[发明专利]制造亚临界尺寸的稳定原子簇的亚临界成核工艺及由这些簇制成的材料的结构、性质和应用

说明书

一种制造亚临界尺寸的稳定原子簇的方法，其中蒸气云发生快速膨胀和快速冷却，其中控制蒸气条件或参数使得多个稳定簇被冷凝，每个所述簇的尺寸小于临界尺寸并由亚临界成核形成。

技术领域

本发明的领域涉及用于制造亚临界尺寸的稳定原子簇的亚临界成核工艺，以及由这些簇制成的材料的结构、性质和应用。对于碳，这意味着由亚临界尺寸的核形成的簇，这些核的尺寸小于1nm，并且成核过程发生在碳的临界尺寸为1nm的温度和压力条件下。

本专利文件的部分公开内容含有受版权保护的材料。版权所有者不反对任何人对该专利文件或专利公开内容的传真复制，因为它出现在专利商标局(Patent andTrademark Office)的专利文件或记录中，但在其它方面保留所有版权。

背景技术

纳米技术被定义为对至少一个维度的尺寸从1nm到100nm的物质的操纵，近年来一直是深入研究和商业兴趣的主题。物质在这个领域中具有特殊和不寻常的性质，并且正在使用纳米技术缔造大量新材料和装置。纳米医学、纳米电子学、纳米材料只是形形色色应用领域中的一些。

使用激光烧蚀来缔造碳纳米管已所知多年；将石墨块置于烘箱内，用激光指向它，并沿激光点的方向泵送氩气。烘箱温度为约1200℃。随着激光烧蚀靶材，形成碳等离子体，然后冷凝；在冷凝期间形成多个原子簇，各排列成碳纳米管，并被气流携带到冷的铜集电体上。参见Guo T，Nikolaev P，Rinzler D，Tomanek DT，Colbert DT，Smalley RE(1995).“管状富勒烯的自组装《Self-Assembly of Tubular Fullerenes》”.J.Phys Chem99(27):10694–7。

如C60、C70等的富勒烯也可以通过使用激光烧蚀获得[H.Kroto等人，Nature318，162-163(1985)]。然而，富勒烯和纳米管作为碳的稳定的同素异形变态，需要在准平衡条件下相对长的时间才能发生它们的形成。这与亚临界尺寸纳米簇的形成方式有根本差异，亚临界尺寸纳米簇的形成上非平衡条件和短形成时间是至关重要的。

然而，据认为，当核(a)具有超临界尺寸(例如尺寸大于1nm)或(b)像C60一样本征稳定时，在冷却的碳蒸气云中生长稳定的碳簇是可能的。另一方面，本征不稳定(即几乎瞬间将碳原子返回到气相)的亚临界核很少得到关注。因此，以某种方式保存这些亚临界核以便可以收集它们并形成工业上有用的材料的可能性尚未得以考虑。‘亚临界成核’发生在从等离子气相到固相的相变的初始阶段；这是在等离子体中小于临界尺寸的本征不稳定核开始形成时；因为这些亚临界核是高度不稳定的，传统的理解是，只有且当它们达到并超过临界尺寸时，它们才会变得稳定，并由此形成有用的材料。要注意，术语‘临界尺寸’是指生成该原子簇所需的最低能量达到最大值时的簇尺寸；因此，‘亚临界尺寸’是比‘临界尺寸’更小的尺寸。对于碳来说，在特定的压力和温度条件下，这是1nm。该原子可以是碳，或是其它物质，例如硅(其临界尺寸通常接近碳)。

对蒸气冷凝文献的分析表明，它认为在初始阶段结束后，气体蒸气的膨胀和冷却导致从亚临界成核过程形成的任何和所有亚临界尺寸的核或簇被彻底和完全破坏。因此，由亚临界成核过程形成的核或簇被认为如此不稳定，以至于无法在任何生产过程中制造得到有用的、稳定的、亚临界尺寸的簇。

对这种不稳定性的解释如下：一般而言，在蒸气冷凝的初始阶段，出现在热且高密度的蒸气云中的亚临界尺寸的原子簇是高度不稳定的，由于原子与蒸气相进行交换，它们迅速地出现和消失。通过改变蒸气条件使得正常会被完全破坏的亚临界核得以保留来生成稳定的亚临界尺寸簇(例如亚纳米或亚1nm尺寸的簇，其中原子是碳原子)并由此可以收集和使用的可能性被忽视了，而宁愿选择在纳米技术领域——即应对超临界尺寸碳簇(例如碳尺寸超过1nm)的领域进行集中和持续的研究和开发。

本发明推翻了沿袭已久的观点，即稳定的亚临界尺寸的簇、即小于相关亚临界尺寸且由亚临界成核过程形成的原子簇不能通过改变蒸气条件来制造，因而正常会被完全破坏的亚临界核得以保留。