation temperatures would be structurally destroyed if it was not sufficiently carbidized; or it must by a sufficiently large carbon sample ensure that sufficient carbide is always present. Major disadvantages of this arrangement, in addition to the high cost (time and energy), a strong contamination of the evaporated carbon by carbon monoxide and tantalum, which could not be completely eliminated even after much effort. Although it succeeds C0 2 and H 2 0 by fast pumping at least largely from the
Dampfgemisch zu eliminieren, aber die Verunreinigungen durch Kohlenstoff-Cluster sowie von der Tantalverdampfung bleiben höchst nachteilig. Zudem kann die To eliminate vapor mixture, but the contamination by carbon clusters as well as the tantalum evaporation remain highly disadvantageous. In addition, the
Kohlenstoffquelle nicht weiter eingesetzt werden, da sich der Tantalzylinder durch die besagte Abdampfung des Materials verbraucht und die Aufheizung somit nach kurzer Zeit unterbrochen wird. Carbon source can not be used because the Tantalzylinder consumed by the said evaporation of the material and thus the heating is interrupted after a short time.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass der Fachwelt keine Quellen bekannt sind, mit denen atomarer Kohlenstoff in reiner Form und mit vertretbarem Aufwand erzeugt werden kann. In summary, it should be noted that the experts are not aware of any sources with which atomic carbon can be produced in pure form and with reasonable effort.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine robuste, beständige und effiziente Quelle zur Erzeugung möglichst reinen und von Kohlenstoff-Clustern sowie sonstigen The invention has for its object to provide a robust, stable and efficient source for generating as pure as possible and carbon clusters and other
Verunreinigungen weitgehend unbelasteten atomaren Kohlenstoffs zu schaffen. Contaminants to create largely unloaded atomic carbon.
Die Aufgabe wird durch eine atomare Kohlenstoffquelle gelöst, die aus einer The task is solved by an atomic carbon source, which consists of a
Energiequelle, einer mit dieser Energiequelle in Verbindung stehenden Heizkammer mit zumindest einem Teilbereich aus einem dünnwandigen (Wandstärke < 0,05 mm) und bei Betriebstemperatur der erhitzten Heizkammer nicht verdampfendem Material, Energy source, a heating chamber in communication with this energy source with at least a portion of a thin-walled (wall thickness <0.05 mm) and at the operating temperature of the heated heating chamber non-evaporating material,
vorzugsweise aus Tantal oder Wolfram, besteht. Im Innern der Heizkammer befindet sich kohlenstoffhaltiges Material, z.B. Graphitpulver. Mit Hilfe der Energiequelle wird die abgedichtete Heizkammer mit dem darin befindlichen kohlenstoffhaltigen Material erhitzt, z.B. durch ohmsches oder induktives Heizen, und auf eine Temperatur von 2000 °C und mehr gebracht, so dass das kohlenstoffhaltige Material in der Heizkammer unter preferably of tantalum or tungsten. Inside the heating chamber is carbonaceous material, e.g. Graphite powder. With the aid of the energy source, the sealed heating chamber is heated with the carbonaceous material therein, e.g. by ohmic or inductive heating, and brought to a temperature of 2000 ° C and more, so that the carbonaceous material in the heating chamber below
Entwicklung von aus Kohlenstoff-Atomen und -Clustern bestehendem Dampf sublimiert. Development of steam consisting of carbon atoms and clusters sublimated.
Die Betriebstemperatur hat die Funktion die Kohlenstoff-Löslichkeit des dünnwandigen Teilbereichs der Heizkammer zu erhöhen, was zur Folge hat, dass Kohlenstoffatome von
innen in das Material eindringen und durch Diffusion an die äußere Oberfläche des dünnwandigen Teilbereichs gelangen, von wo aus sie ins Vakuum abdampfen. The operating temperature has the function to increase the carbon solubility of the thin-walled portion of the heating chamber, with the result that carbon atoms of penetrate into the material inside and by diffusion to the outer surface of the thin-walled portion reach, from where they evaporate into a vacuum.
Die Abdampfrate hängt vom Dampfdruck der Kohlenstoff-Atome, der Löslichkeit der Kohlenstoff-Atome im Material, sowie der Diffusionsrate durch den dünnwandigen Teilbereich der Heizkammer ab und wird damit im Wesentlichen von der Temperatur und der Wandstärke dieses Teilbereiches bestimmt. Die im Inneren der Heizkammer vorhandenen Kohlenstoff-Cluster (also C2- und C3-Moleküle) können nicht als solche in den dünnwandigen Teilbereich der Heizkammer eindringen. Stattdessen werden sie an der inneren Oberfläche des besagten Teilbereichs mit katalytischer Unterstützung dissoziiert, so dass sie anschließend als Kohlenstoff-Atome im Material gelöst werden. Somit ist das vom dünnwandigen Teilbereich emittierte Kohlenstoffgas rein atomarer Natur. The evaporation rate depends on the vapor pressure of the carbon atoms, the solubility of the carbon atoms in the material, and the diffusion rate through the thin-walled portion of the heating chamber and is thus essentially determined by the temperature and the wall thickness of this subregion. The carbon clusters (ie C 2 and C 3 molecules) present in the interior of the heating chamber can not penetrate as such into the thin-walled subregion of the heating chamber. Instead, they are dissociated on the inner surface of said portion with catalytic assistance so that they are subsequently dissolved as carbon atoms in the material. Thus, the carbon gas emitted by the thin-walled portion is purely atomic in nature.
Bei der Betriebstemperatur von ca. 2150 °C bleibt der dünnwandige Teilbereich At the operating temperature of about 2150 ° C, the thin-walled part remains
(beispielsweise aus Tantal) noch stabil, so dass erstens die Quelle erhalten bleibt (for example, from tantalum) still stable, so that, first, the source is preserved
(beständige, solide Kohlenstoffatom-Erzeugungsquelle) und zweitens keine durch (stable, solid carbon source) and secondly none
Verdampfung entstehenden Bestandteile zur Verunreinigung der sich im Vakuum aus der Heizkammer heraustretenden Kohlenstoffatome beitragen. Evaporating constituents contribute to the contamination of emerging in the vacuum from the heating chamber carbon atoms.
Die Dünnwandigkeit des Teilbereichs und die vorgeschlagene Erhitzung erlauben eine effiziente und reine Erzeugung atomaren Kohlenstoffs, d. h. eine hohe Ausbeute an von der Heizkammer emittierten Kohlenstoffatomen bei vergleichsweise niedriger Heiztemperatur, so dass ein gleichzeitiges Abdampfen des dünnwandigen Teilbereichs verhindert wird. Zudem erfahren die in das Vakuum diffundierenden Kohlenstoffatome im Vergleich zum bekannten Stand der Technik eine wesentlich geringere kinetische Energie, was für Nachfolgeprozesse (beispielsweise die Deposition der erzeugten C-Atome auf Substrate oder ihre Einlagerung in kryogene Matritzen oder Heliumtröpfchen) vorteilhaft oder gar wesentlich sein kann. The thinness of the subregion and the proposed heating allow an efficient and pure generation of atomic carbon, i. H. a high yield of carbon atoms emitted from the heating chamber at a comparatively low heating temperature, so that a simultaneous evaporation of the thin-walled portion is prevented. In addition, the carbon atoms diffusing into the vacuum experience a significantly lower kinetic energy compared to the known prior art, which can be advantageous or even essential for subsequent processes (for example the deposition of the C atoms on substrates or their incorporation into cryogenic matrices or helium droplets) ,
In den Unteransprüchen sind weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen atomaren Kohlenstoffquelle genannt. In the subclaims, further embodiments of the atomic carbon source according to the invention are mentioned.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten The invention will be described below with reference to the drawings
Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Kohlenstoffquelle Embodiments will be explained in more detail. Schematic structure of the carbon source according to the invention
Spezieller schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Kohlenstoffquelle in Special schematic structure of the carbon source according to the invention in FIG
Form eines Tantalröhrchens Shape of a tantalum tube
Prinzipdarstellung zur Erzeugung eines reinen Kohlenstoffatomstrahls Gegenüberstellung der Massenspektren, die mit der erfindungsgemäßen Kohlenstoffatom-Quelle (a) und einer traditionellen Kohlenstoff-Quelle mit C- Stab (b) gemessen wurden Schematic representation for producing a pure carbon atom beam Comparison of the mass spectra measured with the carbon atom source (a) according to the invention and a traditional carbon source with C-bar (b)
In Fig. 1 ist der allgemeine schematische Aufbau der erfindungsgemäßen atomaren Kohlenstoffquelle dargestellt. In Fig. 1, the general schematic structure of the atomic carbon source according to the invention is shown.
Eine Energiequelle 1 steht in Verbindung mit einer Heizkammer 2, welche in einem Teilbereich 3 eine dünnwandige Folie (ca. 0,05 mm Dicke) aus einem bei Betriebstemperatur ab 2150 °C kohlenstofflöslichen Material (beispielsweise Tantal oder Wolfram) aufweist. Im Inneren befindet sich eine kohlenstoffhaltige Substanz 4 (z. B. An energy source 1 is connected to a heating chamber 2, which has a thin-walled film (about 0.05 mm in thickness) of a material which is carbon-soluble at operating temperature from 2150 ° C. (for example tantalum or tungsten). Inside is a carbonaceous substance 4 (eg.
Graphitpulver). Graphite powder).
Die Heizkammer 2 ist mit der Energiequelle 1 in einem (durch eine nicht dargestellte Kammer) abgeschlossenen Vakuum 5 angeordnet und wird durch diese (beispielsweise durch elektrisches ohmsches oder induktives Heizen) auf eine Betriebstemperatur von 2150 °C oder mehr gebracht. The heating chamber 2 is arranged with the power source 1 in a closed (by a chamber, not shown) vacuum 5 and is brought by this (for example, by electrical ohmic or inductive heating) to an operating temperature of 2150 ° C or more.
Bei dieser Betriebstemperatur wird erstens die kohlenstoffhaltige Substanz 4 in einen Dampf 6 aus Kohlenstoff-Atomen und -Clustern sublimiert. Zweitens können bei dieser Betriebstemperatur und den angegebenen Materialien des Teilbereichs 3 der First, at this operating temperature, the carbonaceous substance 4 is sublimated into a vapor 6 of carbon atoms and clusters. Secondly, at this operating temperature and the specified materials of subsection 3 of the
Heizkammer 2 Kohlenstoffatome aus dem Dampf 6 durch den kohlenstofflöslichen Teilbereich 3 diffundieren und an der äußeren Oberfläche ins umgebende Vakuum 5 abdampfen (symbolisiert durch Pfeildarstellung 7). Heating chamber 2 carbon atoms from the vapor 6 diffuse through the carbon-soluble portion 3 and evaporate on the outer surface into the surrounding vacuum 5 (symbolized by arrow 7).
Durch den konstruktions- und materialspezifischen kohlenstofflöslichen Teilbereich 3 der Heizkammer 2 ist bei der angegebenen Betriebstemperatur ein so austretendes Due to the design and material specific carbon-soluble portion 3 of the heating chamber 2 is at the specified operating temperature so exiting
Kohlenstoffgas 8 rein atomarer Natur. Der Teilbereich 3 der Heizkammer 2 übernimmt somit die Funktion einer Membran, die für Kohlenstoffatome, aber nicht für Carbon gas 8 purely atomic nature. The portion 3 of the heating chamber 2 thus assumes the function of a membrane which is responsible for carbon atoms, but not for
Kohlenstoffcluster durchlässig ist.
Außerdem werden bei der besagten Betriebstemperatur von den Materialien des Carbon cluster is permeable. In addition, at the said operating temperature of the materials of
Teilbereiches 3 der Heizkammer 2 keine nennenswerten Bestandteile desselben in das umgebende Vakuum 5 verdampft, welche das Kohlenstoffgas 8 verunreinigen würden. Subregion 3 of the heating chamber 2 no significant components of the same evaporates into the surrounding vacuum 5, which would contaminate the carbon gas 8.
In Fig. 2 ist ein beispielhafter schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen atomaren Kohlenstoffquelle dargestellt, bei welchem die Heizkammer 2 mit dem dünnwandigen Teilbereich 3 beispielsweise durch eine zur Röhrchenform gewickelte Tantalfolie (1 4- fache Wicklung einer ca. 0,05 mm dicken Tantalfolie) realisiert ist. FIG. 2 shows an exemplary schematic structure of the atomic carbon source according to the invention, in which the heating chamber 2 with the thin-walled partial region 3 is realized, for example, by a tantalum foil wound to the tube shape (1 × 4 -fold winding of an approximately 0.05 mm thick tantalum foil) ,
Ein auf diese Weise hergestelltes und hermetisch abgedichtetes Tantalröhrchen 9, in dessen Innerem sich das Graphitpulver 4 (vgl. auch Fig. 1) befindet, ist in dem abgeschlossenen Vakuum 5 angeordnet. A hermetically sealed tantalum tube 9, in the interior of which the graphite powder 4 (see also FIG.
Das Tantalröhrchen 9 ist mit seinen Enden in Elektroden 10, 1 1 aufgenommen, welche zur elektrischen Erhitzung des Tantalröhrchens 9 mit einer aus Übersichtgründen nicht in der Zeichnung dargestellten Niederampere-Stromquelle zur Erzeugung eines durch The tantalum tube 9 is taken with its ends in electrodes 10, 1 1, which for electrical heating of the tantalum tube 9 with a not shown for clarity reasons in the drawing Niederampere current source for generating a by
Pfeildarstellung in den Elektroden 10, 11 angedeuteten Heizstromes I in Verbindung stehen. Dieser Heizstrom I in Höhe von 40 A heizt das Tantalröhrchen 9 mit dem intern enthaltenen Graphitpulver 4 durch direkte ohmsche Erwärmung auf eine Temperatur von ca. 2150 °C und mehr auf. Dadurch sublimiert das Graphitpulver 4 im Innern des Arrow depiction in the electrodes 10, 11 indicated Heizstromes I are in communication. This heating current I in the amount of 40 A heats the tantalum tube 9 with the graphite powder 4 contained internally by direct ohmic heating to a temperature of about 2150 ° C and more. This sublimates the graphite powder 4 inside the
Tantalröhrchens 9, und es entsteht wiederum der Dampf 6, der aus Kohlenstoff-Atomen und -Clustern besteht. Tantalum tube 9, and there is again the vapor 6, which consists of carbon atoms and clusters.
Die Betriebstemperatur hat ebenfalls die Kohlenstoff-Löslichkeit des Tantalröhrchens 9 erhöht, was zur Folge hat, dass Kohlenstoffatome (wie prinzipiell bereits zum The operating temperature has also increased the carbon solubility of the tantalum tube 9, with the result that carbon atoms (as in principle already for
Teilbereich 3 der Heizkammer 2 von Fig. 1 beschrieben) von innen in die Wandung des Tantalröhrchens 9 eindringen und durch Diffusion an dessen äußere Oberfläche gelangen, von der sie in das Vakuum 5 abdampfen (symbolisiert wiederum durch Part 3 of the heating chamber 2 described in FIG. 1) penetrate from the inside into the wall of the tantalum tube 9 and reach by diffusion on the outer surface, from which they evaporate into the vacuum 5 (again symbolized by
Pfeildarstellungen 7). Eine andere Geometrie des Vorratsbehälters (Heizkammer 2 mit dem Teilbereich 3, vgl. Fig. 1) ist vorstellbar, sofern er durch direktes oder auch indirektes Heizen auf vergleichbare Temperaturen gebracht werden kann und sofern die Arrow representations 7). Another geometry of the storage container (heating chamber 2 with the portion 3, see Fig. 1) is conceivable, provided that it can be brought by direct or indirect heating to comparable temperatures and if the
Kohlenstoffatome aus dem Inneren des hermetisch abgeschlossenen Behälters durch eine dünne, die Funktion des Tantalröhrchens übernehmende Membran ins Vakuum treten können, ohne dass Wandungsbestandteile des Vorratsbehälters bei Betriebstemperatur
nach außen in das Vakuum 5 abdampfen und das entstehende Kohlenstoffgas 8 Carbon atoms from the interior of the hermetically sealed container through a thin, take over the function of the tantalum tube membrane can go into vacuum without wall components of the reservoir at operating temperature evaporate to the outside in the vacuum 5 and the resulting carbon gas. 8
verunreinigen. contaminate.
Die im Inneren des Tantalröhrchens 9 im Dampf 6 vorhandenen Kohlenstoff-Cluster (also C2- und C3-Moleküle) können nicht als solche (so wie die besagten Kohlenstoffatome) in die Wandung des Tantalröhrchens 9 eindringen. Stattdessen werden sie an der inneren Oberfläche der besagten Wandung des Tantalröhrchens 9 mit katalytischer Unterstützung dissoziiert (aus Übersichtsgründen ebenfalls nicht explizit dargestellt), so dass sie anschließend als Kohlenstoff- Atome im Metall gelöst werden. The carbon clusters (ie C 2 and C 3 molecules) present in the interior of the tantalum tube 9 in the vapor 6 can not penetrate into the wall of the tantalum tube 9 as such (as the said carbon atoms do). Instead, they are dissociated on the inner surface of said wall of the tantalum tube 9 with catalytic support (also not explicitly shown for reasons of clarity), so that they are subsequently dissolved as carbon atoms in the metal.
Somit ist, wie vorbeschrieben, das vom Tantalröhrchen 9 emittiertes Kohlenstoffgas 8 wiederum rein atomarer Natur. Thus, as described above, the carbon gas 8 emitted from the tantalum tube 9 is again purely atomic in nature.
Die Dünnwandigkeit des Tantalröhrchen 9 und die vorgeschlagene Erhitzung erlauben somit eine effiziente und reine Erzeugung atomaren Kohlenstoffs, d. h. eine hohe Ausbeute an vom Tantalröhrchen 9 emittierten Kohlenstoffatomen bei vergleichsweise niedriger Heiztemperatur, so dass ein gleichzeitiges Abdampfen des Tantalröhrchen 9 verhindert wird. The thinness of the tantalum tube 9 and the proposed heating thus allow efficient and pure generation of atomic carbon, i. H. a high yield of carbon atoms emitted by the tantalum tube 9 at a comparatively low heating temperature, so that a simultaneous evaporation of the tantalum tube 9 is prevented.
Zudem erfahren die in das Vakuum heraustretenden Kohlenstoffatome im Vergleich zum bekannten Stand der Technik eine wesentlich geringere kinetische Energie, was für verschiedene Anwendungen (beispielsweise die bereits erwähnte Beschichtung von Oberflächen und die Einlagerung der C-Atome in kryogene Matritzen sowie In addition, the carbon atoms emerging in the vacuum undergo a significantly lower kinetic energy in comparison with the known prior art, which is the case for various applications (for example the already mentioned coating of surfaces and the incorporation of the C atoms in cryogenic matrices)
Heliumtröpfchen) vorteilhaft oder gar wesentlich sein kann. Helium droplets) may be advantageous or even essential.
In Fig. 3 ist schematisch dargestellt, wie die beschriebene Kohlenstoff-Quelle zur In Fig. 3 is shown schematically how the described carbon source for
Erzeugung eines Kohlenstoff- Atomstrahls 13 eingesetzt werden kann. Dies geschieht im Wesentlichen durch eine geeignete Blendenanordnung 12 sowie durch differentielles Pumpen zwischen diesen strahlformenden Elementen. Es sei betont, dass der Kohlenstoff- Atomstrahl 13 rein effusiver Natur ist, d. h. es findet keine Abkühlung der C-Atome durch gasdynamische Prozesse statt, wie etwa in der Expansion von Düsenstrahlen. Das bedeutet, dass keine Kohlenstoff-Moleküle und -Cluster neu gebildet werden können. Generation of a carbon atomic beam 13 can be used. This is done essentially by a suitable diaphragm arrangement 12 and by differential pumping between these beam-shaping elements. It should be emphasized that the carbon atom beam 13 is purely effusive in nature, i. H. There is no cooling of the C atoms by gas-dynamic processes, such as in the expansion of jet streams. This means that no carbon molecules and clusters can be re-formed.
Im Prinzip kann der Kohlenstoff- Atomstrahl 13, der mit einer in Fig. 3 dargestellten Anordnung erzeugt wurde, direkt in ein Massenspektrometer geschickt und nach seinen
Bestandteilen (Verhältnis von Kohlenstoff-Atomen zu -Clustern, Anteil der Verunreinigungen) analysiert werden. In principle, the carbon atom beam 13, which was generated with an arrangement shown in Fig. 3, sent directly into a mass spectrometer and after his Components (ratio of carbon atoms to clusters, proportion of impurities) are analyzed.
Um die gleichen Informationen zu erhalten, zusätzlich aber noch zu demonstrieren, dass sich die von der erfindungsgemäßen Kohlenstoffquelle emittierten C-Atome ausgezeichnet in kryogene Matritzen und sogar in supraflüssige Heliumtröpfchen einlagern lassen, wurde für die Analyse des C-Atomstrahls eine andere Methode gewählt. In order to obtain the same information, but in addition to demonstrate that the C atoms emitted by the carbon source according to the invention can be excellently incorporated into cryogenic matrices and even into superfluid helium droplets, a different method was chosen for the analysis of the C atom beam.
Hierzu wurde ein Strahl aus wenigen Nanometer großen, 0,37 K kalten, supraflüssigen Heliumtröpfchen (in einer nicht dargestellten Quellenkammer) generiert For this purpose, a beam of few nanometer-sized, 0.37 K cold, superfluid helium droplets (in a source chamber, not shown) was generated
(S. A. Krasnokutski and F. Huisken: Low-temperature reactions in helium droplets: (S.A. Krasnokutski and F. Huisken: Low-temperature reactions in helium droplets:
Reactions of aluminum atoms with 02 and H20, J. Phys. Chem. A 115, 201 1, 7120). Reactions of aluminum atom with 0 2 and H 2 0, J. Phys. Chem. A 115, 201 1, 7120).
Dieser gelangte über einen Skimmer (scharfkantige, konische Blende) in die This came through a skimmer (sharp-edged, conical aperture) in the
Hauptkammer, in der die atomare Kohlenstoffquelle (vgl. Fig. 2) installiert wurde. Um die Kohlenstoffatome auf einen wohldefinierten Bereich mit konstantem Dampfdruck zu konzentrieren, befand sich die Quelle in einem wassergekühlten Metallgehäuse. Durch zwei Löcher in den Wänden konnte der Heliumstrahl ein- und wieder austreten. Die Helium-Nanotröpfchen flogen hierbei mit einer Geschwindigkeit von etwa 300 m/s durch die Wolke der langsamen Kohlenstoffatome, wobei sie mit ihnen kollidierten und sie aufsammelten. Die in die Helium-Nanotröpfchen eingelagerten Kohlenstoffatome gelangten dann in die nachfolgende Vakuumkammer, in der sich das Quadrupol- Massenspektrometer befand. In diesem Spektrometer wurden die Heliumtröpfchen durch Elektronenbeschuss ionisiert und ihre geladenen Fragmente nach Massen getrennt. Main chamber in which the atomic carbon source (see Fig. 2) was installed. To concentrate the carbon atoms within a well-defined range of constant vapor pressure, the source was in a water-cooled metal housing. Through two holes in the walls, the helium beam could enter and exit. The helium nanodroplets flew through the cloud of slow carbon atoms at a speed of about 300 m / s, colliding with them and collecting them. The carbon atoms embedded in the helium nanodroplets then entered the subsequent vacuum chamber containing the quadrupole mass spectrometer. In this spectrometer, the helium droplets were ionized by electron bombardment and their charged fragments separated by mass.
Dadurch ergaben sich in den Massenspektren sowohl die Peaks der reinen eingelagerten Kohlenstoffatome (und, falls vorhanden, Kohlenstoff-Cluster) als auch die der As a result, both the peaks of the pure embedded carbon atoms (and, if present, carbon clusters) as well as those of the mass spectra were found in the mass spectra
Kohlenstoff-Helium-Komplexe CHen (und CmHen). Die vorgestellte Methode stellt einen geeigneten Weg zur Kühlung und zum Abtransport der Kohlenstoffatome dar, wenn er auch vom experimentellen Aufbau her etwas anspruchsvoll ist. Carbon helium complexes CHe n (m and C n He). The presented method represents a suitable way for the cooling and removal of the carbon atoms, although it is somewhat challenging from an experimental point of view.
In Fig. 4 sind zur Gegenüberstellung Massenspektren dargestellt, welche die Ausbeute der erfindungsgemäßen atomaren Kohlenstoffquelle (Fig. 4a, Diagramm oben) im Vergleich zu einer bekannten Kohlenstoff-Quelle (Fig. 4b, Diagramm unten) verdeutlichen. Da die Kohlenstoff-Atome und -Moleküle in Heliumtröpfchen eingelagert wurden, treten in den Massenspektren nicht nur die reinen Kohlenstoff-Peaks auf sondern auch solche, die
Komplexen mit Heliumatomen (CmHen) zuzuordnen sind. Die Peaks, die von Kohlenstoff- Clustern erzeugt wurden, sind bezeichnet (jeweils von links: 1JC2, ,JC3 bzw. C2, C3, C6); die anderen Peaks gehören zu Komplexen, die jeweils nur ein Kohlenstoff- Atom enthalten (Fig. 4a) bzw. zu Komplexen mit mehreren Kohlenstoff- Atomen (Fig. 4b). Es ist erkennbar, dass im oberen Spektrum (Fig. 4a) der Anteil der Kohlenstoff-Cluster äußerst gering ist und lediglich ca. 1 % beträgt. Dagegen treten bei der konventionellen Quelle (Verdampfung eines C-Stabs) die Kohlenstoff-Moleküle C3 weitaus am häufigsten auf. Aus technischen Gründen wurde bei der vorgeschlagenen Kohlenstoffatomquelle das Kohlenstoff-Isotop l3C verwendet, wodurch die Massenpeaks gegenüber dem unteren Spektrum (Fig. 4b) leicht verschoben sind. FIG. 4 shows mass spectra for the comparison which illustrate the yield of the atomic carbon source according to the invention (FIG. 4a, diagram above) in comparison with a known carbon source (FIG. 4b, diagram below). Since the carbon atoms and molecules are embedded in helium droplets, not only the pure carbon peaks appear in the mass spectra, but also those that Complexes with helium atoms (C m He n ) are assigned. The peaks generated by carbon clusters are designated (each from the left: 1J C 2 ,, J 3 C 3 and C 2 , C 3 , C 6 , respectively); the other peaks belong to complexes which each contain only one carbon atom (FIG. 4a) or to complexes with several carbon atoms (FIG. 4b). It can be seen that in the upper spectrum (FIG. 4 a) the proportion of carbon clusters is extremely low and amounts to only about 1%. In contrast, in the conventional source (vaporization of a C-rod), the carbon molecules C 3 are by far the most common. For technical reasons, the proposed carbon atom source used the carbon isotope 13 C, which slightly shifts the mass peaks from the lower spectrum (Figure 4b).
Die thermische Ausdehnung des Tantalröhrchens 9 während des Heizens ist nicht zu vernachlässigen. Um diesem Umstand gerecht zu werden, ist es sinnvoll, zumindest einer Elektrode die ausgleichende Bewegung in einer Richtung zu gestatten. Hierfür ist in Fig. 3 an der Elektrode 10 eine metallische und damit elektrisch leitfähige Feder 14 ersichtlich.
The thermal expansion of the tantalum tube 9 during heating is not negligible. In order to cope with this circumstance, it makes sense to allow at least one electrode the compensating movement in one direction. For this purpose, a metallic and thus electrically conductive spring 14 can be seen in Fig. 3 at the electrode 10.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen List of used reference numbers
Energiequelle energy
Heizkammer heating chamber
Teilbereich der Heizkammer 2 Part of the heating chamber 2
kohlenstoffhaltige Substanz carbonaceous substance
Vakuum vacuum
Dampf (aus Kohlenstoff-Atomen und -Clustern bestehend) Pfeildarstellung Steam (consisting of carbon atoms and clusters) arrow depiction
Gas (ausschließlich aus Kohlenstoffatomen bestehend) Gas (consisting solely of carbon atoms)
Tantalröhrchen tantalum tubes
Elektrode electrode
Blendenanordnung diaphragm arrangement
Kohlenstoffatomstrahl Carbon atom beam
Feder feather
I Heizstrom
I heating current
Claims
1. Atomare Kohlenstoffquelle enthaltend eine in einem Vakuum (5) angeordnete und mit einer Energiequelle (1) in Verbindung stehende Heizkammer (2) zur Aufnahme von kohlenstoffhaltiger Substanz (4), wobei die Heizkammer (2) zumindest in einem 1. Atomic carbon source containing a in a vacuum (5) and arranged with an energy source (1) in communication heating chamber (2) for receiving carbonaceous substance (4), wherein the heating chamber (2) at least in one
Teilbereich (3) aus einem dünnwandigen und bei Betriebstemperatur der erhitzten Part area (3) made of a thin-walled and heated at operating temperature
Heizkammer (2) nicht verdampfendem Material besteht, welches bei Erwärmung im Innern der Heizkammer (2) auf die Betriebstemperatur aus der kohlenstoffhaltigen Heating chamber (2) consists of non-evaporating material which when heated in the interior of the heating chamber (2) to the operating temperature of the carbonaceous
Substanz (4) freigesetzte Kohlenstoffatome aufnimmt und weitgehend nur diese als Gas (8) in das umgebende Vakuum (5) freisetzt. Substance (4) absorbs released carbon atoms and largely only releases them as gas (8) in the surrounding vacuum (5).
2. Atomare Kohlenstoffquelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (3) der Heizkammer (2) aus Tantal besteht. 2. Atomic carbon source according to claim 1, characterized in that the partial region (3) of the heating chamber (2) consists of tantalum.
3. Atomare Kohlenstoffquelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (3) der Heizkammer (2) aus Wolfram besteht. 3. Atomic carbon source according to claim 1, characterized in that the partial region (3) of the heating chamber (2) consists of tungsten.
4. Atomare Kohlenstoffquelle gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (3) der Heizkammer (2) durch eine als Membran fungierende Folie gebildet wird. 4. atomic carbon source according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the partial region (3) of the heating chamber (2) is formed by a film acting as a membrane.
5. Atomare Kohlenstoffquelle gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkammer (2) mit dem Teilbereich (3) durch ein dünnwandiges Röhrchen (9) gebildet wird. 5. Atomic carbon source according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the heating chamber (2) with the portion (3) by a thin-walled tube (9) is formed.
6. Atomare Kohlenstoffquelle gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dünnwandige Röhrchen (9) eine Wandstärke kleiner als 0,06 mm aufweist. 6. Atomic carbon source according to claim 5, characterized in that the thin-walled tube (9) has a wall thickness of less than 0.06 mm.
7. Atomare Kohlenstoffquelle gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als kohlenstoffhaltige Substanz (4) Graphitpulver vorgesehen ist.
7. Atomic carbon source according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that as the carbonaceous substance (4) graphite powder is provided.
8. Atomare Kohlenstoffquelle gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiequelle (1) zur Erwärmung der Heizkammer (2) auf Betriebstemperatur eine elektrische Stromquelle vorgesehen ist, welche über 8. Atomic carbon source according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that as an energy source (1) for heating the heating chamber (2) to operating temperature, an electric current source is provided which via
Elektroden (10, 11) an die Heizkammer (2, 9) angeschlossen ist. Electrodes (10, 11) to the heating chamber (2, 9) is connected.
9. Atomare Kohlenstoffquelle gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (1) zur Aufheizung der Heizkammer (2) mit dem Teilbereich (3) auf eine Betriebstemperatur von zumindest 2150 °C vorgesehen ist.
9. Atomic carbon source according to one or more of claims 1 to 8, characterized in that the energy source (1) for heating the heating chamber (2) with the partial area (3) to an operating temperature of at least 2150 ° C is provided.
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Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4233936A (en) * | 1979-05-08 | 1980-11-18 | Rca Corporation | Alkali metal dispenser |
JPS593016A (en) | 1982-06-30 | 1984-01-09 | Shigeo Nishida | Manufacture of diamond |
JPS598608A (en) | 1982-07-05 | 1984-01-17 | Shigeo Nishida | Preparation of diamond |
JPH06139560A (en) | 1992-10-29 | 1994-05-20 | Tdk Corp | Magnetic recording medium |
US6269110B1 (en) | 1998-10-05 | 2001-07-31 | Lambda Physik Ag | Internal wavelength calibration for tunable ArF-excimer laser using atomic carbon and molecular oxygen absorption lines |
US8617669B1 (en) | 2006-04-20 | 2013-12-31 | Partial Assignment to University of Central Florida | Laser formation of graphene |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3135083B2 (en) | 1991-03-29 | 2001-02-13 | 出光興産株式会社 | Method for producing styrenic polymer and copolymer |
JPH0598608A (en) | 1991-10-04 | 1993-04-20 | Haitaa Syst Kaihatsu Kyodo Kumiai | Road division scheduled line indicating device |
US5383981A (en) * | 1993-06-14 | 1995-01-24 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Reusable crucible for containing corrosive liquids |
US20070059501A1 (en) * | 2003-08-01 | 2007-03-15 | The New Industry Research Organization | Tantalum carbide, method for producing tantalum carbide, tantalum carbide wiring and tantalum carbide electrode |
-
2014
- 2014-06-26 DE DE102014009755.2A patent/DE102014009755A1/en active Pending
-
2015
- 2015-06-24 WO PCT/DE2015/000324 patent/WO2015197047A1/en active Application Filing
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4233936A (en) * | 1979-05-08 | 1980-11-18 | Rca Corporation | Alkali metal dispenser |
JPS593016A (en) | 1982-06-30 | 1984-01-09 | Shigeo Nishida | Manufacture of diamond |
JPS598608A (en) | 1982-07-05 | 1984-01-17 | Shigeo Nishida | Preparation of diamond |
JPH06139560A (en) | 1992-10-29 | 1994-05-20 | Tdk Corp | Magnetic recording medium |
US6269110B1 (en) | 1998-10-05 | 2001-07-31 | Lambda Physik Ag | Internal wavelength calibration for tunable ArF-excimer laser using atomic carbon and molecular oxygen absorption lines |
US8617669B1 (en) | 2006-04-20 | 2013-12-31 | Partial Assignment to University of Central Florida | Laser formation of graphene |
Non-Patent Citations (7)
Title |
---|
F. M. WACHI; D. E. GILMARTIN: "High-temperature mass spectrometry - I. Free vaporization studies of graphites", CARBON, vol. 8, 1970, pages 141, XP024030231, DOI: doi:10.1016/0008-6223(70)90109-0 |
G. DORIHE; P. CAUBET; T. VIAS; B.,BARRERE; J. MARCHAIS: "Fast flow studies of atomic carbon kinetics at room-temperature", J. PHYS. CHEM., vol. 95, 1991, pages 5109 |
GALL N R ET AL: "Source of carbon atoms containing no carbon clusters", VACUUM MICROELECTRONICS CONFERENCE, 1996. IVMC'96., 9TH INTERNATIONAL ST. PETERSBURG, RUSSIA 7-12 JULY 1996, NEW YORK, NY, USA,IEEE, US, 7 July 1996 (1996-07-07), pages 316 - 319, XP010232201, ISBN: 978-0-7803-3594-3, DOI: 10.1109/IVMC.1996.601832 * |
J. CHEM. PHYS, vol. 110, 1999, pages 6091 |
K. R. THOMPSON; R. L. DEKOCK; W. WELTNER: "Spectroscopy of carbon molecules", J. AM. CHEM. SOC., vol. 93, 1971, pages 4688 |
KRASNOKUTSKI S A ET AL: "A simple and clean source of low-energy atomic carbon", APPLIED PHYSICS LETTERS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, 2 HUNTINGTON QUADRANGLE, MELVILLE, NY 11747, vol. 105, no. 11, 15 September 2014 (2014-09-15), XP012189860, ISSN: 0003-6951, [retrieved on 19010101], DOI: 10.1063/1.4895806 * |
S. A. KRASNOKUTSKI; F. HUISKEN: "Low-temperature reactions in helium droplets: Reactions of aluminum atoms with 0 and H 0", J. PHYS. CHEM., vol. A 115, 2011, pages 7120 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102014009755A1 (en) | 2015-12-31 |
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Legal Events
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Ref document number: 15753605 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
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