化学催化的电磁控制制造技术

本发明专利技术提供了一种方法和系统，它们通过至少使所用颗粒至少光电共振（也称为激励）来产生热，从而至少部分地引发和／或驱动至少一种催化化学反应。在一些实施方式中，所述颗粒是结构物或金属结构物，如纳米结构物。所述一种或多种金属结构物因具有特定的频率和／或频率范围的入射电磁辐射与所述一种或多种颗粒的非局部化的表面电子之间的相互作用而产生热。这提供了一种通过对产生的热进行空间和时间上控制来对催化化学反应进行纳米级的控制的方法以及提供了一种控制催化化学反应温度的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及微米或纳米结构的局部加热以及有关的使用和应用方法。更具体地说，一方面，本文中的教导还提供了对特定的纳米和微米结构的非常局部的加热，用以影响催化化学反应。一方面，如本文中所讲解的，向这样一种化学反应提供热量，该化学反应发生在提供的结构或其大部分上和/或其相邻处，所述结构或其大部分会至少由于光电共振而产生热量。
技术介绍
在大规模的、连续的化学过程中使用催化剂是熟知的。许多催化反应具有温度极限。现有技术的方法通常使用宏观热量来提供用于这些反应的热量，并且通常需要全面对流、全面传导或全面辐射。这些宏观热源的例子是电热丝、炉、灯或加热的气体。使用这些常规加热方法的固有问题是难以从时间上和空间上控制催化剂的温度、催化剂的附近区域和/或施加的热量。例如，理想的是使反应发生的预定时间比由与周围容器或基材(其中、或者其上/其相邻处，这些反应分别要发生)相关的时间常数确定的时间短得多。例如，如果能够在非常小的、特定的区域/位置提供所需的热量且不加热周围的容器和/或室和/或基材，就可更大程度地对使用的温度和催化剂的温度进行时间控制，即，反应时间将明显缩短，因为容器或基材的热质量可以被忽略。还有，理想的是，在纳米和/或微米数量级上使反应空间局部化。将光子结合到金属纳米颗粒上时所产生的热量可按下述得出半径为R的小金属球的极化度α可示为α=4πϵ0R3ϵ-ϵmϵ+2ϵm]]>式中，ε0是自由空间介电常数，ε是颗粒的介电常数，εm是纳米颗粒的介电常数。当以下条件满足时，产生用于随时间变化的、空间恒定场的共振2+2＝最小值。这一条件可用贵金属来满足，并且已知相应的纳米结构在光谱的可见部分具有与光电共振相关的强吸收。U.K.Kreibig和M.Vollmer的“金属簇的光学性能”(Springer-Verlag出版，New York，1995)在本文中全部引用作为参考。在接近共振频率的位置，吸收增加接近一个数量级。如果颗粒在合适的共振频率下完全吸收，简单的Stefan-Boltzman计算，即，能量/面积-σT4(式中，σ是Stefan-Boltzman常数)，就能够估计出达到选定的颗粒温度所需的功率。从上述可见，局部化的纳米规模的反应是希望，并且还需要能用于各种用途和领域的相关的设备、结构、方法和系统。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供了用于化学方法的工艺。还提供了提供微米或纳米结构(物)的方法及其用途。本专利技术可用于其它领域和用途，例如生命科学、化学、材料科学、纳米技术、电子、以及其它领域。在一些示例性实施方式中，通过由至少光电相互作用(在文献和现有技术中有时也称为等离子体激元共振)提供的选定的局部化的热量来促进受温度影响的化学反应。在一个实施例和一个实施方式中，本专利技术提供了光电辅助的化学汽相沉积(PACVD)，它利用由在纳米尺寸的结构中光电相互作用产生的热量作为热源，用以引发或促进与材料的沉积有关的催化化学反应。在一些示例性实施方式中，反应产物可只是根据本专利技术的教导通过光电相互作用而加热过的反应物。以该方式加热的反应物可用在其它步骤和/或方法中，如果需要的话。具体地说，根据本文中提供的教导，特定的电磁辐射的预定频率和/或频率范围的应用激励了在纳米尺寸的结构上的至少光电共振，并控制了纳米尺寸的结构的加热和相对温度(由此会发生化学反应)。在一些示例性实施方式中，激光提供了用来激励至少光电共振的电磁辐射。在一些示例性实施方式中，本专利技术提供了使用光源如激光源和常规的光学器件来提供所需的电磁辐射的方法，它利用比现有技术中通常用来加热材料的功率密度低得多的功率密度来选择性地驱动光电共振以加热纳米尺寸的结构，由此激发、促进和/或引发反应。一些示例性实施方式可用来对在纳米规模的催化的基材上的化学处理如化学合成、沉积和/或降解进行空间控制。这也提供了对方法/反应的温度的高度的时间控制。停止电磁辐射通量射入纳米尺寸的结构会导致在纳米尺寸的结构上温度的非常快速的下降，即，这些结构的预先建立的光电共振会减弱/减小，相关产生的局部化的热量也是如此。本专利技术还提供了使用用于电磁控制的化学催化的微米结构或纳米结构的工艺。更具体地说，本文中的教导提供了用于通过基于已知的催化的微米结构与基于电磁驱动的光电相互作用的加热/温度控制之结合的催化，来增强化学反应的方法、系统和相应的结构。在一个示例性实施方式中，该方法包括提供反应物，例如，但不限于反应性物质，例如，与一个或多个颗粒相邻的并用具有预定频率，即，与一种或多种结构物的表面电子的光电共振频率亦即“P-ERF”(例如，一个颗粒或许多颗粒)基本上匹配或匹配的电磁辐射(例如，来自激光源或其它来源)辐射一个或多个颗粒的2，2，6，6-四甲基-3，5-庚二酮合钛、SiH4和GeH4。术语“相邻的”包括一个物体与另一物体之间的直接接触。如本文中公开的，反应物可以是能进行反应或是反应一部分的任何元素或化合物，所述反应因受到由至少光电共振的激励而产生的热量发生。具有预定频率的至少电磁辐射的影响导致一个或多个颗粒的温度升高到至少选定的温度(例如，反应温度)。该方法通过至少在一个或多个颗粒的温度上的增加引起反应物的化学反应。在一个示例性实施方式中，本专利技术提供了另一种使用电磁辐射来加速催化化学反应的方法。该方法包括提供一个或多个颗粒。较佳地，所述一个或多个颗粒具有热性能。该方法包括在与一个或多个颗粒相邻的位置或其上施加至少一种反应物，并用具有预选的频率的电磁辐射照射所述一个或多个颗粒。该方法包括通过具有预选的频率的至少电磁辐射的影响来将所述一个或多个具有热性能的颗粒温度升高到至少选定的温度，并通过至少所述一个或多个颗粒的温度的升高来引起至少一种反应物的催化化学反应。该热量可用于其它工序，例如用于引发反应产物的形成。在一些示例性实施方式中，通过辐射和光电相互作用加热的颗粒本身可以是在增强的化学反应工序中的催化剂。在其它示例性实施方式中，多个颗粒可一起使用，这些颗粒中的一些可用来通过前述光电相互作用而使局部化的温度升高，而其它颗粒则用作催化颗粒，增强在合适的温度或温度范围内的所需的化学反应。空间和时间控制的益处可以适合上述情况中的一种或两者。此外，本专利技术提供了利用由提供的结构(在一些实施方式中，是以置于基材上的特定的方式)的至少光电共振产生的热量形成反应产物的方法。例举的方法包括提供包含至少一种或多种结构(较佳的是一种或多种纳米结构)的图案的基材，该基材由选定的材料制得。该方法包括确定所述纳米结构的选定的材料的P-ERF，并使用提供具有在上述P-ERF上的或基本上重叠的预定的频率的电磁辐射的电磁源来激励选定材料的至少一部分，以引起选定材料热能的产生和增加。该方法包括在基材和在P-ERF被激励的选定的材料之上/相邻处提供至少一种反应物，并至少根据所提供的反应物来产生所需的反应产物。根据所述实施方式，本专利技术还提供了以下例举的特征中的一种或多种，它们将通过本申请的说明书以及以下的详细描述来进一步的描述。1.在金属纳米结构中使用光电激励作为形成局部温度梯度或产生足以引发化学反应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用光电共振产生的局部化的加热来促进催化化学反应的方法，包括：提供其上设置了至少一种结构物的基材；将至少一种反应物引入与所述至少一种结构物相邻的位置；用电磁辐射照射所述至少一种结构物，其中，所述电磁辐射具有预定的频率或频率范围，激励所述至少一种结构物，使其至少光电共振；使所述至少一种结构物至少光电共振、产生局部化的热，达到催化化学反应温度，促进有所述至少一种反应物参与的至少一种催化化学反应；以及产生至少一种反应产物。

【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：莱斯利格林歌德，大卫A博伊德，马克布隆格斯马，
申请(专利权)人：莱斯利格林歌德，大卫A博伊德，马克布隆格斯马，
类型：发明
国别省市：US[美国]