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CN1304103C

Plasma-assisted carbon structure forming

Abstract

The present invention provides a method and device for exciting, regulating and maintaining plasma for synthesizing carbon structures. In one embodiment, a method for synthesizing a carbon structure is provided, which includes forming a plasma by subjecting a gas to electromagnetic radiation in the presence of a plasma catalyst, and adding at least one carbon-containing material to the plasma to form a plasma. A carbon structure is grown on the substrate. Various types of plasma catalysts are also provided in the present invention.

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Expired 7 May 2023, 3.4 years ago.

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45 claims: 2 independent, 43 dependent

  1. 1
    第 1. 一种合成包括碳原子的第一预定结构的方法,该方法包括: 在等离子体催化剂存在的情况下,通过使至少第一气体受到电磁辐射 在第一腔中形成第一等离子体,其中辐射的频率小于约333 GHz; 将含碳材料加入所述等离子体;以及 在衬底表面生长所述预定结构。
  2. 2
    根据权利要求1的方法,其中所述等离子体催化剂是惰性等离子体 催化剂和活性等离子体催化剂中的至少一种。
  3. 3
    根据权利要求2的方法,其中所述惰性催化剂包括金属、碳、碳基 合金、碳基复合物、导电聚合体、导电硅橡胶弹性体、聚合纳米复合物和 有机无机复合物中的至少一种。
  4. 4
    根据权利要求3的方法,其中所述催化剂的形式为纳米粒子、纳米 管、粉末、粉尘、薄片、纤维、薄板、针、线、绳、细丝、纱、细绳、刨 花、裂片、碎片、编织线、带和须中的至少一种。
  5. 5
    根据权利要求4的方法,其中所述等离子体催化剂包括碳纤维。
  6. 6
    根据权利要求2的方法,其中所述催化剂包括金属、碳、碳基合金、 碳基复合物、导电聚合体、导电硅橡胶弹性体、聚合纳米复合物和有机无 机复合物中的至少一种。
  7. 7
    根据权利要求2的方法,其中所述催化剂按比率包括至少一种导电 成分和至少一种添加剂,该方法还包括维持所述等离子体,其中所述维持 步骤包括: 将附加的电磁辐射引入所述腔;以及 允许所述催化剂被所述等离子体消耗,从而所述等离子体包括所述至 少一种添加剂。
  8. 8
    根据权利要求1的方法,其中所述等离子体催化剂包括活性等离子 体催化剂,该活性等离子体催化剂包括至少一种电离粒子。
  9. 9
    根据权利要求8的方法,其中所述至少一种电离粒子包括一束粒子。 03810273.0 第
  10. 10
    根据权利要求1的方法,其中所述等离子体催化剂是含碳材料。
  11. 11
    根据权利要求1的方法,其中所述衬底表面包括催化的构图表面。
  12. 12
    根据权利要求11的方法,其中所述构图表面包括多个催化粒子。
  13. 13
    根据权利要求1的方法,其中所述衬底表面包括构图金属、傑、 石英、铁、钻、碳化硅和含铜的氧化铁中的至少一种。
  14. 14
    根据权利要求1的方法,其中所述加入步骤包括通过选自如下的 激发方法激发所述含碳材料:将光束引入所述含碳材料和将离子束引入所 述含碳材料,从而将所述含碳材料加入第二等离子体。
  15. 15
    根据权利要求14的方法,其中所述第一等离子体和所述第二等 离子体相同。
  16. 16
    根据权利要求1的方法,其中所述预定结构选自:单壁碳纳米管、 多壁碳纳米管、石墨多面体、石墨结构、富勒烯结构、金刚石结构及其任 意组合。
  17. 17
    根据权利要求1的方法,还包括利用第二等离子体加热所述衬底 表面。
  18. 18
    根据权利要求17的方法,其中所述第一等离子体和所述第二等 离子体相同。
  19. 19
    根据权利要求1的方法,还包括在所述生长期间通过将足量的电 磁辐射引入所述腔来维持所述等离子体,其中所述引入选自:连续引入、 周期性引入、程序化引入及其任意组合,以至少控制所述预定结构的生长 速度。
  20. 20
    根据权利要求19的方法,其中所述等离子体具有相关的温度, 该方法还包括根据预定温度分布,通过改变流过所述腔的气流和所述腔中 的电磁辐射水平中的至少之一来控制所述温度,以至少控制所述预定结构 的生长速度。
  21. 21
    根据权利要求19的方法,其中所述维持步骤包括通过波导管、 同轴电缆和天线中的至少一种提供所述足量的电磁辐射,以便所述电磁辐 射穿过所述容器并被所述气体吸收以形成所述等离子体。 03810273.0 第
  22. 22
    根据权利要求19的方法,其中所述腔具有至少具有一种表面特 征的内表面,并且其中所述生长步骤包括在基于所述至少一种表面特征的 所述衬底表面上形成所述预定结构的第一图形。
  23. 23
    根据权利要求19的方法,其中所述生长步骤包括: 在第一组生长条件下在所述衬底表面上生长所述第一预定结构;以及 在生长所述第一预定结构后,在第二组生长条件下生长第二预定结构, 其中在所述衬底表面、所述第一预定结构及其结合中的至少一种上生长所 述第二预定结构。
  24. 24
    根据权利要求1的方法,其中第二腔和所述第一腔相连,所述方 法还包括: 在所述第二腔中放置所述衬底; 在所述生长期间在所述第一腔中维持所述等离子体;以及 在所述加入步骤之后将所述至少一种含碳材料从所述第一腔流入所述 第二腔,从而允许在所述第二腔中进行所述生长。
  25. 25
    根据权利要求1的方法,其中所述第一腔在具有开口的容器中形 成,所述方法还包括: 将所述衬底放置在所述第一腔外的所述开口附近; 在所述生长期间在所述第一腔中维持所述等离子体;以及 将所述至少一种含碳材料从所述第一腔穿过所述开口,从而允许在所 述衬底上进行所述生长。
  26. 26
    根据权利要求1的方法,还包括将包含非碳原子的材料加入所述 等离子体,以便所述预定结构包括碳原子和非碳原子。
  27. 27
    根据权利要求1的方法,还包括将至少第二气体加入所述等离子 体。 2 根据权利要求1的方法,其中所述第二气体包括氢。 29.根据权利要求1的方法,其中通过调节如下来控制所述生长:加 入所述气体的速度、将所述电磁辐射引入所述腔的速度、加入所述含碳材 料的速度及其任意组合。 03810273.0 第
  28. 28
    30. —种合成包括碳原子的第一预定结构的系统,该系统包括:第一容器,在其中形成有第一腔; 电磁辐射源,设置成将电磁辐射引入所述腔; 至少一种气体源,与所述第一腔相连,用于向所述腔提供气体; 等离子体催化剂,设置在所述电磁辐射中; 碳源,设置与所述腔流体连通; 等离子体控制器,按程序控制所述辐射和所述至少一种气体中的至少 一种以产生足量的等离子体,从而运送含碳材料;以及 生长催化剂,用于在衬底上生长所述预定结构。 31.根据权利要求30的系统,其中所述等离子体催化剂是惰性等离 子体催化剂和活性等离子体催化剂中的至少一种。 32.根据权利要求30的系统,其中所述惰性催化剂包括金属、碳、 碳基合金、碳基复合物、导电聚合体、导电硅橡胶弹性体、聚合纳米复合 物和有机无机复合物中的至少一种。 33.根据权利要求30的系统,其中所述惰性催化剂的形式为纳米粒 子、纳米管、粉末、粉尘、薄片、纤维、薄板、针、线、绳、细丝、纱、 细绳、刨花、裂片、碎片、编织线、
  29. 29
    34. 根据权利要求30的系统, 一种导电成分和至少一种添加剂。
  30. 30
    35. 根据权利要求30的系统, 种电离粒子。
  31. 31
    36. 根据权利要求35的系统, 粒子。
  32. 32
    37. 根据权利要求30的系统, 变的产物。
  33. 33
    38. 根据权利要求30的系统, 带和须中的至少一种。 其中所述惰性催化剂按比率包括至少 其中所述等离子体催化剂包括至少一 其中所述至少一种电离粒子包括一束 其中所述等离子体催化剂是放射性裂 还包括在其中形成有第二腔的第二容 器,其中所述衬底位于所述第二腔中,并且其中所述第一腔和所述第二腔 相连以便在所述运送期间所述含碳材料能够从所述第一腔流入所述第二 03810273.0 第 腔,以在所述第二腔中进行所述生长步骤。
  34. 34
    39. 根据权利要求30的系统,其中所述容器具有一个开口,并且其 中所述运送步骤包括将所述至少一种含碳材料穿过所述开口以在所述腔 外进行所述生长步骤。
  35. 35
    40. 根据权利要求30的系统,还包括与所述电磁辐射源相连的波导 器、同轴电缆和辐射天线中的至少一种。
  36. 36
    41. 根据权利要求30的系统,其中所述第一容器基本上透射电磁辐 射。
  37. 37
    42. 根据权利要求30的系统,其中所述第一容器包括基本上透射电 磁辐射并基本上不透气的材料。
  38. 38
    43. 根据权利要求30的系统,还包括在其中设置有所述第一容器的 辐射器,其中所述辐射器包括基本上不透射电磁辐射的材料。
  39. 39
    44. 根据权利要求30的系统,还包括用于控制所述衬底温度的温度 控制器。
  40. 40
    45. 一种合成包括碳原子的结构的方法,该方法包括: 在等离子体催化剂存在的情况下,通过使至少一种气体受到电磁辐射 在第一腔中形成等离子体,其中所述辐射的频率小于约333 GHz,所述等 离子体用于合成所述结构;以及 合成所述结构。
  41. 41
    46. 根据权利要求45的方法,其中所述等离子体催化剂是惰性等离 子体催化剂和活性等离子体催化剂中的至少一种。
  42. 42
    47. 根据权利要求46的方法,其中所述催化剂包括金属、碳、碳基 合金、碳基复合物、导电聚合体、导电硅橡胶弹性体、聚合纳米复合物和 有机无机复合物中的至少一种。 4 根据权利要求47的方法,其中所述催化剂的形式为纳米粒子、 纳米管、粉末、粉尘、薄片、纤维、薄板、针、线、绳、细丝、纱、细绳、 刨花、裂片、碎片、編织线、带和须中的至少一种。 49.根据权利要求48的方法,其中所述等离子体催化剂包括碳纤维。 03810273.0 第
  43. 43
    50. 根据权利要求45的方法,其中所述等离子体催化剂包括活性等 离子体催化剂,所述活性等离子体催化剂包括至少一种电离粒子。
  44. 44
    51. 根据权利要求50的方法,其中所述至少一种电离粒子包括一束 粒子。
  45. 45
    52. 权利要求45的方法,其中所述合成步骤包括在衬底上生长所述 结构。 03810273.0
Independent claims45