РЕАКТОР СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР

Полезная модель «Реактор синтеза углеродных наноструктур» относится к области техники выращивания наноструктур. Известные реакторы синтеза углеродных наноструктур реализуют процесс направленной кристаллизации атомов углерода, образующихся при разложении газообразных углеводородов в присутствии катализаторов. Стандартный реактор представляет собой нагреваемую камеру, в которой помещена металлическая подложка с нанесенным на нее катализатором. Через камеру продувается смесь газообразного углеводорода, инертного буферного носителя (например, аргона) и водорода, добавление которого стабилизирует процесс кристаллизации. Описание такого устойства имеется в работе Ch.Du, N.Pan "CVD growth of carbon nanotubes direcrly on nickel substrate", "Materials Letters", v.59, 2005, pp.1678-1682.
Такое устройство, как и все подобные, обладает общими недостатками, каковы:
При рабочих температурах, используемых в указанных устройствах (менее 1000°С), водород находится в молекулярном состоянии и потому мало активен и слабо влияет на процесс кристаллизации.
Реактор обладает большой тепловой инерцией, так что в каждом цикле работы теряется время на его охлаждение для удаления продукта и повторного нагрева. Кроме того, невозможно оперативное управление процессом синтеза.
В начале каждого цикла требуется заменять подложку с катализатором или прекурсором.
Поступающие в камеру углеводородный и буферный газы, а также водород должны обладать высокой степенью очистки.
Задача полезной модели состоит в устранении указанных недостатков, что достигается выбором устройства реактора и процесса образования в нем требуемых наноструктур.
В отличие от прототипа, в полезной модели камера реактора представляет собой охлаждаемую трубку, снабженную устройством заполнения ее газообразным углеводородом, и вакуумным насосом для удаления этого газа и продуктов реакции. Подложка, на которой происходит кристаллизация, в отличие от прототипа представляет собой тонкостенную никелевую трубку, помещенную внутри указанной камеры. Эта трубка снабжена устройством напуска в нее водорода или буферного газа под регулируемым давлением, а сама трубка своими концами присоединена к регулируемому источнику тока.
Такое устройство реактора, кроме других приводимых далее преимуществ, обеспечивает и его малую тепловую инерцию за счет малой теплоемкости тонкостенной никелевой трубки. Как следствие этого, появляется возможность оперативного регулирования температуры и соответственно скорости течения реакции синтеза наноструктур.
Функционирование устройства зависит от выбранного процесса синтеза.
При использовании близкого к традиционному процесса на никелевую трубку наносится катализатор. Эта трубка нагревается до определенной температуры, а в пространство между трубкой и корпусом подается газообразный углеводород. В отличие от прототипа, этот газ не содержит добавки водорода - водород в атомарном виде подается непосредственно в зону реакции путем диффузии его через стенку нагретой до нужной температуры никелевой трубки. При этом поток атомарного водорода и течение реакции синтеза можно
оперативно менять регулированием температуры никелевой трубки и давления подаваемого водорода.
Полезная модель допускает также отличный от традиционного процесс синтеза, в котором газообразный углеводород не поступает в камеру извне, а образуется непосредственно в зоне реакции аморфного углерода, находящегося на поверхности нагретой никелевой трубки, с атомарным водородом, диффундирующим через ее стенку. Это позволяет в широких пределах оперативно менять газовый состав зоны реакции и, как следствие этого, управлять ростом требуемых наноструктур и устранять паразитные нанообразования путем перевода их в газообразную фазу. Нанесение на никелевую трубку указанного слоя аморфного углерода может, например, производится путем кратковременного заполнения камеры реактора газообразным углеводородом и осаждения содержащегося в нем углерода на нагретую поверхность никелевой трубки. В отличие от прототипа такой процесс не требует особой очистки используемого водорода - очистка происходит в процессе его диффузии через нагретую стенку никелевой трубки.
Все известные процессы синтеза требуют использования катализатора, наносимого либо на поверхность подложки, либо на осажденную на нее пленку аморфного углерода. Полезная модель позволяет избежать этой процедуры и тем самым перейти к квазинепрерывному процессу синтеза наноструктур путем внедрения частиц катализатора непосредственно в указанной слой аморфного углерода. Для этого после нанесения этого слоя внутренность никелевой трубки наполняется буферным газом под давлением, а поверхность этой трубки нагревается электрическим током до температуры интенсивного
испарения никеля в вакуум, поддерживаемый в камере реактора. Проходя через указанный углеродный слой, пары никеля конденсируются в нем с образованием микрочастиц, играющих роль катализатора. Этот процесс допускает оперативное управление путем изменения температуры нагрева никелевой трубки, поддерживаемого в ней избыточного давления и степени охлаждения камеры реактора. Удаление полученных наноструктур по окончании реакции достигается продувкой внутреннего пространства реактора.
Возможность осуществления полезной модели и ее преимущества исследовались на опытной лабораторной установке в Институте Общей физики РАН. Результаты исследований подтвердили реализуемость описанных выше преимуществ по сравнению с прототипом.