FI120450B - Laite nanoputkien tuottamiseksi - Google Patents
Laite nanoputkien tuottamiseksi Download PDFInfo
- Publication number
- FI120450B FI120450B FI20070231A FI20070231A FI120450B FI 120450 B FI120450 B FI 120450B FI 20070231 A FI20070231 A FI 20070231A FI 20070231 A FI20070231 A FI 20070231A FI 120450 B FI120450 B FI 120450B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- thermal reactor
- reactor
- nanotubes
- thermal
- temperature
- Prior art date
Links
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 title claims description 45
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 77
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 33
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 28
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 28
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 25
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 15
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 15
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 claims description 13
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 claims description 12
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 claims description 12
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 claims description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 3
- 238000001089 thermophoresis Methods 0.000 claims description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 29
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 29
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 17
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 14
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 11
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 8
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 8
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 6
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 5
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 4
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 239000003517 fume Substances 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical class C* 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000006482 condensation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000005442 molecular electronic Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000002268 wool Anatomy 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
- C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
- C01B21/064—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with boron
- C01B21/0641—Preparation by direct nitridation of elemental boron
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/152—Fullerenes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/158—Carbon nanotubes
- C01B32/159—Carbon nanotubes single-walled
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/158—Carbon nanotubes
- C01B32/16—Preparation
- C01B32/162—Preparation characterised by catalysts
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/158—Carbon nanotubes
- C01B32/16—Preparation
- C01B32/164—Preparation involving continuous processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/158—Carbon nanotubes
- C01B32/168—After-treatment
- C01B32/174—Derivatisation; Solubilisation; Dispersion in solvents
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/20—Graphite
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/20—Carbon compounds, e.g. carbon nanotubes or fullerenes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2202/00—Structure or properties of carbon nanotubes
- C01B2202/02—Single-walled nanotubes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2202/00—Structure or properties of carbon nanotubes
- C01B2202/06—Multi-walled nanotubes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/10—Particle morphology extending in one dimension, e.g. needle-like
- C01P2004/13—Nanotubes
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Description
Laite nanoputkien tuottamiseksi
Keksinnön ala 5
Keksinnön kohteena on laite nanoputkien tuottamiseksi, jossa laitteessa nanoputkien tuotanto tapahtuu termisessä reaktorissa ja jossa termisen reaktorin materiaali osallistuu nanoputkien tuotantoprosessiin. Keksinnön mukaisella laitteella voidaan tuottaa moniseinämäisiä-ja yksiseinämäisiä hiilinanoputkia sekä seostettuja 10 nanoputkia, kuten B- ja N-seostettuja yksiseinämäisiä hiilinanoputkia. Keksinnön eräällä suoritusmuodolla voidaan myös tuottaa muita nanoputkia, kuten boorinitridinanoputkia.
Keksinnön kohteena olevassa laitteessa on välineet termisen reaktorin lämmittämiseen yli 2000°C lämpötilaan ja edullisimmin yli 2300°C lämpötilaan, jossa lämpötilassa termisen reaktorin valmistusmateriaalia sublimoituu merkittävästi termiseen 15 reaktoriin. Keksinnön eräässä suoritusmuodossa termiseen reaktoriin sublimoituu hiilen sijasta muuta nanoputkien valmistuksessa tarvittavaa materiaalia kuten booria.Edelleen keksinnön kohteena olevassa laitteessa on välineet nanoputkien valmistuksessa tarvittavien kaasumaisten, nestemäisten ja kiinteiden lähtöaineiden syöttämiseksi termiseen reaktoriin. Yksiseinämäisten hiilinanoputkien tehokkaan tuottamisen 20 katalysoimiseksi tarvittavat metallihiukkaset voidaan tuottaa kiinteistä meöllilähteistä, jotka sijaitsevat edullisesti termisen reaktorin välittömässä läheisyydessä ja saavat * ' metallin sublimoituxniseen tarvittavan termisen energian termisestä reaktorista. Edelleen • ♦ · ·' keksinnön kohteena olevassa laitteessa voi olla välineetraaka-aineiden johtamiseksi « « « termiseen reaktoriin joko ennen reaktorin kuuminta kohtaa tai sen jälkeen, jolloin • · 25 nanoputket saadaan edullisesti seostettua Edelleen keksinnön kohteena olevassa • « *((i1 2 laitteessa on välineet nanoputkien keräämiseksi, mikä kerääminen tapahtuuedullisesti • · *** termoforeesin avulla. Keräysalustana voi toimia myös suoraan nanoputkien lopullinen .. käyttökohde.
• · • ·· • · · • · *:3 30 M · • · · • · • · • · · • · • · • · · · 2 • · • · · • · · • · 3 2
Tekniikan tason kuvaus
Nanoputket ovat pieniä, sylinterinmuotoisia molekyylejä, joiden halkaisija on nanometristä (yksiseinämäiset nanoputket) muutamaan kymmeneen nanometriin 5 (moniseinämäiset nanoputket). Nanoputkien pituus voi vaihdella muutamasta nanometristä useaan mikrometriin. Yleisimmin tutkittuja käytetty nanoputki on hiilinanoputki (Carbon Nano Tube, CNT), mutta myös boorinitridinanoputkia (BN) on tuotettu. Nanoputkilla on monia potentiaalisia käyttökohteita energian varastoinnissa (vedyn varastointi, tehokkaat akut ja kondensaattorit), molekyylielektroniikassa 10 (kenttäemissiolaitteet, transistorit), antureissa, komposiittimateriaaleissa ja muissa sovelluksissa. Hiilinanoputket ovat atomitason rakenteestaan riippuen joko puolijohteita tai metallin kaltaisia.
Hiilinanoputkia valmistetaan pääsääntöisesti kahdella tavalla: korkealämpötilaprosessilla (laserablaatio) ja kemiallisella kaasufaasilasvatuksella 15 (Chemical Vapor Deposition, CVD). Putkien valmistaminen täsmälleen halutuilla ominaisuuksilla on äärimmäisen vaikeaa.
Laserablaatioprosessissa ablaatiokohtio (target) on yleensä valmistettu grafiitista, joka sisältää noin 1 atomiprosentin sekä nikkeliä (Ni) että kobolttia (Co). Nikkeli ja koboltti toimivat katalyyttinä nanoputken kasvulle. Kohtio lämmitetään noin 1000- 1500 20 K lämpötilaan suojailmakehässä (yleensä argon, Ar), jonka jälkeen siihen suunnataan yleensä pulssitettu lasersäde. Lasersäde höyrystää grafiittia ja ablaatiopilvessä (plume) syntyy nanoputkia. Syntyprosessille on esitetty useita erilaisia mekanismeja. Prosessissa • · · • ·’ syntyy ainakin fulleriinipalloja (Qo), jotka todennäköisesti edelleen hajoavat toistuvassa • · · *· 1· laserpommituksessa, ja fulleriineistä syntyvillä hiilen kevyillä kaasumolekyyleillä • · ’···’ 25 (erityisesti C2) on merkittävä osuus hiilinanoputkien kasvuun (Appl.Phys.A 72, 2001, • · " Scott, C.D., et. ai., Growth mechanisms for single-wall carbon nanotubes in a laser- • · *···1 ablation process, s. 573-5 80). Perusmenetelmässä syntyy halkaisijaltaan erikokoisia nanoputkia, j onka on esitetty j ohtuvan siitä, että katalyyttimetallit j a hiili höyrystyvät eri • · \# tavoin eri kohdista kohtiota. Tämän ongelman poistamiseksi US patentissa 6,331,690, • · *”1 30 julk. 18.12.2001, NEC Corporation, on esitetty menetelmä, jossa grafiittikohtiota ja • · · i ’. 1 nikkeli/kobolttiseoskohtiota pommitetaan erikseen lasersäteilyllä, jolioin saadaan • · · • · • · • · · · • · • · · • 1 · • · 3 syntymään grafiittihöyrypilvi ja katalyyttimetallihöyrypilvi, jotka yhdistämällä saadaan katalysoitua yksiseinämäisten hiilinanoputkien kasvu.
Laserablaatioprosessi vaatii yleensä kuuman uunin, jossa ablaatio tehdään. US patentti 6,855,659. julk. 15.2.2005, NEC Corporation, esittää, että valmistamalla kohtio 5 ainakin osittain fulleriinityyppisestä hiilestä, edullisesti niin että kohtion pinta on kaareva, voidaan uunin lämpötila pudottaa lämpötilaan 500PC.
Appi. Phys. A 70,2000, Puretzky, et.al., Dynamics of single-wall carbon nanotube synthesis by laser vaporization, s. 153-160, esittää että laserablaatioprosessissa syntyvä pilvi sisältää aluksi atomeja ja molekyylejä, ei hiukkasia. Pilvestä kondensoituu ensin 10 hiilihiukkasia (alle millisekunnin kuluessa laserpulssista) ja vasta sen jälkeen katalyyttimetaUihiukkasia (2-3 ms pulssin jälkeen) ja että hiilinanoputkien kasvu tapahtuu pitkän aikavälin (luokkaa 3 sekuntia) kuluessa pulssin jälkeen. On hyvin mahdollista, että hiilihiukkaset toimivat kondensaatioytiminä katalyyttihiukkasten kasvulle ja katalyyttimetallihiukkaset toimivat sitten hiilinanoputkien kasvualustoina.
15 Vaikka laserablaatiomenetelmällä pystytään tuottamaan hyvälaatuisia yksiseinämäisiä hiilinanoputkia, on menetelmän ongelmana skaalautuvuus eikä tunnetun tekniikan mukaisilla laserablaatiolaitteilla pystytä tuottamaan suuria määriä hiilinanoputkia.
Hiilinanoputkia voidaan tuottaa myös CVD-prosessilla. Journal of Nanoscience and 20 Nanotechnology, Voi. 6, 2006, Nasibulin, A.G., et.al., Studies on Mechanism of Single-Walled Carbon Nanotube Formation, s. 1-14, esittää menetelmän, jossa hiilinanoputkia tuotetaan leijupetityyppisessä aerosoligeneraattorissa. Generaattooriin syötetään • · · • · 1 reaktiokaasuja (CO, H2/N2) ja katalyyttimetallihiukkaset tuotetaan reaktoriin • · t '·'· kuumalangan avulla siten, että katalyytti metalli höyrystyy kuumalangasta. Generaattori • · I; · 1 25 on valmistettu ruostumattomasta teräksestä ja kuumien osien osalta alumiinioksidista • · (AI2O3). Prosessissa syntyy ensin Fe-hiukkasia höyrystymis/kondensaatioreaktion kautta.
• · • 1 1 Tämän jälkeen CO reagoi muodostaen hiilihiukkasia katalyyttihiukksten pinnalle. Hiili ,. diffundoituu katalyyttihiukkasen läpi j a sen pintaa pitkin kasvattaen hiilinanoputken.
• 1 • 1 ·
*... C VD-menetelmän eri variaatioita on esitetty esimerkiksi patenttihakemuksessa WO
30 2005/085130,15.9.2005, Canatu Oy; patentissa US 6,692,717,17.2.2004, William Marsh • · · : .1 Rice University; patentissa US 7,125,534, 24.10.2006, William Marsh Rice University, • · · • · • · • · · · • · • · · • · · • · 4 patentissa US 7,138,100. 21.11.2006, William Marsh Rice University; patenttihakemuksessa US 2004/0265211, 30.12.2004; patenttihakemuksessa US 2006/0078489,13.4.2006; ja patenttihakemuksessa US 2006/0228289, 12.10.2006.
CVD-prosessissa on enemmän mahdollisia prosessivaihteluja kuin 5 laserablaatioprosessissa. Erityisesti reaktorilaitteen konstruktio ja materiaalit, erityisesti materiaaleista kuumassa lämpötilassa vapautuvat epäpuhtaudet, kaasujen epäpuhtaudet yms. vaikuttavat oleellisesti erityisesti yksiseinämäisten hiilinanoputkien tuotannon saantoon.
Hiilinanoputkien ominaisuuksia voidaan muuttaa, mikäli eri aineiden annetaan 10 adsorboitua niiden seinämiin. Fluori(F) -seostuksella saadaan nanoputken johtavuus laskettua eristeen tasolle, typpi(N)-ja boori(B)-seostuksella saadaan hiilinanoputki muutettua vastaavasti n-ja p-tyypin puolijohteeksi. Hiilinanoputkien valmistuksessa on siten oleellista, että valmistusmenetelmä ja laite tarjoavat hyvät mahdollisuudet hiilinanoputkien funktionalisointiin. N-ja B-seostus voidaan tehdä sekä laserablaatio-15 että CVD-prosessoinnin yhteydessä. Teoreettisesti on osoitettu, että ionisäteilytys B- ja N-ioneilla on tehokas tapa hiilinanoputkien seostamiseksi (Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 228,2005, Kotakoski, J., et.al., Irradiation-assisted substitution of carbon atoms with nitrogen and boron in single-walled carbon nanotubes, s. 31-36).
20 On olemassa tarve laitteelle, jossa seostettuja tai seostamattomia nanoputkia, erityisesti yksiseinämäisiä hiilinanoputkia voidaan tuottaa hyvin kontrolloiduissa ' ’ olosuhteissa jatkuvatoimisesti tai lähes jatkuvatoimisesti.
•« · • · · • · • · • · • · · ’· Keksinnön yhteenveto • · · t ♦ *—* 25 • * • · : " Laitteisto kohteena on laitteisto nanoputkien tuottamiseen, jossa laitteessa voidaan « · ’···* tuottaa seostettuja ja/tai seostamattomia yksi- tai moniseinämäisiä nanoputkia. Laitteisto käsittää ainakin termisen reaktorin, joka on ainakin kuumimmalta osaltaan ja ainakin • · *.. ’ osittain valmistettu materiaalista, joka termisen reaktorin kuumennuksen seurauksena • · *; * 30 ainakin osittain sublimoituu termiseen reaktoriin ja sublimoitunut materiaali ainakin ·· * : V osittain osallistuu nanoputkien kasvuun.
• · · • · • · · t · • « • · · * · · • · 5
Keksinnön eräässä suoritusmuodossa laitteen terminen reaktori on valmistettu grafiitista. Lämmittämällä grafiittia hallitusti korkeaan lämpötilaan, tyypillisesti yli 2000°C lämpötilaan ja edullisesti yli 2300°C lämpötilaan, saadaan syntymään kaasumaisia hiilimolekyylejä. Nämä hiilimolekyylit osallistuvat ainakin osittain 5 hiilinanoputkien kasvuun. Täten valmistamalla hiilinanoputkien valmistuslaitteiston kuuma kammio grafiitista, joka lämmitetään korkeaan lämpötilaan, saadaan luotua edullinen ja oleellisesti epäpuhtauksista vapaa ympäristö hiilinanoputkien kasvulle.
Keksinnön eräässä suoritusmuodossa grafiitista valmistettua, sylinterinmuotoista tennistä reaktoria lämmitetään induktiivisesti sylinterin ympärille sijoitetun induktiokelan 10 avulla. Tässä suoritusmuodossa sähkövirta kulkee sylinterin kehän suuntaisesti, jolloin sylinteriin saadaan helposti luotuoa nanoputkien kasvun kannalta edullinen lämpötilaprofiili. Induktiivinen lämmitys antaa myös mahdollisuuden suoritusmuodolle, jossa terminen reaktori koostuu useasta toisiinsa liittyvästä osasta, jotka voi olla valmistettu eri materiaalista ja joista jokaista voidaan tarvittaessa lämmittää erillisten 15 induktiokeloj en avulla.
Keksinnön eräässä suoritusmuodossa grafiitista valmistetun, induktiivisesti kuumennettavan sylinterin sisäpuolelle on asetettu metallisylinteri, esimerkiksi boorista valmistettu metallisylinteri, joka kuumenee grafiittisylinteristä johtuvan tai säteilevän lämmön ansiosta ja josta sublimoituu termiseen reaktoriin materiaali, joka osallistuu 20 nanoputkien kasvuun.
Keksinnön mukaiselle laitteelle on myös tyypillistä se, että koikea reaktorilämpötila mahdollistaa prosessissa tarvittavien aineiden, kuten katalysoivien metallien ·· · • · · • · 1 höyrystämisen suoraan reaktorikammion välittömässä läheisyydessä ja laitteen • · · *· “ lämpötilagradientti mahdollistaa höyrystämisen tarkasti halutussa lämpötilassa.
• · * · · · 1 25 Keksinnön mukaiselle laitteelle on myös tyypillistä se, että pinta, josta materiaalia • · : " sublimoituu, voidaan strukturoida sublimoitumispinta-alan lisäämiseksi.
• · * · · · 1 Keksinnön mukaisella laitteelle on myös tyypillistä se, että laitteen korkea seinämälämpötila oleellisesti estää kasvun generaattorin kuuman kammion seinämille, • « jolloin syntyvät hiilinanoputket voidaan tehokkaasti ohjata kaasuvirtausten mukana • · **' 30 laitteen keruuosaan.
·· · • · · • · • · • · · • · • · • · · · • · • · · • · · • · 6
Keksinnön mukaiselle laitteelle on myös tyypillistä se, että laitteen sisälle voidaan ohjata nanoputkien CVD-kasvussa tarvittavia materiaaleja ja täten valmistaa nanoputkia myös CVD-prosessia hyödyntäen.
5 Lvhvt piirustusten kuvaus
Kuva 1 esittää erästä suoritusmuotoa keksinnön mukaisesta laitteesta Piirustuksessa on esitetty selvyyden vuoksi vain keksinnön ymmärtämisen kannalta tarpeelliset yksityiskohdat. Keksinnön ymmärtämisen kannalta tarpeettomat, mutta ammattimiehelle 10 selvät rakenteet ja yksityiskohdat on jätetty kuvasta pois keksinnön ominaispiirteiden korostamiseksi.
Kuva 2 esittää esimerkinomaisesti keksinnön mukaisen laitteen grafiittiosan strukturointia.
Kuva 3 esittää esimerkinomaisesti keksinnön erästä suoritusmuotoa, jossa terminen 15 reaktori koostuu useasta osasta, joiden osien materiaali voi poiketa toisistaan.
Kuva 4 esittää esimerkinomaisesti keksinnön erästä suoritusmuotoa, jossa terminen reaktori koostuu lämmittävästä grafiittiosasta ja sen sisällä olevasta booria sisältävästä osasta, josta booria sublimoituu termiseen reaktoriin.
20 Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus
Kuvassa 1 on esitetty eräs keksinnön suoritusmuoto, jossa nanoputkien • · · ·_ ·’ tuotantolaitteessa 1 on oleellisesti ainakin kuumimmalta kohdaltaan grafiitista valmistettu • · · " terminen reaktori 2, jossa muodostetaan nanoputkia 3, jotka nanoputket 3 ovat • · *·1· 25 tyypillisesti seostettuja tai seostamattomia hiilinanoputkia. Termisen reaktorin 2 • · ·... ympärillä on lämpöeriste 4 ja eristeputki 5, jotka eristävät termisen reaktorin • · • · *·1 mduktiokelasta 6. Terminen reaktori 2 ja induktiokela 6 muodostavat nanoputkien .. tuotantolaitteen 1 lämmitysjäijestelmän. Lämmitysjäijestelmä on tyypillisesti sovitettu • 1 • · · *... nanoputkien tuotantolaitteen 1 rungon 7 sisään j a rungon ylä- j a alaosaan on esimerkissä • · • · *11 30 liitetty päätylaipat 8, jotka sulkevat lämmitysjäijestelmän oleellisesti rungon 7 sisälle.
·· · • · · : .' Runko 7 ja päätylaipat 8 ovat tyypillisesti vesijäähdytteiset. Jäähdytysjärjestelmää ei ole • · · • · • 1 ·· · · • · • · » • · · • » 7 esitetty kuvassa selkeyden vuoksi. Samasta syystä kuvassa ei ole esitetty kaikkia nanoputkien tuottolaitteeseen järjestettyjä keksinnön piiriin oleellisesti kuulumattomia rakenteita kuten esimerkiksi erilaisten kaasujen syöttämiseksi käytettäviä rakenteita.
Lämmitysjärjestelmä ympäröi osalta matkaa nanoputkien tuottolaitteen 1 sisälle 5 järjestettävää metallisauvaa 9. Esimerkissä metallisauva 9 jäljestetään termisen reaktorin 2 sisälle yläpuolisessa päätylaipassa 8 sijaitsevan aukon kautta. Ammattimiehelle on selvää, että metallisauva 9 voidaan järjestää termisen reaktorin 2 sisälle myös alapuolisessa päätylaipassa 8 sijaitsevan aukon kautta.
Termistä reaktoria 2 ympäröivään induktiokelaan 6 syötetään vaihtojännite 10 teholähteestä 10. Vaihtojännitteen taajuus on tyypillisesti 1-100 kHz. Jännite synnyttää grafiitista valmistettuun termiseen reaktoriin 2 pyörrevirran, joka kuvan 1 mukaisessa tapauksessa kiertää termisen reaktorin kehää pitkin. Termisen reaktorin 2 vastus aiheuttaa tehohäviön, jonka takia terminen reaktori 2 lämpenee. Terminen reaktori 2 on valmistettu esimerkin mukaisessa suoritusmuodossa ainakin kuumimmalta kohdaltaan grafiitista, 15 mutta se voidaan valmistaa myös muusta hiiltä sisältävästä materiaalista, kuten piikarbidista. Termiseen reaktoriin 2 muodostuu lämmityksen johdosta lämpötilaprofiili 11. Termisen reaktorin 2 lämpötilaa voidaan mitata pyrometrilla 12.
Termisestä reaktorista 2 vapautuu termisen reaktorin sisälle hiilimolekyylejä 13.
. Hiilen sublimaationopeus on riippuvainen termisen reaktorin 2 lämpötilasta, termisessä • · · · · • · ... 20 reaktorissa 2 virtaavien kaasujen 14 nopeudesta ja termisen reaktorin 2 (ali)paineesta, t · · • · ’. '. joka aikaansaadaan termiseen reaktoriin 2 pumpulla 15. Myöskään pumpun 15 • · · I..' jäähdytysjärjestelmää ei ole esitetty kuvassa 1 selkeyden vuoksi. Hiilimolekyylien • · tyypillinen vapautumisnopeus on argonvirtauksessa, 2700°C lämpötilassa luokkaa 5-10 x • ·· *... 10-5 g/cm s (Fizika Goreniya i Vzryva, voi. 5, no. 2, 1969, Golovina, E.S. & Kotova, • · 25 L.L., Gasification of carbon in the presence of sublimation and self-diffusion, s. 172- 176). Jotta vapautuvien hiilimolekyylien määrää saadaan kasvatettua, voidaan termisen • · · reaktorin 2 grafiittiosa strukturoida kuten kuvassa 2 on esitetty. Alan ammattimiehelle on • · * · ’ ilmeistä, että struktuurin koko voi vaihdella millimetriskaalasta nanometriskaalaan ja sen • · • ** tavoitteena on suuren sublimoitumispinta-alan aikaansaaminen. Sublimoitumispinta-alan • · * ·; · ’ 30 kasvattaminen voidaan myös aikaansaada ainakin osittain huokoisella rakenteella.
• · · :.: · Sublimoitumisnopeuteen voidaan vaikuttaa myös uunissa olevan kaasun paineella ja i « · • · · • · 8 säätämällä kaasuyhteistä 22 syötettävän kaasun määrääjä pumpulla 15 aikaansaatavaa imuvirtausta, voidaan uunin sisälle luoda normaalipaineesta poikeeava kaasun paine, joko ali- tai ylipaine.
Lämpimästä termisestä reaktorista 2 kohdistuu metallisauvaan 9 lämpösäteilyä, joka 5 lämmittää mainitun metallisauvan. Liiallisen lämmönjohtumisen estämiseksi laitteiston ulkopuolelle, metallisauva 9 on tyypillisesti kiinnitetty kvartsilasista valmistettuun putkeen 16. Jotta vältytään uunin muiden rakenteiden liialliselta lämpiämiseltä, on termisen reaktorin 2 ja induktiokelan 6 väliin sijoitettu lämpöeriste 4, joka on tyypillisesti grafiittivillaa. Eristeputki 5 on tyypillisesti valmistettu kvartsilasista ja se toimii 10 sähköisenä eristyksenä sähköisesti johtavan grafiitin j a induktiokelan 6 välillä.
Lämmitetystä metallisauvasta 9, jonka lämpötilaa voidaan mitata termoelementillä 17, sublimoituu metallihuurua 18 termiseen reaktoriin 2. Sublimoituvan metallihuurun 18 määrä riippuu metallisauvan 9 lämpötilasta, materiaalista ja termisen reaktorin 2 paineesta ja kaasuvirtauksista. Metallina voidaan käyttää esimerkiksi siirtymäalkuaineita, 15 kuten Fe, Co, Ni, Mo tai metalliseoksia. Alan ammattimiehelle on selvää, että metallista ja/tai metalliseoksesta riippuen metallisauva asetetaan eri kohtaan termistä reaktoria (eri lämpötilaan) ja keksinnön mukaisen laitteen lämpötilaprofiili antaa hyvän mahdollisuuden eri metallien käytölle. Alan ammattimiehelle on myös ilmeistä, että metallisauvoja 9 voi olla laitteessa useampi kuin yksi.
20 Metallisauvasta 9 höyrystyvä metalli 18 ydintyy/kondensoituu kaasuvirtausten 14 kuljettaessa metallihöyryn 18 termisen reaktorin 2 kuuman vyöhykkeen ohi. Termisestä ***** reaktorista sublimoituvilla hiilimolekyylien 13 ydintymisellä voi olla merkitystä • · · : 1.1 metallihuurujen 18 kondensoitumiselle. Kondensoituneet metallihiukkaset 19 • · *.2: katalysoivat hiilinanoputkien 3 kasvun ja ainakin osa hiilimolekyyleistä 13 osallistuu • ·· • · *...1 25 hiilinanoputkien 3 kasvuun.
• · • · • 2 Metallisauva voi olla myös muuta kuin katalyysiin tarvittavaa metallia, esimerkiksi ··· • · * · · · 1 booria, j olioin metallisauvasta 20 höyrystyvää booria voidaan käyttää nanoputkien seostamiseen.
• · • · * 1' Termiseen reaktoriin 2 voidaan tuoda kiinteitä lähtöaineita myös sijoittamalla • · ***** 30 kiinteätä lähtöainetta, esimerkiksi kiinteän lähtöaineen jauhetta platinaupokkaaseen 21, »· · • \· joka tuodaan termiseen reaktoriin 2 sopivaan lämpötilaan.
• · · • ♦ • « ·»· ♦ 2 • 1 • · · • ·♦ • · 9
Hiilinanoputkien tuotantonopeuden kasvattamiseksi ja nanoputkien seostamiseksi tenniseen reaktoriin 2 voidaan johtaa kaasuliitännöistä 22 nanoputkien kasvattamiseksi tarpeellisia kaasuja, kuten häkää CO, vetyä, Eb, hiilivetyjä (CH4, CiH^CsHg,...), typpeä N2, argonia Ar tai vastaavia. Ainakin osa kaasuliitännöistä 22 voi sijaita termisen 5 reaktorin jälkiosassa, jolloin kaasut eivät kulje termisen reaktorin kuumimman osan läpi.
Termisessä reaktorissa 2 syntyneet nanoputket voidaan kerätä termoforeesia hyväksikäyttäen jäähdytetyn keräysputken 23 sisäpinnalle. Termoforeettinen keräin voidaan myös muotoilla siten, että keräysalustana toimii nanoputkien lopullinen käyttökohde.
10 Kuvassa 2 on esitetty erilaisia pintastruktuureja, joita voidaan käyttää sublimaatiopinta-alan lisäämiseksi termisessä reaktorissa 2. Alan ammattimiehelle on ilmeistä, että on olemassa useita muita, kuvasta 2 poikkeavia tapoja sublimaatiopinta-alan kasvattamiseksi.
Eräs keksinnön suoritusmuoto on esitetty kuvassa 3. Selkeyden vuoksi kuvassa on 15 numeroitu vain kohdat, jotka ovat erilaisia kuin kuvassa 1. Tässä keksinnön suoritusmuodossa grafiittiseinämäinen terminen reaktori 2 on jaettu kolmeen osaan 2a-2c, joista jokaista voidaan erikseen lämmittää induktiokelojen 6a- 6c avulla. Induktiolämmitys antaa edullisesti mahdollisuuden tuottaa vaihtelevamuotoinen lämpötilaprofiili 11 termiseen reaktoriin. Jokaisen vyöhykkeen 2a- 2c 20 materiaalikoostumus voi olla erilainen, niinpä vyöhyke 2a voi olla esimerkiksi boorilla seostettua grafiittia, vyöhyke 2b grafiittia, jonka sisäpinta koostuu pääosin * 1 ’ 1 1 fulleriiniatomeista Qo j a vyöhyke 2c koboltilla seostettu grafiittia. Jokaisesta • · · : 1.1 vyöhykkeestä 2a- 2c sublimoituu erilaista hiiltä sisältävää höyryä 13a- 13 c.
• · ·. ·; Eräs keksinnön suoritusmuoto on esitetty kuvassa 4. Selkeyden vuoksi kuvassa on • · · • · 25 numeroitu vain kohdat, jotka ovat erilaisia kuin kuvassa 1. Tässä keksinnön ·· • · I 2 suoritusmuodossa termisen reaktorin lämmönlähteenä toimii grafiittisylinteri2, mutta • · · • · * ·. · 1 sylinterin sisäpuolelle on sijoitettu boorisylinteri 24. Tällöin grafiittisylinteristä säteilevä ja/tai johtuva lämpö saa boorisylinterin kuumenemaan, jolloin siitä alkaa vapautua • · • · ' 2 boorihöyryä 25. Valitsemalla sopivat katalyyttimetallimateriaalit ja syöttämällä termiseen • · · • · * · · · 1 30 reaktoriin typpeä saadaan esimerkin mukaisella laitteistolla valmistettua BN-nanoputkia.
• · · • · · • · • · • 1 1 • · • · • · · · 2 • · • · · • ·« • · 10
Eräs keksinnön suoritusmuoto on esitetty kuvassa 5. Selkeyden vuoksi kuvasta on numeoitu vain tämän suoritusmuodon kannalta oleelliset kohdat. Tässä keksinnön suoritusmuodossa grafiittiseinämäinen terminen reaktori 2 on jaettu kolmeen osaan 2a-2c, joista jokaista voidaan erikseen lämmittää induktiokelojen 6a - 6c avulla.
5 Induktiolämmitys antaa edullisesti mahdollisuuden tuottaa vaihtelevamuotoinen lämpötilaprofiili 11 termiseen reaktoriin. Jokaisen vyöhykkeen 2a- 2c materiaalikoostumus voi olla erilainen, niinpä vyöhyke 2a voi olla esimerkiksi boorilla seostettua grafiittia, vyöhyke 2b grafiittia, jonka sisäpinta koostuu pääosin fulleriiniatomeista C60 ja vyöhyke 2c koboltilla seostettu grafiittia. Jokaisesta 10 vyöhykkeestä 2a - 2c sublimoituu erilaista hiiltä sisältävää höyryä 13a- 13 c. Jokaisen vyöhykkeen 2a-2c halkaisija voi olla erilainen niin että termisessä reaktorissa liikkuvalla kaasulla voi olla erilainen nopeus eri vyöhykkeissä 2a- 2c. Kaasuvirtaus voidaan tuoda termiseen rekatoriin myös vyöhykkeiden 2a- 2c välisistä kohdista 26. Tämä mahdollistaa CVD-kasvukomponettien syöttämisen prosessin kannalta oikeisiin 15 palikkoihin ilman mahdollisia haitallisia esireaktioita. Alan ammattimiehellä on ilmeistä, että myös kiinteitä lähteitä voidaan vastaavasti syöttää termiseen reaktoriin vyöhykleiden 2a - 2c völisistä kohdista ja että näitä vyöhykkeiden välisiä kohtia voidaan käyttää myös prosessin monitorointiin. Edelleen termisen reaktorin kuvassa 5 esitetyllä muotoilulla voidaan aikaansaada kaasujen ja materiaalien liikkeen, kuten niiden diffuusion kannalta 20 ’virtauskohtia ja ’suvantokohtia’, joiden avulla prosessin aikavakiota voidaan säätää erilaiseksi eri osissa termistä reaktoria. Edelleen termisen reaktorin seinämän paksuuden ’·**· muotoilulla ja seinämän etäisyydellä induktiokelasta voidaan vaikuttaa termisen reaktorin ·♦ · • V lämpötilaprofiiliin.
• · V1: Eräs keksinnön suoritusmuoto on esitetty kuvassa 6. Selkeyden vuoksi kuvassa on • ·· 25 esitetty vain tämän suoritusmuodon kannalta oleelliset kohdat. Tässä keksinnön ·· : 1 1 suoritusmuodossa terminen reaktori koostuu erikseen lämmitettävästä ulkoputkesta ja ··· « » sisäputkesta 27, jonka sisäpuolella on edelleen lämpöeriste 28, kvartsilasiputki 29 ja induktiokela 30, jossa kierävää virtaa säädetään teholähteellä 31. Tällä suoritusmuodolla ·« • · J ** saadaan prosessiin tarvittavaa materiaalin sufclimoitumispinta-alaa edelleen kasvatettua, ··· • 1 *···1 30 koska rekatiotilan koko ei välttämättä kasva sublimoitusmispinta-alan kasvaessa.
·· · : · : Rakenne on edullinen laitteen skaalautumisen kannalta.
• · ··· t · • · * « · · • · • 1 · • ·· • · 11
Eräässä keksinnön suoritusmuodossa termisen rekatorin seinämämateriaalin, kuten grafiitin, syöttö laitteen sisälle on jäljestetty siten, että seinämän sublimoituessa seinämäputkea voidaan jatkuvasti syöttää laitteen sisälle, jolloin prosessi saadaan edullisesti jatkuvatoimiseksi. Alan ammattimiehelle on ilmeistä, että vastaavantyyppinen 5 kiinteän materiaalin syöttö voidaan toteuttaa jatkuvatoimisesti muillekin prosessimateriaaleille.
Edellä esitetyt nanoputkien tuottolaitteistojen suoritusmuodot eivät ole riippuvaisia termisen reaktorin muodosta. Termisellä reaktorilla voi siis olla kuvissa esitetystä sylinterimuodosta poikkeavia suoritusmuotoja. Muutenkin keksinnön esimerkinomaisten 10 suoritusmuotojen rakennetta voi muutella tavalla, joka on keksinnön hengen mukainen. Näin ollen esimerkiksi termistä reaktoria voidaan induktiokelan sijasta lämmittää vastuslämmityksen tyyppisesti yhdistämällä grafiittiosaan sähkösyöttö galvaanisella kytkennällä. Tämän vuoksi keksinnön esitettyä suoritusmuotoa ei tule tulkita keksintöä rajoittavasti, vaan keksinnön suoritusmuodot voivat vapaasti vaihdellajäljempänä 15 patenttivaatimuksissa esitettyjen keksinnöllisten piirteiden puitteissa.
• · • · · • · · • · • · • 9
• I I
• · f • 1 • · · • ♦ • · • t · • · • · • · • · · • · • · ··· • · • · • ·· • · · • · • · • · · • · · • · · • 1 • · • · · • · • · • · · · • · • · · • · · • ·
Claims (26)
1. Laitteisto nanoputkien tuottamiseen, jossa laitteessa voidaan tuottaa seostettuja ja/tai seostamattomia yksi- tai moniseinämäisiä nanoputkia, joka laitteisto käsittää ainakin termisen reaktorin, tunnettu siitä, että mainittu terminen reaktori on ainakin kuumimmalta osaltaan ja ainakin osittain valmistettu materiaalista, joka termisen reaktorin kuumennuksen seurauksena ainakin osittain sublimoituu termiseen reaktoriin ja sublimoitunut materiaali ainakin osittain osallistuu nanoputkien kasvuun.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että mainittu terminen reaktori on ainakin kuumimmalta osaltaan grafiittia tai seostettua grafiittia.
3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laitteisto, tunn ettu siitä, että termistä reaktoria lämmitetään johtamalla ainakin osaan termistä reaktoria sähkövirta.
4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että sähkö kytketään termiseen reaktoriin induktiivisesti.
5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että termiseen reaktoriin muodostuu lämmityksen seurauksena lämpötilaprofiili.
6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että terminen reaktori kuumennetaan ainakin kuumimmalta kohdaltaan lämpötilaan, jossa hiilimolekyylejä sublimoituu termisen reaktorin seinämäpinnasta ja kyseiset • c < , 1, hiilimolekyylit osallistuvat ainakin osittain hiilinanoputkien kasvuprosessiin. ;, c' 7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ‘ termisen reaktorin kuumimman kohdan lämpötila on vähintään 2000°C.
8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että termisen reaktorin kuumimman kohdan lämpötila on vähintään 2300°C. , . 9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että terminen reaktori koostuu useammasta kuin yhdestä vyöhykkeestä, joiden 1 materiaali voi olla erilainen. " 10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laitteisto, tunn ettu siitä, että eri vyöhykkeet lämmitetään eri induktiokeloilla. li! Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, jossa materiaalin viipymäaika voi vaihdella eri kohdissa laitteistoa, tunnettu siitä, että viipymäajan vaihtelu aikaansaadaan vaihtelemalla termisen reaktorin kaasuvirtausten poikkipinta-alaa.
12. Patenttivaatimusten 9-11 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että termisen reaktorin eri vyöhykkeiden väliin syötetään prosessin raaka-aineita.
13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteiston termisiä ja syötettyjä kaasuvirtauksia muuttamalla saadaan muutettua raaka-aineiden viipymäaikaa termisessä reaktorissa tai sen eri osissa.
14. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että termisen reaktorin sähkövirralla kuumennettavan osan sisäpuolella on materiaalia, johon kuumennuksen seurauksena siirtyy lämpöä termisestä reaktorista, ja joka materiaali tämän johdosta ainakin osittain sublimoituu termiseen reaktoriin ja joka sublimoitunut materiaali osallistuu ainakin osittain nanoputkien kasvuprosessiin.
15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että kuumennettava materiaali voidaan kiinteästi tai ohjausjärjestelmän avulla asettaa termisessä reaktorissa kohtaan, jossa kuumennettavan materiaalin lämpötila poikkeaa termisen reaktorin kuumimman kohdan lämpötilasta.
16. Patenttivaatimusten 14-15 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että kyseinen 11 ί [ L sublimoituva materiaali on transitioalkuainetta. 1' 17. Patenttivaatimusten 14-15 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että kyseinen ,'1 sublimoituva materiaali on booria.
18. Patenttivaatimusten 14-15 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että kyseinen sublimoituva materiaali on fulleriinia.
19. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että termisen reaktorin pinta on ainakin osittain strukturoitu sublimaatiopinta-alan lisäämiseksi.
20. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että terminen reaktori koostuu kahdesta sisäkkäisestä osasta, joiden molempien osien lämpötilaa voidaan säätää yhdessä tai erikseen ja joiden väliin jää nanoputkien kasvuun tarvittava reaktoritila. 21: Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä että sublimoituvien materiaalin syöttö laitteeseen on jäqestetty jatkuvatoimisesti.
22. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, etä termisen reaktorin lämpötilaprofiilia säädetään muuttamalla termisen reaktorin seinämäpaksuutta.
23. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että termisen reaktorin lämpötilaprofiilia säädetään muuttamalla termisen reaktorin seinämän etäisyyttä induktiokelasta.
24. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että termisen reaktorin sisälle tuotettavan kaasuilmakehän paine poikkeaa normaalipaineesta.
25. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistoon syötetään nanoputkien CVD-kasvuprosessissa tarvittavia raaka-aineita.
26. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että tuotetun nanoputket kerätään termoforeesin avulla. 1 < c ' c.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20070231A FI120450B (fi) | 2007-03-21 | 2007-03-21 | Laite nanoputkien tuottamiseksi |
| CN2008800092383A CN101641282B (zh) | 2007-03-21 | 2008-03-20 | 用于生成纳米管的设备和方法 |
| PCT/FI2008/050129 WO2008113892A1 (en) | 2007-03-21 | 2008-03-20 | Device and method for producing nanotubes |
| US12/529,361 US8475760B2 (en) | 2007-03-21 | 2008-03-20 | Device and method for producing nanotubes |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20070231 | 2007-03-21 | ||
| FI20070231A FI120450B (fi) | 2007-03-21 | 2007-03-21 | Laite nanoputkien tuottamiseksi |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FI20070231A0 FI20070231A0 (fi) | 2007-03-21 |
| FI120450B true FI120450B (fi) | 2009-10-30 |
Family
ID=37930033
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FI20070231A FI120450B (fi) | 2007-03-21 | 2007-03-21 | Laite nanoputkien tuottamiseksi |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8475760B2 (fi) |
| CN (1) | CN101641282B (fi) |
| FI (1) | FI120450B (fi) |
| WO (1) | WO2008113892A1 (fi) |
Families Citing this family (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110125412A1 (en) * | 1998-12-17 | 2011-05-26 | Hach Company | Remote monitoring of carbon nanotube sensor |
| US7454295B2 (en) | 1998-12-17 | 2008-11-18 | The Watereye Corporation | Anti-terrorism water quality monitoring system |
| US8958917B2 (en) * | 1998-12-17 | 2015-02-17 | Hach Company | Method and system for remote monitoring of fluid quality and treatment |
| US9056783B2 (en) * | 1998-12-17 | 2015-06-16 | Hach Company | System for monitoring discharges into a waste water collection system |
| US8920619B2 (en) | 2003-03-19 | 2014-12-30 | Hach Company | Carbon nanotube sensor |
| CN100418876C (zh) * | 2005-08-19 | 2008-09-17 | 清华大学 | 碳纳米管阵列制备装置及方法 |
| JP5375293B2 (ja) * | 2009-04-09 | 2013-12-25 | トヨタ自動車株式会社 | カーボンナノチューブの製造方法およびカーボンナノチューブ製造装置 |
| AU2015249316B2 (en) * | 2014-04-24 | 2017-03-30 | Bnnt, Llc | Continuous boron nitride nanotube fibers |
| KR102515356B1 (ko) | 2014-11-01 | 2023-03-30 | 비엔엔티 엘엘씨 | Bnnt 합성을 위한 타겟 홀더, 다입사각 및 다영역 가열 |
| US10444384B2 (en) | 2015-05-13 | 2019-10-15 | Bnnt, Llc | Boron nitride nanotube neutron detector |
| JP6705837B2 (ja) * | 2015-05-21 | 2020-06-03 | ビイエヌエヌティ・エルエルシイ | 直接誘導による窒化ホウ素ナノチューブ合成 |
| US9812295B1 (en) | 2016-11-15 | 2017-11-07 | Lyten, Inc. | Microwave chemical processing |
| US9997334B1 (en) | 2017-02-09 | 2018-06-12 | Lyten, Inc. | Seedless particles with carbon allotropes |
| US9767992B1 (en) | 2017-02-09 | 2017-09-19 | Lyten, Inc. | Microwave chemical processing reactor |
| JP7042282B2 (ja) | 2017-03-16 | 2022-03-25 | ライテン・インコーポレイテッド | 炭素及びエラストマーの融合 |
| US10920035B2 (en) | 2017-03-16 | 2021-02-16 | Lyten, Inc. | Tuning deformation hysteresis in tires using graphene |
| US9862606B1 (en) | 2017-03-27 | 2018-01-09 | Lyten, Inc. | Carbon allotropes |
| US9862602B1 (en) | 2017-03-27 | 2018-01-09 | Lyten, Inc. | Cracking of a process gas |
| US10465128B2 (en) | 2017-09-20 | 2019-11-05 | Lyten, Inc. | Cracking of a process gas |
| US10756334B2 (en) | 2017-12-22 | 2020-08-25 | Lyten, Inc. | Structured composite materials |
| WO2019136181A1 (en) * | 2018-01-04 | 2019-07-11 | Lyten, Inc. | Resonant gas sensor |
| WO2019143559A1 (en) | 2018-01-16 | 2019-07-25 | Lyten, Inc. | Microwave transparent pressure barrier |
| US11555473B2 (en) | 2018-05-29 | 2023-01-17 | Kontak LLC | Dual bladder fuel tank |
| US11638331B2 (en) | 2018-05-29 | 2023-04-25 | Kontak LLC | Multi-frequency controllers for inductive heating and associated systems and methods |
| CN113353919B (zh) * | 2020-03-04 | 2022-11-01 | 哈尔滨金纳科技有限公司 | 一种单壁碳纳米管制备装置 |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05238718A (ja) * | 1992-02-27 | 1993-09-17 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | フラーレンの製造方法及び装置 |
| JP3077655B2 (ja) * | 1997-12-22 | 2000-08-14 | 日本電気株式会社 | カーボンナノチューブの製造装置及びその製造方法 |
| US6692717B1 (en) * | 1999-09-17 | 2004-02-17 | William Marsh Rice University | Catalytic growth of single-wall carbon nanotubes from metal particles |
| US7125534B1 (en) * | 1998-09-18 | 2006-10-24 | William Marsh Rice University | Catalytic growth of single- and double-wall carbon nanotubes from metal particles |
| JP3422302B2 (ja) * | 1999-09-22 | 2003-06-30 | 日本電気株式会社 | カーボンナノチューブの製造方法及びレーザターゲット |
| US6401526B1 (en) * | 1999-12-10 | 2002-06-11 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Carbon nanotubes and methods of fabrication thereof using a liquid phase catalyst precursor |
| DE10055033A1 (de) * | 2000-11-07 | 2002-05-08 | Aixtron Ag | CVD-Reaktor mit grafitschaum-isoliertem, rohrförmigen Suszeptor |
| US7138100B2 (en) * | 2001-11-21 | 2006-11-21 | William Marsh Rice Univesity | Process for making single-wall carbon nanotubes utilizing refractory particles |
| US20040265211A1 (en) * | 2001-12-14 | 2004-12-30 | Dillon Anne C. | Hot wire production of single-wall carbon nanotubes |
| ITPD20020316A1 (it) * | 2002-12-11 | 2004-06-12 | Mauro Schiavon | Dispositivo e metodo per la creazione di fullereni e/o nanotubi |
| FI121334B (fi) | 2004-03-09 | 2010-10-15 | Canatu Oy | Menetelmä ja laitteisto hiilinanoputkien valmistamiseksi |
| US20060078489A1 (en) * | 2004-09-09 | 2006-04-13 | Avetik Harutyunyan | Synthesis of small and narrow diameter distributed carbon single walled nanotubes |
| US7871591B2 (en) * | 2005-01-11 | 2011-01-18 | Honda Motor Co., Ltd. | Methods for growing long carbon single-walled nanotubes |
-
2007
- 2007-03-21 FI FI20070231A patent/FI120450B/fi not_active IP Right Cessation
-
2008
- 2008-03-20 CN CN2008800092383A patent/CN101641282B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2008-03-20 WO PCT/FI2008/050129 patent/WO2008113892A1/en active Application Filing
- 2008-03-20 US US12/529,361 patent/US8475760B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20100072429A1 (en) | 2010-03-25 |
| US8475760B2 (en) | 2013-07-02 |
| FI20070231A0 (fi) | 2007-03-21 |
| CN101641282A (zh) | 2010-02-03 |
| WO2008113892A1 (en) | 2008-09-25 |
| CN101641282B (zh) | 2013-04-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| FI120450B (fi) | Laite nanoputkien tuottamiseksi | |
| US20200230566A1 (en) | Method and device to synthesize boron nitride nanotubes and related nanoparticles | |
| Xu et al. | Advances in synthesis and applications of boron nitride nanotubes: A review | |
| Hutchison et al. | Double-walled carbon nanotubes fabricated by a hydrogen arc discharge method | |
| Laplaze et al. | Carbon nanotubes: dynamics of synthesis processes | |
| KR101262827B1 (ko) | 플러렌으로 기능화된 탄소나노튜브 | |
| Farhat et al. | Review of the arc process modeling for fullerene and nanotube production | |
| Wei et al. | The effect of sulfur on the number of layers in a carbon nanotube | |
| Tripathi et al. | Fine-tuning control on CNT diameter distribution, length and density using thermal CVD growth at atmospheric pressure: an in-depth analysis on the role of flow rate and flow duration of acetylene (C 2 H 2) gas | |
| Gattia et al. | AC arc discharge synthesis of single-walled nanohorns and highly convoluted graphenesheets | |
| Xu et al. | Evolution of nanoparticles in the gas phase during the floating chemical vapor deposition synthesis of carbon nanotubes | |
| Shiozawa et al. | Catalyst and Chirality Dependent Growth of Carbon Nanotubes Determined Through Nano‐Test Tube Chemistry | |
| Sun et al. | Strategies for scalable gas-phase preparation of free-standing graphene | |
| Li et al. | Emission spectra analysis of arc plasma for synthesis of carbon nanostructures in various magnetic conditions | |
| Zhang et al. | Reaction Pathway Analysis of B/Li2O in a Li–B–O System for Boron Nitride Nanotube Growth | |
| KR100658113B1 (ko) | 화학기상응축법에 의한 실리카 코팅 나노철분말 합성공정 | |
| Ou et al. | Characteristics of graphene-layer encapsulated nanoparticles fabricated using laser ablation method | |
| Kowalska et al. | Structural, thermal, and electrical properties of carbonaceous films containing palladium nanocrystals | |
| Tiwari et al. | Engineering the physical parameters for continuous synthesis of fullerene peapods | |
| Bokhonov et al. | In situ investigation of morphological and phase changes during thermal annealing and oxidation of carbon-encapsulated copper nanoparticles | |
| Prilutskiy et al. | Synthesis of carbon nanomaterials by a catalytic disproportionation of carbon monoxide | |
| US20040124093A1 (en) | Continuous production and separation of carbon-based materials | |
| Sakhapov et al. | Experimental and theoretical study of the conditions for the formation of carbon nanostructures in an arc discharge in helium, argon and nitrogen | |
| Zhang et al. | Synthesize and Characterization of Hollow Boron‐Nitride Nanocages | |
| Haluska | Synthesis of Tridimensional Ensembles of Carbon Nanotubes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG | Patent granted |
Ref document number: 120450 Country of ref document: FI |
|
| MM | Patent lapsed |