verfahren und vorrichtung zur herstellung von ... - Patente

öhren auf, die vertikal übereinander zur Ausbildung
einer oben gelegenen Ätzkammer 2 und einer unten
gelegenen Abscheidekammer 3 angeordnet sind. Die
Gesamtlänge der Röhren liegt im Bereich von 0,5 bis
4 m, vorzugsweise zwischen 1 bis 2 m. Auf dem Reaktor
1 befindet sich eine drehbare Spule 4, auf der
der katalytische Draht bevorratet wird und von der er
bei Gebrauch nach unten in die Ätzkammer und anschließend
in die Abscheidekammer ausgegeben
wird. Das obere Ende der Ätzkammer 2 ist unterhalb
der Spule 4 durch eine Elektrode 5 versiegelt, die
eine zentrale Aufnahme für flüssiges Quecksilber
oder Quecksilberamalgam aufweist, wobei sich am
unteren Bereich der Flüssigkeitsaufnahme ein kleines
zentrales Loch befindet, durch das der Draht geführt
werden kann. Das Loch ist groß genug, um einen
metallischen Draht hindurchzuführen, aber klein
genug, damit das Flüssigmetall zurückgehalten wird.
Es können auch andere geeignete Flüssigmetalle
oder Mischungen derselben verwendet werden, wie
beispielsweise Quecksilber/Indium, Quecksilber/Cadmium
oder Gallium/Indium.
[0043] Nahe dem oberen bzw. dem unteren Ende
der Ätzkammer 2 sind ein Einlass 6 bzw. ein Auslass
7 vorgesehen, durch die gasförmige Reaktanten vorzugsweise
in einer nach unten gerichteten Strömung
in die Ätzkammer eingelassen bzw. abgeführt werden
können. Eine zwischen den Glasröhren angeordnete
und ebenfalls mit einer zentralen Bohrung versehene
Gasdichtung 8 dient der Trennung der oberen
von der unteren Kammer.
[0044] Die Abscheidekammer 3 weist ebenfalls an
ihren Enden jeweils einen Einlass 9 bzw. einen Auslass
10 für die vorzugsweise, wie durch die Pfeile angedeutet,
aufwärts gerichtete Zufuhr bzw. Abfuhr
gasförmiger Recktanten auf.
[0045] Der untere Bereich der Abscheidekammer 3
weitet sich zu einer Auffangkammer 13 auf, die die
Entfernungseinrichtung 11 und die (nicht gezeigte)
Sammelgutaufnahme enthält. Die Entfernungseinrichtung
weist, wie in der Fig. 3 gezeigt, die Form eines
Stumpfkegels auf, der in der Kammer zentral und
mit seinem Loch zuoberst angeordnet ist. Der Boden
der Abscheidekammer 3 ist mit einer zweiten Elektrode
12 versiegelt, unterhalb derer sich eine weitere
Spule 14 befindet, die mit einem (nicht gezeigten)
drehzahlveränderlichen Motor verbunden ist.
Beispiel 1
[0046] Bei einem bevorzugten Verfahren zur kontinuierlichen
Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren,
bei dem die Vorrichtung von Fig. 2 Verwendung findet,
wird ein Stahl- oder Eisendraht 15 mit einem
Durchmesser von üblicherweise 200 bis 500 Mikrometer
kontinuierlich durch den Reaktor 1 nach unten
abgespult. Am Eintritt in und am Austritt aus dem Re-
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aktor 1 ist der Draht 15 über die zentralen Quecksilber/Quecksilber-amalgamelektroden
elektrisch kontaktiert.
Der Draht 15 und die zwei Elektroden 5 und
12 bilden daher einen Teil eines kontinuierlichen elektrischen
Stromkreises. Der angelegte Gleichstrom
reicht aus, den Draht auf eine Temperatur zu erhitzen,
die für das Stattfinden des Abscheidevorgangs
geeignet ist, wobei diese Temperatur üblicherweise
zwischen 500 und 700°C liegt und im Hinblick auf die
Art der erwünschten Nanocarbone ausgewählt werden
kann.
[0047] Die Abspulrate und damit die Verweilzeit sollte
unter Berücksichtigung der Reaktorlänge und der
erwünschten Strukturarten gewählt werden. Üblicherweise
beträgt sie zwischen 1 und 6 cm/min, vorzugsweise
zwischen 3 und 5 cm/min; die damit erreichen
üblichen Verweilzeiten betrügen somit zwischen
20 und 60 Minuten und insbesondere zwischen
30 und 40 Minuten.
[0048] Der Draht tritt am oberen Ende des Reaktors
1 in die Ätzkammer 2 ein. Zum Entfernen einer Oberflächenoxidschicht
wird über den Einlass 6 Wasserstoff
in die Kammer eingeleitet. Zum Modifizieren der
Drahttemperatur können außerdem Argon oder andere
Gase geringer thermischer Leitfähigkeit beigemengt
werden. Außerdem kann zum Ätzen der Oberfläche
und zum Erzeugen von für das Wachstum bestimmter
Kohlenstoffnanostrukturen geeigneter Unregelmäßigkeiten,
ferner noch ein reaktives Gas zusetzt
werden. Im vorliegenden Fall werden durch das
Zusetzen von Chlorwasserstoff über den Einlass 6 an
der Oberfläche des Drahtes Unregelmäßigkeiten mit
Abmessungen zwischen 10 und 100 nm erzeugt.
[0049] Beim Eintritt des Drahtes 15 in die Abscheidekammer
3 beginnt die Abscheidung der Nanoröhren
20, wobei sich die Abscheidung während des
Durchfahrens des Drahts 15 durch die Kammer 3 verdickt.
Ermöglicht wird die Abscheidung durch den Zusatz
geeigneter Gase, die über den Einlass 9 zugeführt
werden und vorzugsweise aus einer Kombination
von Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und einem
Kohlenwasserstoff bestehen, die üblicherweise in einem
Verdünnungsmittel, wie beispielsweise Argon
oder Stickstoff aufgenommen ist. Zum Abscheiden
von Graphitnanofasern besteht diese Kombination
vorzugsweise aus einer Mischung von Wasserstoff
und Kohlenstoffmonoxid, wobei das Drahtsubstrat
aus Eisen besteht. Während der Abscheidung werden
vorzugsweise eine Temperatur zwischen 550
und 750°C eingehalten, sowie ein Verhältnis CO:H 2
von zwischen 6:1 und 2:1.
[0050] Beim Verlassen des unteren Endes der zweiten
Kammer 3 passiert der Draht 15 eine Entfernungseinrichtung
11. Die Entfernungseinrichtung 11
umfasst, wie in Fig. 3 gezeigt, einen Konus mit einem
kleinen Loch an seiner Spitze, durch das der Draht 15