纳米结构体制造技术

一种各向异性的纳米尺寸结构体，它由选自周期表中的ⅠＡ和ⅡＡ族中的至少一种元素和选自ⅢＡ、ⅣＡ和ⅤＡ族中的至少一种元素形成。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及纳米管，尤其是涉及用于制备纳米管的方法和装置。更具体而言，本专利技术涉及由除碳之外的材料构成的纳米管或含有碳、但由于其碳含量低而通常没有被分类为碳纳米管的纳米管。更具体地说，本专利技术还涉及精确限定的纳米结构体(nanostructure)，如管、棒和纤维之类的纳米管以及其它纳米结构体，但不涉及各向同性结构体，比如纳米粒子(例如，球体)，所述各向同性结构体缺乏任何内聚结构体，因此其不形成本专利技术的一部分。
技术介绍
碳纳米管是以形成结晶形石墨的碳原子的六方晶格为基础的有效圆柱结构体。碳纳米管可以具有单壁或多壁结构体。碳纳米管能够根据壁内石墨环的直径和排列而起半导体或金属的作用。因此，碳纳米管是具有与众不同的电子和机械性质的独特纳米结构体。碳纳米管通常具有约0.4纳米(nm)～100nm的直径以及高达约1cm的长度。纳米管可以看作是用于一维量子导线的原型，并且这些性质具体来源于它们的结构体。纳米管群可以连接在一起形成分子导线。实际上，碳纳米管是一种富勒烯(fullerene)，并且碳纳米管的末端必须由富勒烯状帽形成。因此，碳纳米管的直径只能小到与富勒烯分子一样小。出现了碳纳米管的一维电子性质，原因在于电子在垂直于碳纳米管轴的方向上的量子约束(quantum confinement)。结果是产生了大量的一维导电和价带，其中大部分的碳纳米管结构体半导体特性的，少部分表现为金属行为，这取决于形成纳米管的碳原子的六边形网络的直径和排列。人们对于碳纳米管可能的令人感兴趣的电性能、磁性能、非线性光学性能、热性能和机械性质有很多期待。事实上，碳纳米管表现出比钢和其它合金更大的机械强度和应变特性。同时，碳纳米管密度低，其密度与传统类型的陶瓷或聚合材料的密度相当，或更小。WO02/081366描述了一种制备碳纳米管的方法，在该方法中，在加热元件附近的反应室内，提供能够支撑碳纳米管生长的基材。然后，使气态含碳材料进入至反应室中，以使该气态含碳材料越过基材并与之接触，结果是在该基材上生长出碳纳米管。据说该方法可以在低至300℃的温度下制备碳纳米管。WO02/42204公开了一种制备碳纳米管复合结构体的方法，该专利试图克服采用更致密的材料如金属、陶瓷或聚合物基体制备碳纳米管复合物的问题。它提出在制备该材料的一个问题来源于材料之间的密度差异所导致复合材料与重量轻的碳纳米管重力分离的事实。此外，在复合物形成过程中，静电性质导致附聚，从而导致不能可靠地形成复合材料的均质基体。在现有技术中，对于一氮化三锂纳米管或相关的各向异性(或甚至于，各向同性)纳米结构体，没有公开任何先前工作。此外，没有证据表明存在由非金属元素形成的、含有1族元素的纳米结构的氮化物、碳化物或与其它化合物。氮化镁是现有技术中纳米结构的2族元素材料的唯一实例(CN1109022A)。该在先技术描述了纳米粒子(即，纳米尺寸的-近似各向同性的粒子-球体)，而不是如本专利技术中的各向异性结构体。WO98/24576A公开了“纳米结构”金属、合金和碳化物，但是它们也是直径小于100nm的近似各向同性的纳米粒子。US5876682公开了小于1000nm的纳米结构的氮化物陶瓷粉末，而且这些基本上是各向同性的材料。CN1348919A公开了纳米大小的碳化钛，但是另一方面，这些碳化物是纳米粒子，并且该专利只公开了一种单一材料。类似地，CN1371863公开了纳米大小的硼化钛，而这些材料是纳米粒子形式。该专利也只包括一个实例。US5997832公开了直径小于100nm和纵横比为10-1000的金属碳化物的纳米棒，而WO96/30570A公开了各种金属碳化物的纳米纤维，但是在各种情况下，该专利都没有公开任何纳米管类型的结构体。
技术实现思路
然而，现有技术没有公开完全或主要以除碳之外的其它材料为基础的任何形式的纳米管或以IA族金属为基础的任何真正各向异性的纳米结构体。碳纳米管由于其可以梯级改变各种体系的性能的可能性而引起了人们的兴趣。然而，碳纳米管应用的数量受到结构体的范围和可利用的电子性质的限制。本专利技术旨在提供各种由除了碳之外的材料形成的纳米尺寸结构体，如纳米棒、纳米纤维和纳米管。而且，制备结合有碳由于它们有含量低(即小于50％的碳含量)而没有被分类为碳纳米结构体的纳米尺寸结构体，也在本专利技术范围内。根据本专利技术的一个方面，提供一种各向同性纳米尺寸结构体，该结构体由选自周期表中的IA和IIA族中的至少一种元素以及选自IIIA、IVA和VA中的至少一种元素形成。在一个实施方案中，纳米结构体是无机的。优选地，该结构体由选自周期表中的IA族的至少一种元素和选自IIIA、IVA和VA族中的至少一种元素形成。更优选地，该结构体由选自IA族中的至少一种元素和选自VA族中的至少一种元素形成。优选地，IA族元素为锂、钠或钾，更优选该元素为锂。在一个实施方案中，选自IIIA、IVA和VA族的元素是是选自这些族中的非金属元素。因此，选自IIIA、IVA和VA族的一种或多种元素是硼、碳、硅或氮中的一种或多种。更优选地，非金属元素是VA族元素，最优选VA族元素为氮。因此，最优选纳米结构体是基于一氮化三锂(Li3N)的。优选地，该结构体为纳米管、纳米棒或纳米纤维。更优选该结构体为纳米管。在本专利技术的纳米结构体中，为了改进纳米结构体的性质，可以用另外的元素如氢或过渡金属、优选铜、镍、钴、铁、锰和锌代替部分或全部的IA和IIA族金属元素。因此，在纳米结构体形成过程中，过渡金属或氢也可以任选存在于反应容器中。在本专利技术的另一方面，该纳米结构体是这样一种纳米管，其中空心型芯被另外材料如金属填充以形成金属纳米线。在本专利技术的再一个实施方案中，为了改善或修整纳米结构体的性质，可以对纳米结构体进行化学改性。因此，在一氮化三锂的情况下，可以部分氧化纳米结构体，以制备非化学计量的含有锂、氮和氧的结构体，或者以制备实际上基于氧化锂的纳米结构体。在本专利技术的另一个方面，提供一种制备前面定义的纳米结构体的方法，所述方法包括在处于大气压和10-4托压力之间的压力下的密封加热室中，使IA或IIA族的金属暴露于IIIA、IVA或VA族元素的气态源中，任选在过渡金属的存在下，其中温度的上限为不超过1200℃。优选地，在本方法中，温度上限由化合物的分解温度限定。在一个实施方案中，该方法用于制备一氮化三锂。在这种情况下，在密封容器中、在氮的存在下，加热锂，直到容器内的压力恒定为止，从而形成一氮化三锂纳米结构体。无机纳米结构体，如基于一氮化三锂的那些，由于从这种材料获得的大量不同的性质而预期该无机纳米结构体有多种应用的价值。因此，例如，一氮化三锂是超离子导体，因此衍生自一氮化三锂的纳米结构体容易找到在材料上的应用，例如在可充电的纳米电池和其它电子元件中的应用。这是碳纳米结构体明显不适合的一种应用。本专利技术的各向异性结构体，包括但不限制于棒、纤维、管，由于它们的性质而具有多种应用。因此，本专利技术的纳米结构体具有多种应用，诸如离子导体/电池元件、用于氢储存器中、用于模板形成(templating)纳米线、电气装置、催化和合成、平面屏幕技术(显示屏)以及用于机械应用中，如作为结构构件。根据本专利技术的无机纳米结构体能够实现所有的这些应用。具体实施例方式在离子导体/本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：D·H·格雷戈里，A·G·R·戈登，
申请(专利权)人：诺丁汉大学，
类型：发明
国别省市：