[发明专利]化学汽相淀积设备及利用该设备合成碳纳米管的方法

说明书

本发明涉及碳纳米管的合成，特别涉及用于大量合成碳纳米管的化学汽相淀积(CVD)设备，以及使用该CVD设备合成碳纳米管的方法。

已知碳纳米管是一种三个相邻的碳原子与一个碳原子的微观组合，六元环是由这些碳原子的组合形成的，并且，通过重复这些六元环形成蜂窝状结构所得到的平面被卷起来成为一个圆柱体。而且，已知这样的圆柱体结构一般具有几到几十纳米的直径，长度为直径的几十到几千倍。根据其应用，这种碳纳米管能够显示从导电到与半导体相关特征的宽范围的特性，并且，预期能够以各种方式应用于各种技术领域。

近来，人们已经建议了几种用于合成碳纳米管的方法。例如，电弧放电法已经作为一种大量合成碳纳米管的技术而广为人知。电弧放电法是使用碳作为电极利用电弧放电生长碳纳米管的方法。在电弧放电法中，难以控制碳纳米管的直径和长度以及控制所生产的含碳材料的结构。因此，难以在合成中得到优异的晶体结构，除了碳纳米管外，同时会产生大量非晶碳块。所以，碳纳米管的合成后，还必须进行复杂的精制工艺。而且，在电弧放电法中，不能在较大尺寸基片上生长大量的碳纳米管。所以，电弧放电法在各种器件上的使用受到制约。

有人提出了用其他一些方法来代替用电子放电设备的电弧放电法来合成碳纳米管。例如，已经有人建议利用激光淀积设备的方法、利用等离子体化学汽相淀积设备、热化学汽相淀积设备的方法，以及诸如此类。然而，这些常规方法或设备很难大量合成碳纳米管。

本发明的目的是提供一种用于大量合成碳纳米管的化学汽相淀积(CVD)设备。

本发明的另一目的是提供一种利用该CVD设备大量合成碳纳米管的方法。

为了实现第一个目的，本发明的一个方面是提供一种用于在一块或多块基片上合成碳纳米管的化学汽相淀积设备，该设备包括：包含多个垂向轴的载物舟，沿着每一根轴设置用于支撑基片的支撑突出物，基片水平向平行地安装在支撑突出物上。而且，该化学汽相淀积设备包括一个反应炉，该反应炉具有在其一端的用于供应反应气的通道，以及在其另一端的用于排放反应气的通道，该反应炉内部成型为一个长方体来将载物舟设置于其中，并且，一个加热单元设置在反应炉的外部。

在此，载物舟是由设置成一个矩形的至少四根垂向轴和连接在相邻垂向轴各端之间的水平杆形成的三维框架。

为了实现第二个目的，本发明的一个方面提供了一种合成碳纳米管的方法，其中，首先，在基片上形成催化金属膜。然后，多块基片被水平地安装在化学汽相淀积设备中的支撑突出物上，相互平行，该化学汽相淀积设备包括：具有该支撑突出物和多个垂向轴的载物舟，沿着每一根轴设置该支撑突出物，一个反应炉，该反应炉具有在其两端的用于供应和排放反应气的通道，该反应炉内部成型为一个长方体来将载物舟设置于其中，以及，一个设置在反应炉外部的加热单元。据此，通过用供应给反应炉的腐蚀气腐蚀催化金属膜，形成纳米级催化金属颗粒。之后，通过向反应气中供应碳源气，在催化金属颗粒上垂直生长碳纳米管。

根据本发明，能够提供用于大量生长碳纳米管的CVD设备。

通过结合附图详细介绍本发明的优选实施方案，本发明的上述目的和优点将变得更清楚，附图中：

图1和图2是按照本发明一个实施方案的用于大量合成碳纳米管的化学汽相淀积设备的示意图；并且

图3到图6是用于说明按照本发明的一个实施方案利用一个CVD设备大量合成碳纳米管的方法的剖面图。

下面结合附图更详细地描述本发明的一个实施方案。然而，本发明的实施方案可以被改变成许多其他形式，本发明的范围不应当被解释为限于这个实施方案。提供本发明的实施方案是为了向本领域的熟练人员更全面地解释本发明。在各附图中，为清楚起见放大了各层和区的厚度。图中，类似的参考数字表示相同的部件。而且，在一层称作位于另一层或基片“上”时，该层可以直接形成于该另一层或该基片上，或其他层可以插入其间。

图1是按照本发明一个优选实施方案的化学汽相淀积设备的示意图，图2是按照本发明的一个优选实施方案的用在该化学汽相淀积设备中的载物舟的示意图。

参考图1，用于合成碳纳米管的按照本发明的化学汽相淀积设备包括一个反应炉1100，一个加热单元1200，和一个载物舟1400，在载物舟上安装基片1300。反应炉1100的形状使得载物舟1400可安装在其上。因此，反应炉1100的内部形状是由载物舟1400的形状所决定的。