同心流反应器制造技术

本发明专利技术涉及同心流反应器。一种气相纳米线生长装置，其包括反应室(200)、第一输入端和第二输入端(202B,202A)。第一输入端同心位于第二输入端内，并且第一输入端和第二输入端经布置，使得从第二输入端输送的第二流体在从第一输入端输送的第一流体和反应室壁之间提供包覆。可用催化剂颗粒气溶胶生长纳米线。

【技术实现步骤摘要】
同心流反应器本申请是申请日为2013年5月24日，申请号为201380039432.7，专利技术名称为“同心流反应器”的专利技术专利申请的分案申请。领域本专利技术涉及形成线，特别涉及在无基体存在下气相合成线。背景小的细长物体，通常称为纳米线、纳米棒、纳米晶须等，且一般包括半导体材料，至今已用以下途径之一合成：-液相合成，例如胶体化学方法，如由Alivisatos等在US2005/0054004中例示，-从基体外延生长，利用或不利用催化颗粒，如由Samuelson等分别在WO2004/004927和WO2007/10781中展现的工作例示，或者-气相合成，通过激光辅助催化生长方法，如由Lieber等在WO2004/038767A2中例示。在下表中比较用这些途径得到的线的性质。因此，选择合成途径是不同线性质和制造成本之间的折衷。例如，基于基体的合成提供有利的线性质。然而，由于线分批形成，过程的可放大性受限，因此制造成本和产量受限。概述一个实施方案涉及气相纳米线生长装置，所述装置包括反应室、第一输入端和第二输入端。第一输入端同心位于第二输入端内，并且第一输入端和第二输入端经布置，使得从第二输入端输送的第二流体在从第一输入端输送的第一流体和反应室壁之间提供包覆(sheath)。本文所用术语“同心”具有“有共同中心”的一般意义。因此，同心aerotaxyTM反应器可以为从圆筒形(例如，具有垂直于气流方向的圆形横截面)到椭圆筒形(例如，圆筒具有垂直于气流方向的椭圆形底和横截面)到任何多面体形状的任何形状，例如，箱形，也可称为长方体、长方棱柱或直角平行六面体。另一个实施方案涉及制造纳米线的方法。该方法包括将第一气流提供到第一反应室，其中第一气流包括用于制造纳米线的第一前体；和将第二气流提供到反应室，其中第二气流形成使第一气流与反应室壁分隔的包覆。该方法也包括在反应室内在气相中生长纳米线。另一个实施方案涉及纳米线生长系统，所述纳米线生长系统包括以上讨论的装置和流体连接到第一输入端的第一流体储器和流体连接到第二输入端的至少第二流体储器。可使用多于两个输入端和储器，例如三个或更多个输入端和储器。附图简述图1为现有技术aerotaxyTM纳米线生长装置的示意图。图2A为根据一个实施方案的aerotaxyTM纳米线生长装置的示意图。图2B为在一个实施方案利用低芯流操作的图2A的aerotaxyTM纳米线生长装置的示意图。图2C为在一个实施方案利用高芯流操作的图2A的aerotaxyTM纳米线生长装置的示意图。图2D为在一个实施方案在入口用匹配的芯流和包覆流和在出口用与芯流相比较低的包覆流操作的图2A的aerotaxyTM纳米线生长装置的示意图。图2E为在一个实施方案在出口用匹配的芯流和包覆流和在入口用与芯流相比较低的包覆流操作的图2A的aerotaxyTM纳米线生长装置的示意图。图2F为具有叠置aerotaxyTM纳米线生长装置的aerotaxyTM纳米线系统的示意图。图2H和2G为沿图2A中线A-A’的顶视横截面图。图2I为根据另一个实施方案的aerotaxyTM纳米线生长装置的顶视横截面图。图3A为根据另一个实施方案的aerotaxyTM纳米线生长装置的示意图。图3B为根据另一个实施方案的aerotaxyTM纳米线生长装置的示意图。图4A为根据另一个实施方案的aerotaxyTM纳米线生长装置的示意图；图4B为图4A的aerotaxyTM纳米线生长装置的传热组件的顶视图。此实施方案的元件可与图2A中所示的实施方案组合。图5为图4A的aerotaxyTM纳米线生长装置的提取器部分的示意图。图6为根据一个实施方案的aerotaxyTM纳米线生长系统的示意图。图7A为根据另一个实施方案的aerotaxyTM纳米线生长系统的示意图；图7B为图7A的实施方案的变化的示意图。图8A为图示用图1的装置制造的纳米线长度分布的直方图；图8B为图2装置的模拟分布数据的绘图；图8C为在根据图2A体现的反应器中生长的纳米线的实际分布数据的绘图。图9A为图示三甲基镓的扩散速度的模拟图；图9B为图示50nmAu颗粒1秒内扩散速度的模拟图；图9C为图示50nmAu颗粒200秒内扩散速度的模拟图。图10为根据一个实施方案包括pn结的纳米线的轴向生长的示意图。图11为根据一个实施方案包括pn结的纳米线的径向/芯-壳生长的示意图。图12为在基体上沉积以aerotaxy方式(aerotaxially)生长纳米线的方法的示意图。图13为在基体上使纳米线取向的方法的示意图。专利技术详述为了生长具有受控尺寸的纳米线，常规地在单晶基体上使纳米线成核和生长。纳米线为具有小于1微米直径或宽度的纳米尺度结构，例如2-500nm或10-200nm。然而，长度可远大于1微米。专利技术人已研发不需要使用单晶基体的在气相/气溶胶相中生长具有受控尺寸的纳米线的方法。在气相中生长纳米线的现有方法描述于转让给QunanoAB的PCT公布申请WO11/142,717(‘717公布)，其全文通过引用结合到本文中。虽然可通过‘717公布中公开的方法和装置生长纳米线，但这些方法和装置倾向于得到具有比期望更宽的尺寸范围的纳米线，因为由这些方法生长的纳米线随时间不稳定。专利技术人已进一步确定，反应器壁条件可显著影响纳米线生长，并且这些条件可随时间极大变化，这导致随时间不均匀的纳米线生长。通过‘717公布中公开的方法和装置生长的纳米线尺寸的变化可在约15分钟的时间尺度上显示。除了导致纳米线生长变化外，反应器壁一般也降低前体气体的利用率。这是由于前体气体倾向于与反应器壁反应，并在壁上形成纳米线材料的沉积物。这些沉积物逐渐改变反应器的表面化学，引入生长条件随时间的可变性，并因此在制造的纳米线中引入可变性，减少需要维修前反应器可用于连续生产的时间。除了壁效应外，在使用‘717公布中公开的反应器和方法时，由于在这些方法中一般使用的气流方案，可产生一定范围的纳米线大小。一般地，气体在非理想流动条件下提供到反应器。“非理想”流动条件在本文中定义为表示不可预测(包括对流、混合和湍流)且其中小的初始或边界条件变化产生大的流动轨迹变化的任何流动条件。另外，在炉内的温度梯度产生增加非理想性的对流。反应器内的单独纳米线经历宽范围过程条件，例如停留时间和温度，由于非理想流动条件，这导致宽范围的纳米线尺寸。另外，研究显示，即使前体气体在层流条件下提供到‘717反应器，生长的纳米线仍在反应器中经历宽范围的温度和/或停留时间。例如，由于反应器壁的粘性效应使邻近壁的气流减慢，流动通过反应器中心的纳米线比接近反应器壁的纳米线在反应器中消耗更少时间。因此，流动通过反应器中心的纳米线比邻近反应器壁流动的纳米线更小/更短。图1图示说明在‘717公布方法中使用的反应器100的实例。反应器100具有单一输入端102，例如圆筒、管或导管；和单一输出端104，例如圆筒、管或导管。所有反应剂气体、掺杂剂气体和催化种粒(如果使用)通过输入端102提供到反应器100，并从反应器100通过输出端104去除。在进入反应器100时，由于在反应器100的边缘效应，一些气体在角落形成涡流106。这些涡流产生或增加反应器100中气流的非理想性。一般地，反应器100具有一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气相纳米线生长装置，所述气相纳米线生长装置包括：反应室；第一输入端；和第二输入端，其中所述第一输入端同心位于所述第二输入端内，并且所述第一输入端和第二输入端经布置，使得从所述第二输入端输送的第二流体在从所述第一输入端输送的第一流体和所述反应室的壁之间提供包覆。

【技术特征摘要】
2012.05.25 US 61/6517241.一种气相纳米线生长装置，所述气相纳米线生长装置包括：反应室；第一输入端；和第二输入端，其中所述第一输入端同心位于所述第二输入端内，并且所述第一输入端和第二输入端经布置，使得从所述第二输入端输送的第二流体在从所述第一输入端输送的第一流体和所述反应室的壁之间提供包覆。2.权利要求1的装置，其中所述第二输入端进一步包括多孔滤板。3.权利要求1的装置，所述装置进一步包括第三输入端，其中所述第三输入端构造成在所述前体气体和所述包覆气体之间提供包含催化剂颗粒的气溶胶。4.权利要求1的装置，其中：所述长方体的厚度至多为所述长方体在垂直于所述装置中的流体流的平面中的长度的1/2；所述第一输入端构造成在所述长方体中部提供包含催化剂颗粒的片形气溶胶；所述第二输入端构造成邻近所述长方体的相对壁提供第一包覆气体部分和第二包覆气体部分；第三输入端构造成在所述气溶胶的第一侧和所述包覆气体的第一部分之间提供包含第III族的第一前体气体，第四输入端构造成在所述气溶胶的第二侧和所述包覆气体的第二部分之间提供包含第V族的第二前体气体。5.权利要求1的装置，其中：所述反应室为圆筒；所述第一输入端构造成在所述圆筒的中部提供包含催化剂颗粒的气溶胶；所述第二输入端构造成围绕所述反应室的外周提供包覆气体和包含第V族的第二前体气体的混合物；第三输入端构造成围绕所述气溶胶提供包含第III族的第一前体气体；第四输入端构造成在所述混合物和所述包含第III族的第一前体气体之间提供包覆气体。6.一种制造纳米线的方法，所述方法包括：将第一气流提供到第一反应室，其中所述第一气流包括用于制造所述纳米线的第一前体；将第二气流提供到所述第一反应室，其中所述第二气流形成使所述第一气流与第一反应室的壁分隔的包覆；和在所述第一反应室内在气相中生长所述纳米线。7.权利要求6的方法，所述方法进一步包括从所述第一气流或所述第二气流至少之一中的气溶胶提供纳米线生长催化剂颗粒。8.权利要求6的方法，其中所述第一气流包含前体分子，所述前体分子在所述第一反应室裂解，并形成纳米线生长催化剂颗粒。9.权利要求6的方法，所述方法进一步将具有第一导电类型的第一掺杂剂气体加入到所述第一气流，以形成第一导电类型的半导体纳米线。10.权利要求9的方法，所述方法进一步在加入所述第一掺杂剂气体的步骤后将具有第二导电类型的第二掺杂剂气体加入到所述第一气流，以在所述纳米线中形成p-n或p-i-n结。11.权利要求7的方法，其中所述催化剂颗粒作为气溶胶提供到所述第一气流。12.权利要求6的方法，其中所述纳米线包括IV、III-V或II-VI半导体纳米线。13.权利要求6的方法，所述方法进一步包括将具有第一导电类型的第一掺杂剂气体加入到所述第一反应室中的第一气流，以在所述第一反应室中生长第一导电类型的半导体纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：G阿科特，M马格努斯森，O波斯特，K德佩特，L萨姆伊森，J欧森，
申请(专利权)人：索尔伏打电流公司，
类型：发明
国别省市：瑞典,SE