专利名称：等离子体辅助碳结构的形成的制作方法
技术领域：
本发明涉及等离子体辅助碳结构形成的方法和装置，尤其涉及在等离子体催化剂存在的情况下使用电磁辐射激发的等离子体的碳结构的形成。
背景技术：
可以使用多种方法实现碳结构(如碳纳米管，C60富勒烯，金刚石等)的形成。例如，据报道当使用大量热源，比如火焰或电弧，使碳材料气化时，可以形成C60分子。
通过加热碳源，例如通过激光消融与金属催化剂混合的石墨，也可以形成单壁碳纳米管(SWCNTs)。不像富勒烯的形成，SWCNTs的形成可能需要一个催化表面，如晶种衬底或少量的金属催化剂(如约一个原子百分率的Ni和Co)，为SWCNTs的合成和生长提供位置。
据报道，多壁碳纳米管(MWCNTs)也可通过化学气相沉积(CVD)技术用气化催化剂使MWCNTs沉积在衬底上而形成。据最新报道，已开发了一种不用催化表面生长纳米管的技术。
然而，传统生长碳结构的技术往往是难于控制的，因为会同时形成不同的碳结构，从而难以优选合成给定的碳结构而不受其它碳结构的“污染”(如SWCNTs合成过程中石墨粒子/分子的形成和收集)。
在碳结构如纳米管和富勒烯的形成和生长的控制中遇到的问题，可能会阻碍碳结构的优先生长。例如，如果需要碳结构位于复杂或温度敏感的衬底上时，那么加热过程需要将整个衬底放置在熔炉中使之长时间置于高温中，例如，MWCNTs需要600-800摄氏度，SWCNTs需要1200摄氏度。然而，上述温度调节可能是很难精确达到和控制的。
当加入碳结构的装置收缩且碳结构制备对环境处理条件越来越敏感时，就需要更加灵活的可替换制造装置，包括高温体加热处理期间防止损坏的方法。
发明内容
本发明提供了一种合成碳原子结构的方法和装置。在一个实施例中，催化的等离子体可以通过如下方法在腔中形成，在等离子体催化剂存在的情况下使气体受到一定量的电磁辐射，在等离子体中加入含碳材料，并在衬底表面上生长预定的结构。辐射可以用小于约333GHz的任何频率。
在另一个实施例中，提供了一种用于在衬底上合成预定碳结构的等离子体辅助系统。该系统包括在其中形成有腔的容器，设置成在合成期间将辐射引入所述腔的电磁辐射源，与所述腔相连的至少一种气体源从而运送含碳材料的气体可以在合成期间流入所述腔，以及设置在所述电磁辐射中(如位于所述腔内或附近)的至少一个等离子体催化剂。
本发明还提供了用于激发、调节和维持等离子体的等离子体催化剂。根据本发明的等离子体催化剂可以是惰性的或活性的。根据本发明的惰性等离子体催化剂可以包括通过使局部电场(例如电磁场)变形而诱发等离子体的任何物体，而无需施加附加的能量。活性等离子体催化剂可以是在电磁辐射存在的情况下能向气态原子或分子传递足够能量以使该气态原子或分子失去至少一个电子的任何粒子或高能波包。在惰性和活性这两种情况下，等离子体催化剂可以改善或放宽激发涂层等离子体所需的环境条件。
本发明还提供了用于合成预定碳结构的用于激发、调节和维持等离子体的其它等离子体催化剂、方法和装置。
本发明的其它特征将通过下面结合附图的详细描述变得明显，其中相同的标号表示相同的部件，其中图1表示根据本发明的合成碳结构的等离子体辅助系统的示意图；图1A表示根据本发明的部分等离子体辅助系统的实施例，该系统用于合成碳结构并通过向等离子体腔加入粉末等离子体催化剂来激发、调节或维持腔中的等离子体；图2表示根据本发明的等离子体催化剂纤维，该纤维的至少一种成分沿其长度方向具有浓度梯度；图3表示根据本发明的等离子体催化剂纤维，该纤维的多种成分沿其长度按比率变化；图4表示根据本发明的另一个等离子体催化剂纤维，该纤维包括内层核芯和涂层；图5表示根据本发明的图4所示的等离子体催化剂纤维沿图4的线5-5的截面图；图6表示根据本发明的等离子体系统的另一个部分的实施例，该等离子体系统包括延伸通过激发口的伸长型等离子体催化剂；图7表示根据本发明在图6的系统中使用的伸长型等离子体催化剂的
具体实施例方式
本发明涉及用于激发、调节和维持等离子体的方法和装置，用于合成各种碳结构，包括例如形成碳纳米管和其它碳结构。因此，本发明可以用于便于控制等离子体辅助碳结构的形成，其能够降低能耗并提高碳结构的合成、生长和生产灵活性。
根据本发明的一种合成碳结构的方法可以包括向腔内加入气体、等离子体催化剂和电磁辐射，用于催化等离子体。在此所用的用于在一个或多个物体上形成碳结构的具有等离子体催化剂的任何等离子体是一种“催化的等离子体”或者简称“等离子体”。催化剂可以是惰性或者活性的。根据本发明的惰性等离子体催化剂可以包括通过使局部电场(例如电磁场)变形而诱发等离子体的任何物体，而无需对催化剂施加附加的能量，如施加电压引起瞬间放电。另一方面，活性等离子体催化剂可以是任何粒子或高能波包，其能够在电磁辐射存在的情况下向气态原子或分子传递足够能量以使该气态原子或分子失去至少一个电子。
在此引入下列共同拥有并同时申请的美国专利申请的全部内容作为参考美国专利申请No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0008)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0009)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0010)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0011)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0012)，
No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0013)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0015)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0016)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0017)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0018)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0020)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0021)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0024)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0025)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0026)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0027)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0028)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0029)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0030)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0032)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0033)。
等离子体系统的说明图1表示根据本发明的一个方面的等离子体辅助碳结构合成和生长系统10。在该实施例中，在位于电磁辐射腔(即辐射器(applicator))14内部的容器中形成腔12。在另一个实施例中(未示出)，容器12和电磁辐射腔14是同一个，从而不需要两个独立的部件。在其中形成有腔12的容器可包括一个或多个电磁辐射透射隔板，以改善其热绝缘性能使腔12无需显著地屏蔽电磁辐射。
在一个实施例中，腔12在由陶瓷制成的容器内形成。由于根据本发明的等离子体可以达到非常高的温度，处理的温度上限只受用来制造容器的陶瓷的熔点限制。例如在一个实验中，所用的陶瓷能够承受大约3000华氏度。例如，陶瓷材料可以包括重量百分比为29.8％的硅，68.2％的铝，0.4％的氧化铁，1％的钛，0.1％的氧化钙，0.1％的氧化镁，0.4％的碱金属，该陶瓷材料为Model No.LW-30，由Pennsylvania，New Castle的New CastleRefractories公司出售。然而本领域的普通技术人员可知，根据本发明也可以使用其它材料，例如石英以及那些与上述陶瓷材料不同的材料(如那些具有较高或较低熔化温度的材料)。
在一个成功的实验中，等离子体形成在部分开口的腔中，该腔在第一砖状物内并以第二砖状物封顶。腔的尺寸为约2英寸×约2英寸×约1.5英寸。在砖状物中至少具有两个与腔连通的孔一个用来观察等离子体，并且至少一个用来供给气体。腔的尺寸取决于需要进行的等离子体处理。此外，腔至少应该设置成能够防止等离子体上升/漂移从而离开主要处理区，即使等离子体可能没有接触到衬底。
腔12可以通过管线20和控制阀22与一个或多个气体源24(例如氩气、氮气、氢气、氙气、氪气、含碳气体(例如碳氢化合物)等气体源)相连，由电源28提供能量。管线20可以是管状(例如在大约1/16英寸和大约1/4英寸之间，如大约1/8英寸)，但也可以是能够供气的任何装置。而且，如果需要，真空泵可以与腔相连来抽走在等离子体处理中产生的任何不需要的气体。
一个辐射泄漏探测器(未示出)安装在源26和波导管30附近，并与安全联锁系统相连，如果检测到泄漏量超过预定安全值时，例如由FCC和/或OSHA(例如5mW/cm2)规定的值，就自动关闭电磁幅射电源。
由电源28提供能量的电磁辐射源26通过一个或多个波导管30将电磁辐射引入腔14。本领域的普通技术人员应该理解电磁辐射源26可以直接连到腔14或腔12，从而取消波导管30。进入腔14或腔12的电磁辐射可以用来激发腔内的等离子体。通过将附加的电磁辐射与催化剂相结合可以充分调节或维持该催化的等离子体并将其限制在腔内。
通过循环器32和调谐器34(例如，3通短线(3-stub)调谐器)提供电磁辐射。调谐器34用来使作为改变激发或处理条件的函数的反射能减至最少，特别是在催化的等离子体形成之前，因为电磁辐射将在等离子体形成之后被等离子体强烈吸收。
如下面更详细的说明，如果腔14支持多模，尤其当这些模可持续或周期性地混合时，腔14内的电磁辐射透射腔12的位置并不重要。并如下面更详细的说明，马达36可以与模混合器38相连，使时间平均的电磁辐射能量分布在腔14内大致均匀。而且，窗口40(例如石英窗)可以设置在邻近腔12的腔14的一个壁上，使能用温度传感器42(例如光学高温计)来观察腔12内的处理。在一个实施例中，光学高温计输出值可以在温度升高时从0伏增加到追踪范围值之内。高温计可以用于探测两个或多个波长的辐射强度，并使用普朗克定律拟合这些强度值来测定工件温度。
等离子体的温度也可由等离子体中存在的原子或分子材料中的一次或多次跃迁的光学辐射强度来估算。这些跃迁的已知概率可用于评算原子或分子的激发状态密度分布，并用Boltzman’s定律从这些信息中计算出材料的温度。
传感器42能够产生作为腔12中相关工件(未示出)的温度或者任意其它可监测的条件的函数的输出信号，并将该信号供给控制器44。如下所述，也可采用双重温度感应和加热，以及自动冷却速度和气流控制。该控制器44又用来控制电源28的运行，其具有一个与上述电磁辐射源26相连的输出端和另一个与控制气流进入腔12的阀22相连的输出端。
尽管可以使用任何小于约333GHz频率的辐射，本发明采用由通讯和能源工业(CPI)提供的915MHz和2.45GHz电磁辐射源取得了同样的成功。2.45GHz系统持续提供从大约0.5千瓦到大约5.0千瓦的可变电磁辐射能。根据本发明的一个实施例，在合成碳结构期间的电磁辐射能量密度可以在大约0.05W/cm3和大约100W/cm3之间，例如，大约2.5W/cm3。3通短线调谐器使得阻抗与最大能量传递相匹配，并且采用了测量入射和反射能量的双向连接器(未示出)。还采用了光学高温计来遥感衬底温度。
如上所述，根据本发明可以使用任何小于大约333GHz频率的辐射。例如，可采用诸如能量线频率(大约50Hz至60Hz)这样的频率，尽管形成等离子体的气体压力可能降低以便有助于等离子体激发。此外，根据本发明，任何无线电频率或微波频率可以使用包括大于约100kHz的频率。在大多数情况下，用于这些相对高频的气体压力不需要为了激发、调节或维持等离子体而降低，因而在大气压和大气压之上能够实现多种等离子体处理。
该装置用采用LabVIEW6i软件的计算机控制，它能提供实时温度监测和电磁辐射能量控制。LabVIEW图形开发环境用于自动获取数据、仪器控制、测量分析和数据显示。LabVIEW来自于Austin，Texas的国家仪器公司(National Instruments Corporation)。
通过利用适当数量数据点的平均值平滑处理来降低噪音。并且，为了提高速度和计算效率，在缓冲区阵列中储存的数据点数目用移位寄存器和缓存区大小技术调节来限制。高温计测量大约1cm2的敏感区域温度，用于计算平均温度。高温计用于探测两个波长的辐射强度，并利用普朗克定律拟合这些强度值以测定温度。然而，应知道也存在并可使用符合本发明的用于监测和控制温度的其它装置和方法。例如，在共有并同时提出申请的美国专利申请No.10/＿，＿(Attorney Dorket No.1837.0033)中说明了根据本发明可以使用的控制软件，在此引入其整个内容作为参考。
腔14具有几个具有电磁辐射屏蔽的玻璃盖观察口和一个用于插入高温计的石英窗。尽管不是必须使用，还具有几个与真空泵和气体源相连的口。
系统10还包括一个带有用自来水冷却的外部热交换器的封闭循环去离子水冷却系统(未示出)。在操作中，去离子水先冷却磁电管，接着冷却循环器(用于保护磁电管)中的装卸处，最后流过焊接在腔的外表面上的水通道冷却电磁辐射腔。
等离子体催化剂如前面所述，根据本发明的等离子体催化剂可包括一种或多种不同的材料并且可以是惰性或者活性的。在气体压力低于、等于或大于大气压力的情况下，等离子体催化剂可以在其它材料中激发、调节和/或维持等离子体。
根据本发明的一种形成等离子体的方法可包括使腔内气体在惰性等离子体催化剂存在的情况下受到小于大约333GHz频率的电磁辐射。根据本发明的惰性等离子体催化剂包括通过使根据本发明的局部电场(例如电磁场)变形而诱发等离子体的任何物体，而无需对催化剂施加附加的能量，例如通过施加电压引起瞬间放电。
本发明的惰性等离子体催化剂也可以是纳米粒子或纳米管。这里所使用的术语“纳米粒子”包括最大物理尺寸小于约100nm的至少是半导电的任何粒子。并且，掺杂和不掺杂的SWCNTs和MWCNTs由于它们异常的导电性和伸长形状对本发明的激发等离子体尤其有效。该纳米管可以有任意合适的长度并且能够以粉末状固定在基板上。如果固定的话，当等离子体激发或维持时，该纳米管可以在基板的表面上任意取向或者固定到基板上(例如以一些预定方向)。
本发明的惰性等离子体也可以是粉末，而不必制成纳米粒子或纳米管。例如它可以形成为纤维、粉尘粒子、薄片、薄板等。在粉末态时，催化剂可以至少暂时地悬浮于气体中。如果需要的话，通过将粉末悬浮于气体中，粉末就可以迅速分散到整个腔并且更容易被消耗。
在一个实施例中，粉末催化剂可以加载到腔内并至少暂时地悬浮于载气中。载气可以与形成等离子体的气体相同或者不同。而且，粉末可以在引入腔前加入气体中。例如，如图1A所示，电磁辐射源52可以对设置有等离子体腔60的电磁辐射腔55施加辐射。粉末源65将催化剂粉末70供给气流75。在一个可选实施例中，粉末70可以先以大块(例如一堆)方式加入腔60，然后以任意种方式分布在腔内，包括气体流动穿过或越过该块状粉末。此外，可以通过移动、搬运、撒下、喷洒、吹或以其它方式将粉末送入或分布于腔内，将粉末加到气体中用来激发、调节或维持涂层等离子体。
在一个实验中，通过在伸入腔的铜管中设置一堆碳纤维粉末来使等离子体在腔内激发。尽管有足够的电磁(微波)辐射被引入腔内，铜管屏蔽粉末受到的辐射而不发生等离子体激发。然而，一旦载气开始流入铜管，促使粉末流出铜管并进入腔内，从而使粉末受到电磁辐射，腔内等离子体几乎瞬间激发。
根据本发明的粉末催化剂基本上是不燃的，这样它就不需要包括氧或者不需要在氧存在的情况下燃烧。如上所述，该催化剂可以包括金属、碳、碳基合金、碳基复合物、导电聚合物、导电硅橡胶弹性体、聚合物纳米复合物、有机无机复合物和其任意组合。
而且，粉末催化剂可以在等离子体腔内基本均匀的分布(例如悬浮于气体中)，并且等离子体激发可以在腔内精确地控制。均匀激发在一些应用中是很重要的，包括在要求等离子体暴露时间短暂的应用中，例如以一个或多个爆发的形式。还需要有一定的时间来使粉末催化剂本身均匀分布在整个腔内，尤其在复杂的多腔的腔内。因而，根据本发明的另一个方面，粉末等离子体可以通过多个激发口引入腔内以便在其中更快地形成更均匀的催化剂分布(如下)。
除了粉末，根据本发明的惰性等离子体催化剂还可包括，例如，一个或多个微观或宏观的纤维、薄片、针、线、绳、细丝、纱、细绳、刨花、裂片、碎片、死线、带子、须或其任意混合物。在这些情况下，等离子体催化剂可以至少具有一部分，该部分的一个物理尺寸基本上大于另一个物理尺寸。例如，在至少两个垂直尺寸之间的比率至少为约1∶2，也可大于约1∶5或者甚至大于约1∶10。
因此，惰性等离子体催化剂可以包括至少一部分与其长度相比相对细的材料。也可以使用催化剂束(例如纤维)，其包括例如一段石墨带。在一个实验中，成功使用了一段具有大约三万股石墨纤维的、每股直径约为2-3微米的带。内部纤维数量和束长对激发、调节或维持等离子体来说并不重要。例如，用大约1/4英寸长的一段石墨带得到满意的结果。根据本发明成功使用了一种碳纤维是由Salt Lake City，Utah的Hexcel公司出售的商标为Magnamite的Model No.AS4C-GP3K。此外，还成功地使用了碳化硅纤维。
根据本发明另一个方面的惰性等离子体催化剂可以包括一个或多个如基本为球形、环形、锥形、立方体、平面体、圆柱形、矩形或伸长形的部分。
上述惰性等离子体催化剂包括至少一种至少是半导电的材料。在一个实施例中，该材料具有强导电性。例如，根据本发明的惰性等离子体催化剂可以包括金属、无机材料、碳、碳基合金、碳基复合物、导电聚合体、导电硅橡胶弹性体、聚合纳米复合物、有机无机复合物或其任意组合。可以包括在等离子体催化剂中的一些可能的无机材料包括碳、碳化硅、钼、铂、钽、钨、氮化碳和铝，虽然相信也可以使用其它导电无机材料。
除了一种或多种导电材料以外，本发明的惰性等离子体催化剂还可包括一种或多种添加剂(不要求导电性)。如这里所用的，该添加剂可以包括使用者想要加入等离子体的任何材料。例如，如下详细描述，可以通过催化剂将一种或多种含碳材料加入等离子体，用于在半导体和其它衬底材料上生长预定的碳结构。催化剂可以包括含碳材料本身，或包括分解后可以形成用于合成的碳源的前体材料。因此，根据最终期望的等离子体复合物和使用等离子体的处理，等离子体催化剂可以以任意期望的比率包括一种或多种添加剂和一种或多种导电材料。
惰性等离子体催化剂中的导电成分与添加剂的比率随着其被消耗的时间变化。例如，在激发期间，等离子体催化剂可以要求包括较大百分比的导电成分来改善激发条件。另一方面，如果在维持等离子体时使用，催化剂可以包括较大百分比的添加剂或含碳材料。本领域普的通技术人员可知用于激发和维持等离子体的等离子体催化剂的成分比率可以是相同的，并且该比率可以被制定为沉积任意需要的碳成分。
预定的比率分布可以用于简化许多等离子体辅助碳结构形成处理。在一些常规的处理中，等离子体中的成分是根据需要来增加的，但是这样的增加一般要求可编程装置根据预定计划来添加成分。然而，根据本发明，催化剂中的成分比率是可变的，因而等离子体本身的成分比率可以自动变化。这就是说，在任一特定时间等离子体的成分比率依赖于当前被等离子体消耗的催化剂部分。因此，在催化剂内的不同位置的催化剂成分比率可以不同。并且，当前等离子体的成分比率依赖于当前和/或在消耗前的催化剂部分，尤其在流过等离子体腔内的气体流速较慢时。
根据本发明的惰性等离子体催化剂可以是均匀的、不均匀的或渐变的。而且，整个催化剂中等离子体催化剂成分比率可以连续或者不连续改变。例如在图2中，比率可以平稳改变形成沿催化剂100长度方向的梯度。催化剂100可包括一股在段105含有较低浓度成分并向段110连续增大浓度的材料。
可选择地，如图3所示，在催化剂120的每一部分比率可以不连续变化，例如包括浓度不同的交替段125和130。应该知道催化剂120可以具有多于两段的形式。因此，被等离子体消耗的催化剂成分比率可以以任意预定的形式改变。在一个实施例中，当等离子体被监测并且已检测到特殊的添加剂时，可以自动开始或结束进一步的处理。
改变被维持的等离子体中的成分比率的另一种方法是通过在不同时间以不同速率引入具有不同成分比率的多种催化剂。例如，可以在腔中以大致相同位置或者不同位置引入多种催化剂。在不同位置引入时，在腔内形成的等离子体会有由不同催化剂位置决定的成分浓度梯度。因此，自动化系统可包括用于在等离子体激发、调节和/或维持以前和/或期间机械插入可消耗等离子体催化剂的装置。
根据本发明的惰性等离子体催化剂也可以被涂覆。在一个实施例中，催化剂可以包括沉积在基本导电材料表面的基本不导电涂层。或者，催化剂可包括沉积在基本不导电材料表面的基本导电涂层。例如图4和5表示了包括内层145和涂层150的纤维140。在一个实施例中，为了防止碳的氧化，等离子体催化剂包括涂覆镍的碳芯。
一种等离子体催化剂也可以包括多层涂层。如果涂层在接触等离子体期间被消耗，该涂层可以从外涂层到最里面的涂层连续引入等离子体，从而形成限时释放(time-release)机制。因此，涂覆等离子体催化剂可以包括任意数量的材料，只要部分催化剂至少是半导电的。
根据本发明的另一实施例，为了基本上减少或防止电磁辐射能泄漏，等离子体催化剂可以完全位于电磁辐射腔内。这样，等离子体催化剂不会电或磁连接于辐射腔、包括腔的容器、或腔外的任何导电物体。这可以防止在激发口的瞬间放电，并防止在激发期间和如果等离子体被维持可能在随后电磁辐射泄漏出腔。在一个实施例中，催化剂可以位于伸入激发口的基本不导电的延伸物末端。
例如，图6表示在其中可以设置有等离子体腔165的电磁辐射腔160。等离子体催化剂170可以延长并伸入激发口175。如图7所示，根据本发明的催化剂170可包括导电的末梢部分180(设置于腔160内)和不导电部分185(基本上设置于腔160外，但是可稍微伸入腔)。该结构防止了末梢部分180和腔160之间的电气连接(例如瞬间放电)。
在如图8所示的另一个实施例中，催化剂由多个导电片段190形成，所述多个导电片段190被多个不导电片段195隔开并与之机械相连。在这个实施例中，催化剂能延伸通过在腔中的一个点和腔外的另一个点之间的激发口，但是其电气不连续的分布有效地防止了产生瞬间放电和能量泄漏。
根据本发明的形成等离子体的另一种方法包括使腔内气体在活性等离子体催化剂存在的情况下受到小于大约333GHz频率的电磁辐射，产生或包括至少一个电离粒子。
根据本发明的活性等离子体催化剂可以是在电磁辐射存在的情况下能够向气态原子或分子传递足够能量来使气态原子或分子失去至少一个电子的任何粒子或者高能波包。利用源，电离粒子可以以聚焦或准直射束的形式直接引入腔，或者它们可以被喷射、喷出、溅射或者其它方式引入。
例如，图9表示电磁辐射源200将辐射引入电磁辐射腔205。等离子体腔210可以设置于腔205内并允许气体流过口215和216。源220可以将电离粒子225引入腔210。源220可以用电离粒子可以穿过的金属屏蔽来保护，但也屏蔽了对源220的电磁辐射。如果需要，源220可以水冷。
根据本发明的电离粒子的实例可包括x射线粒子、γ射线粒子、α粒子、β粒子、中子、质子及其任意组合。因此，电离粒子催化剂可以是带电荷(例如来自离子源的离子)或者不带电荷并且可以是放射性裂变过程的产物。在一个实施例中，在其中形成有等离子体腔的容器可以全部或部分地透过电离粒子催化剂。因此，当放射性裂变源位于腔外时，该源可以引导裂变产物穿过容器来激发等离子体。为了基本防止裂变产物(如电离粒子催化剂)引起安全危害，放射性裂变源可以位于电磁辐射腔内。
在另一个实施例中，电离粒子可以是自由电子，但它不必是在放射性衰变过程中发射。例如，电子可以通过激发电子源(如金属)来引入腔内，这样电子有足够的能量从该源中逸出。电子源可以位于腔内、邻近腔或者甚至在腔壁上。本领域的普通技术人员可知可用任意组合的电子源。产生电子的常用方法是加热金属，并且这些电子通过施加电场能进一步加速。
除电子以外，自由能质子也能用于催化等离子体。在一个实施例中，自由质子可通过电离氢产生，并且选择性地由电场加速。
多模电磁辐射腔电磁辐射波导管、腔或室被设置成支持或便于至少一种电磁辐射模的传播。如这里所使用，术语“模”表示满足Maxwell方程和可应用的边界条件(如腔的)的任何停滞或传播的电磁波的特殊形式。在波导管或腔内，该模可以是传播或停滞电磁场的各种可能形式中的任何一种。每种模由其电场和/或磁场矢量的频率和极化表征。模的电磁场形式依赖于频率、折射率或介电常数以及波导管或腔的几何形状。
横电(TE)模是电场矢量垂直于传播方向的模。类似地，横磁(TM)模是磁场矢量垂直于传播方向的模。横电磁(TEM)模是电场和磁场矢量均垂直于传播方向的模。中空金属波导管一般不支持电磁辐射传播的标准TEM模。尽管电磁辐射似乎沿着波导管的长度方向传播，它之所以这样只是通过波导管的内壁以某一角度反射。因此，根据传播模，电磁辐射沿着波导管轴线(通常指z轴)具有一些电场成分或者一些磁场成分。
在腔或者波导管中的实际场分布是其中模的叠加。每种模可以用一个或多个下标(如TE10(“Tee ee one zero”))表示。下标一般说明在x和y方向上含有多少在导管波长的“半波”。本领域的普通技术人员可知波导管波长与自由空间的波长不同，因为波导管内的电磁辐射传播是通过波导管的内壁以某一角度反射。在一些情况下，可以增加第三下标来定义沿着z轴在驻波形式中的半波数量。
对于给定的电磁辐射频率，波导管的尺寸可选择得足够小以便它能支持一种传播模。在这种情况下，系统被称为单模系统(如单模辐射器)。在矩形单模波导管中TE10模通常占主导。除了波导管，应该理解可以使用同轴电缆和辐射天线。
随着波导管(或波导管所连接的腔)的尺寸增加，波导管或辐射器有时能支持附加的高阶模，形成多模系统。当能够同时支持多个模时，系统往往表示为被高度模化(highly moded)。
一个简单的单模系统具有包括至少一个最大和/或最小的场分布。最大的量级很大程度上依赖于施加于系统的电磁辐射的量。因此，单模系统的场分布是剧烈变化和基本上不均匀的。
与单模腔不同，多模腔可以同时支持几个传播模，在叠加时其形成混合场分布形式。在这种形式中，场在空间上变得模糊，并因此场分布通常不显示出腔内最小和最大场值的相同强度类型。此外，如下的详细说明，可以用一个模混合器来“混合”或“重新分布”模(如利用电磁辐射反射器的机械运动)。这种重新分布有望提供腔内更均匀的时间平均场(并因此等离子体)分布。
根据本发明的多模腔可以支持至少两个模，并且可以支持多于两个的多个模。每个模有最大电场矢量。虽然可以有两个或多个模，但是只有一个模占主导并具有比其它模大的最大电场矢量量级。如这里所用的，多模腔可以是任意的腔，其中第一和第二模量级之间的比率小于约1∶10，或者小于约1∶5，或者甚至小于约1∶2。本领域的普通技术人员可知比率越小，模之间的电场能量越分散，从而使腔内的电磁辐射能越分散。
腔内等离子体的分布非常依赖于所施加的电磁辐射的分布。例如，在一个纯单模系统中只可以有一个电场最大值的位置。因此，强等离子体只能在这一个位置产生。在许多应用中，这样一个强局部化的等离子体会不合需要的引起不均匀等离子体处理或加热(即局部过热和加热不足)。
根据本发明无论使用单或多模腔来生长碳结构，本领域的普通技术人员可知在其中形成等离子体的腔可以完全封闭或者半封闭。然而，在其它应用中，可能需要将气体流过腔，从而腔必须一定程度地打开。这样，流动气体的流量、类型和压力可以随时间而改变。这是令人满意的，因为便于形成等离子体的如氩气的特定气体更容易激发，但在随后的等离子体处理中不需要。
模混合在许多合成碳结构的应用中，需要腔内包括均匀的等离子体。然而，由于电磁辐射可以有较长波长(如在微波辐射下有几十厘米)，很难获得均匀分布。结果，根据本发明的一个方面，多模腔内的辐射模在在一段时间内可以混合或重新分布。因为腔内的场分布必须满足由腔的内表面设定的所有边界条件，可以通过改变内表面的任一部分的位置来改变这些场分布。
根据本发明的一个实施例中，可移动的反射表面位于电磁辐射腔内。反射表面的形状和移动在移动期间将联合改变腔的内表面。例如，一个“L”型金属物体(即“模混合器”)在围绕任意轴旋转时将改变腔内的反射表面的位置或方向，从而改变其中的电磁辐射分布。任何其它不对称形状的物体也可使用(在旋转时)，但是对称形状的物体也能工作，只要相对移动(如旋转、平移或两者结合)引起反射表面的位置和方向上的一些变化。在一个实施例中，模混合器可以是围绕非圆柱体纵轴的轴旋转的圆柱体。
多模腔中的每个模都具有至少一个最大电场矢量，但是每个矢量会周期性出现在腔内。通常，假设电磁辐射的频率不变，该最大值是固定的。然而，通过移动模混合器使它与电磁辐射相作用，就可能移动最大值的位置。例如，模混合器38可用于优化腔12内的场分布以便于优化等离子体激发条件和/或等离子体维持条件。因此，一旦激活等离子体，为了均匀的时间平均等离子体处理(如加热)，可以改变模混合器的位置来移动最大值的位置。
因此根据本发明，在等离子体激发期间可以使用模混合。例如，当把导电纤维用作等离子体催化剂时，已经知道纤维的方向能够强烈影响最小等离子体激发条件。例如据报道说，当这样的纤维取向于与电场成大于60°的角度时，催化剂很少能改善或放松这些条件。然而通过移动反射表面进入或接近腔，电场分布能显著地改变。
通过例如安装在辐射器腔内的旋转波导管接头将辐射射入辐射器腔，也能实现模混合。为了在辐射腔内在不同方向上有效地发射辐射，该旋转接头可以机械地运动(如旋转)。结果，在辐射器腔内可产生变化的场形式。
通过柔性波导管将辐射射入辐射腔，也能实现模混合。在一个实施例中，波导管可固定在腔内。在另一个实施例中，波导管可伸入腔中。为了在不同方向和/或位置将辐射(如微波辐射)射入腔，该柔性波导管末端的位置可以以任何合适的方式连续或周期性移动(如弯曲)。这种移动也能引起模混合并有助于在时间平均基础上更均匀的等离子体处理(如加热)。可选择地，这种移动可用于优化激发的等离子体的位置或者其它等离子体辅助处理，例如合成碳结构。
如果柔性波导管是矩形的，例如，波导管的开口末端的简单扭曲将使辐射器腔内的辐射的电场和磁场矢量的方向旋转。因而，波导管周期性的扭曲可引起模混合以及电场的旋转，这可用于辅助激发、调节或维持等离子体。
因此，即使催化剂的初始方向垂直于电场，电场矢量的重新定向能将无效方向变为更有效的方向。本领域的技术人员可知模混合可以是连续的、周期性的或预编程的。
除了等离子体激发以外，在后面的等离子体处理，例如合成和生长预定的碳结构期间，例如在消除结晶期间，模混合可用来减少或产生(如调节)腔内的“热点”。当电磁辐射腔只支持少数模时(如少于5)，一个或多个局部电场最大值可产生“热点”(如在腔12内)。在一个实施例中，这些热点可设置成与一个或多个分开但同时的等离子体激发或碳结构生长处理相一致。因此，在一个实施例中，等离子体催化剂可放在一个或多个这些激发或涂覆位置上。
多位置等离子体激发可使用不同位置的多种等离子体催化剂来激发等离子体。在一个实施例中，可用多纤维在腔内的不同点处激发等离子体。这种多点激发在要求均匀等离子体激发时尤其有益。例如，当等离子体在高频(即数十赫兹或更高)下调节，或在较大空间中激发，或两者都有时，可以改善等离子体的基本均匀的瞬态撞击和再撞击。可选地，当在多个点使用等离子体催化剂时，可以通过将催化剂选择性引入这些不同位置，使用等离子体催化剂在等离子体腔内的不同位置连续激发等离子体。这样，如果需要，在腔内可以可控地形成等离子体激发梯度。
而且，在多模腔中，腔中多个位置的催化剂的随机分布增加了如下可能性根据本发明的至少一种纤维或任何其它惰性等离子体催化剂优化沿电力线取向。但是，即使催化剂没有优化取向(基本上没有与电力线对准)，也改善了激发条件。
而且，由于催化剂粉末可以悬浮在气体中，可认为具有每个粉末粒子具有位于腔内不同物理位置的效果，从而改善了腔内的激发均匀性。
双腔等离子体激发/维持根据本发明的双腔排列可用于激发和维持等离子体。在一个实施例中，如图1B所示，系统包括至少互相流体连通的激发腔280和等离子体处理(例如碳结构合成)腔285。如图1所示，腔280和285可设置在，例如电磁辐射腔(即辐射器)14内。
为了形成激发等离子体，第一激发腔280中的气体选择性地在等离子体催化剂存在的情况下受到频率小于大约333GHz的电磁辐射。这样，接近的第一和第二腔可使腔280中形成的等离子体600激发腔285中的等离子体610，其可用附加的电磁辐射来维持。例如，附加的腔290和295是可选择的，并可以与腔285通过通道605保持流体连通。在其上希望碳结构合成和生长的衬底，例如衬底250，可以放在腔285、290或295的任意一个中，并且能被任意类型的支撑装置比如支撑物260支撑，其在合成和生长过程中选择性地移动或旋转衬底250。
在本发明的一个实施例中，腔280可以非常小并主要或只设置用于等离子体激发。这样，只需很少的电磁辐射能来激发等离子体600，使激发更容易，尤其在使用根据本发明的等离子体催化剂时。还应知道用于本发明的等离子体系统的腔可以具有不定的尺寸，并且可使用控制器来控制腔的尺寸。
在一个实施例中，腔280基本上是单模腔，腔285是多模腔。当腔280只支持单模时腔内的电场分布会剧烈变化，形成一个或多个精确定位的电场最大值。该最大值一般是等离子体激发的第一位置，将其作为安放等离子体催化剂的理想点。然而应该知道，当等离子体催化剂用于激发等离子体600时，催化剂不需要设置在电场最大值之处，而且在大多数情况下，不需要取向于特定的方向。
合成碳结构图1-14表示根据本发明用于在一种或多种衬底上合成一种或多种预定的碳结构的方法和装置的实施例。在这里，词语“合成”是指使用或者不使用催化表面或晶种的情况下形成和/或生长包括碳和任何其它原子或者分子的结构。
如上所述，图10表示如何使用双腔系统在一个腔内激发等离子体，然后用来在另一个腔内形成等离子体。图10也表示如何在需要时按顺序增加附加的腔。应当理解在任何腔内可形成碳结构，或者精确调节环境条件以便在一个连续或者周期的等离子体处理过程中在不同腔内同时合成和生长多种碳结构。
图11表示根据本发明使用被催化的等离子体合成碳结构的等离子体辅助方法645的流程图。在该方法中，例如在等离子体催化剂存在的情况下，通过使气体受到电磁辐射，在步骤650中形成等离子体。正如前所述，本发明可使用任何等离子体催化剂，例如惰性等离子体催化剂或者活性等离子体催化剂，来激发等离子体并在随后调节或者维持等离子体。
在步骤655中，将至少一种含碳材料加入等离子体。含碳材料可以是最终希望的碳结构或者含碳化合物的前体。例如，可以将某些前体材料如石墨或者烃类(如甲烷)，以固态、液态或者气态的形式引入等离子体中。这些前体会在等离子体中分解并留下碳元素，如前例所述，合成一种或多种碳结构。这些含碳材料本身可以是等离子体催化剂，因而在加入过程中会被等离子体消耗。
在步骤655中将含碳材料加入等离子体后，可以在步骤660中合成一种或者多种预定的碳结构(例如在衬底表面上)。本领域的普通技术人员应当知道可以利用几乎任何材料作为衬底，特别是具有晶体结构的材料。例如，衬底可以是半导体，例如元素半导体(如C，Ge，Si，α-Sn(灰锡)，P，Se，Te等)或者化合物半导体(如GaAs，GaP，GaN，InP，SiGe，SiC，GaAsP，GaAIAs，InGaAs，InGaP，ZnSe，ZnO，HgTe等)。可选地，衬底可以是绝缘体或者含有一个或者多个半导体层的绝缘材料(如绝缘体上硅“SOI”)。也可使用其它材料包括有机和无机的化合物、合金和结构作为衬底。
不同衬底可用于合成不同预定的碳结构。此外，衬底可以是特殊类型的构图的结构、催化表面、或者任何类型的有序或者无序晶种。
例如，可以在衬底(例如半导体或氧化衬底)表面上形成阵列、柱形或者其它表面特征，以形成用于优先合成给定的碳结构的表面。特定预定的碳结构取决于使用的特定阵列或者柱形的大小以及晶体结构等。这些表面可是催化性的(如镍，钴，钇，铁粉，包括纳米尺寸的粉末的粒子或者其它晶种材料)，但不一定是(如纳米管)。因此，催化表面的晶体结构能够决定碳结构合成的位置和类型。在这个方面，单个表面可以包括具有不同晶体结构和特性的多个表面部分。
可以使用图12所示的的示例性装置实现根据本发明的碳结构合成。在这个装置中，在等离子体催化剂240存在的情况下，通过使气体受到电磁辐射在腔230中激发等离子体，在衬底250上合成一种或者多种碳结构。然而，应当知道已被催化的或者未被催化的等离子体能够用于合成根据本发明的碳结构。
在等离子体催化剂240存在的情况下，例如它可以被放在支撑物245上，通过使气体受到一定量的电磁辐射在腔230中形成等离子体615，在衬底250的第一表面上实现碳结构合成。此外，激光器500可通过光学窗505提供激光束以激发(如以蒸发、升华或者溅射的方式)坩锅515中的含碳材料510。任何暴露在激光器500下能够蒸发、升华或者溅射的固态或者液态材料可作为含碳材料510，包括等离子体催化剂240。因此，含碳材料510在合成和生长预定的碳结构时起双重作用，既可催化等离子体又可提供碳源。可选地，可将气体注入激光束的路径。
除激光器500之外，其它类型的能量源，包括例如粒子束、载气等也可用于激发含碳材料510。
在一个实施例中，激光器500产生波长为约150nm至20μm的光束，虽然也可以使用其它便于得到的波长。应当理解激光器500也可被非相干光源所替代。激光器500也可是高峰值能量的脉冲激光束，它可以连续的、周期性的或者按预定程序的方式激发含碳材料510。载气如氩(未示出)或者任何如前所述的其它载气可以将已激发(例如蒸发)的含碳材料引入等离子体615中，以在衬底250上形成预定的碳结构。应当理解可通过使用支撑物260(如转盘)来移动衬底250，从而可以改变(如增加)在衬底250的表面上生长的均匀性。例如，如果衬底250含有一个或多个晶种或者其它催化表面的结构251，那么移动表面250就可用于优选地增加一种或多种碳结构252的合成。
因而，可以通过激光器500激发含碳材料510来增强使用等离子体催化剂240催化气体产生的等离子体615。应当理解虽然图12只示出了单腔系统，但是本发明也可以使用如图10所示的二个或多个腔系统。
本领域技术人员应当理解本发明中用于合成碳结构的等离子体辅助系统可以包括用于将催化剂引入等离子体腔中的任何电子的或者机械方法。例如，在等离子体形成前或者期间可机械地插入纤维。本领域技术人员还应当理解等离子体615也可被引入腔230中的火化塞、脉冲激光或者甚至是燃烧的火柴棒激发，该过程可以在电磁辐射供给之前、期间或之后。
还应当理解在合成期间可将含碳材料510与等离子体615分开，以更好地控制将材料引入等离子体。为了达到这个目的，可在坩锅515中的含碳材料510和等离子体615之间放置一个或多个壁或屏(未示出)。也可使用其它屏蔽电磁辐射或者等离子体的方法。
等离子体615能够吸收适量的电磁辐射能量以达到任何预定的温度分布(如任何选择的温度)。在本发明的另一个实施例中，通过调节腔230中的磁场分布，例如模混合，可控制在任何合成位置的温度。此外，通过使用固定或者变化的占空因数调节腔230中的等离子体615，可以控制温度。腔615中的气压可低于、等于或者大于大气压。至少将一种附加的含碳材料(未示出)加入等离子体615，从而可在衬底250的表面上形成多组分或者多层次的碳结构。气体流过腔的速率也可用于控制等离子体的温度。
图13表示本发明的另一个实施例，其中预定的碳结构的合成发生在等离子体腔外。在这个例子中，腔292具有开口410，该开口可位于或者靠近腔292的底部以便防止等离子体620从腔292中逸出。然而应当理解开口410可位于腔292中的任何位置。衬底250可由支撑物260支撑，并可任意转动或者随着开口410移动。腔292中的等离子体620可包括一种或者多种含碳材料，它可沉积在衬底250的表面上。
腔292中的等离子体620可被维持或者调节，衬底250可保持在任何希望的温度，例如基本上低于等离子体620的温度以增加含碳材料的沉积率和粘合性。然后，通过使用等离子体620作为热源或者任何其它外部热源(未示出)生长沉积的含碳材料，可形成预定的碳结构区域252。使用等离子体620作为热源的优点是全部衬底无需加热，这样可在空间上选择碳结构合成。当预制的衬底中含有其他温度敏感成分时这点非常有用。此外，支撑物260可通过外部装置(如热交换器)加热或者冷却以保持衬底250处于希望的温度。例如，冷却的流体(如气体)可用于在碳生长过程之前、期间或者之后冷却衬底250。
应当理解穿过开口410的含碳材料可与腔292内部或者外部的一种或者多种其它材料或气体(未示出)相结合，以获得希望的碳成分。还应当理解该材料是以等离子体的形式，例如等离子体喷射的形式，穿过开口410的。
虽然根据本发明例如在大气压下(比如使用调节的载气流)，可激发、调节或者维持等离子体，但是在相同或者不同的压力下，包括低于、等于或者高于大气压的情况下，在衬底250上可合成和生长预定的碳结构。进一步，如上所述，等离子体的压力和温度都可按要求调节。例如，使用一个系统(如图10所示)可使技术人员在大气压下调节或维持腔285中的等离子体610，并在高于或者低于大气压时，在另一腔(如285，290或295)的衬底250上合成和生长预定的碳结构。这种灵活性会是非常有用的，比如在大规模制造过程中。
图14表示包括表面特征(如一种或多种形貌(topographical)特征)的腔230的内表面的截面图。这些特征可用于形成在导电衬底250上合成碳结构的选择性区域。例如，通过在衬底250的表面与腔230的内表面之间提供足够的空隙，在衬底250的表面上的预定位置等离子体320可得到调节或者维持。例如，当空隙至少是约λ/4(如低于表面320)时，这里λ是施加的电磁辐射的波长，可以形成等离子体320并在等离子体320附近如晶种区域253上合成预定的碳结构。相反，当空隙小于约λ/4(低于表面300)时，则极少或者没有形成等离子体，因此含碳材料不会沉积。因而，预定的碳结构可在等离子体附近在碳结构晶种区域253上选择性地合成和生长，但是在等离子体被抑制的地方碳结构的合成和生长也被选择性地抑制。应当理解图14所示的图形不是唯一可能的图形。
应当理解等离子体形成取决于由导电表面施加的边界条件造成的波长，导电表面如腔的内金属表面。当使用非金属表面时，局部等离子体的体积的大小会得到增加或者减少。例如，体积的减少会限制等离子体的强度以及从而限制在催化表面附近的能流。
虽然图14示出了腔230的内表面有突起或者凹陷的表面特征，但是应当理解这些特征也可以位于衬底250上，而腔230的内表面则可以相对平坦或平滑。
因此，衬底250上的表面特征可在合成碳结构期间有效地发挥掩膜的作用，以限制允许结构生长的位置。这个“掩膜”可以是衬底本身，或者是光刻胶，例如在半导体工业中使用的类似物，或者任何用于改变在晶种区域上生长的预定碳结构的几何尺寸的其它材料(如设计用于阻止在例如半导体器件的某些区域上合成和生长碳结构的牺牲膜)。例如，掩膜可以是负性或正性光刻胶、沉积金属、氧化物或者其它以永久或者临时方式用于形成所要碳结构区域的材料。
根据本发明的使用催化的等离子体合成碳结构的优点是在合成期间，甚至是在腔处于相对高压状态时，可在衬底250上根据含碳物质的浓度和位置的变化产生高选择性的生长率。
应当理解根据本发明也可以形成其它上述未讨论的单元素或者多元素的碳结构。
在前述的实施例中，为了简化说明，各种特征被集合在单个实施例中。这种公开方法不意味着本发明权利要求书要求了比每个权利要求中明确叙述的特征更多的特征。而是，如下列权利要求所述，创造性方面要比前述公开的单个实施例的全部特征少。因此，下列权利要求被加入到该具体实施方式
中，每个权利要求本身作为本发明的一个单独的优选实施例。
权利要求
1.一种合成包括碳原子的第一预定结构的方法，该方法包括在等离子体催化剂存在的情况下，通过使至少第一气体受到电磁辐射在第一腔中形成第一等离子体，其中辐射的频率小于约333GHz；将含碳材料加入所述等离子体；以及在衬底表面生长所述预定结构。
2.根据权利要求1的方法，其中所述等离子体催化剂是惰性等离子体催化剂和活性等离子体催化剂中的至少一种。
3.根据权利要求2的方法，其中所述催化剂包括金属、无机材料、碳、碳基合金、碳基复合物、导电聚合体、导电硅橡胶弹性体、聚合纳米复合物和有机无机复合物中的至少一种。
4.根据权利要求3的方法，其中所述催化剂的形式为纳米粒子、纳米管、粉末、粉尘、薄片、纤维、薄板、针、线、绳、细丝、纱、细绳、刨花、裂片、碎片、编织线、带和须中的至少一种。
5.根据权利要求4的方法，其中所述等离子体催化剂包括碳纤维。
6.根据权利要求2的方法，其中所述催化剂包括金属、无机材料、碳、碳基合金、碳基复合物、导电聚合体、导电硅橡胶弹性体、聚合纳米复合物和有机无机复合物中的至少一种。
7.根据权利要求2的方法，其中所述催化剂按比率包括至少一种导电成分和至少一种添加剂，该方法还包括维持所述等离子体，其中所述维持步骤包括将附加的电磁辐射引入所述腔；以及允许所述催化剂被所述等离子体消耗，从而所述等离子体包括所述至少一种添加剂。
8.根据权利要求1的方法，其中所述等离子体催化剂包括活性等离子体催化剂，该活性等离子体催化剂包括至少一种电离粒子。
9.根据权利要求8的方法，其中所述至少一种电离粒子包括一束粒子。
10.根据权利要求1的方法，其中所述等离子体催化剂是含碳材料。
11.根据权利要求1的方法，其中所述衬底表面包括催化的构图表面。
12.根据权利要求11的方法，其中所述构图表面包括多个直径小于200nm的催化粒子。
13.根据权利要求1的方法，其中所述衬底表面包括构图金属、PdSe合金、镍、石英、铁、钴、碳化硅和含钼的氧化铁中的至少一种。
14.根据权利要求1的方法，其中所述加入步骤包括通过选自如下的激发方法激发所述含碳材料将光束引入所述含碳材料和将离子束引入所述含碳材料，从而将所述含碳材料加入第二等离子体。
15.根据权利要求14的方法，其中所述第一等离子体和所述第二等离子体相同。
16.根据权利要求1的方法，其中所述预定结构选自单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨多面体、石墨结构、富勒烯结构、金刚石结构及其任意组合。
17.根据权利要求1的方法，还包括加热具有第二等离子体的所述衬底表面。
18.根据权利要求17的方法，其中所述第一等离子体和所述第二等离子体相同。
19.根据权利要求1的方法，还包括在所述生长期间通过将足量的电磁辐射引入所述腔来维持所述等离子体，其中所述引入选自连续引入、周期性引入、程序化引入及其任意组合，以至少控制所述预定结构的生长速度。
20.根据权利要求19的方法，其中所述等离子体具有相关的温度，该方法还包括根据预定温度分布，通过改变流过所述腔的气流和所述腔中的电磁辐射水平中的至少之一来控制所述温度，以至少控制所述预定结构的生长速度。
21.根据权利要求19的方法，其中所述维持步骤包括通过波导管、同轴电缆和天线中的至少一种提供所述足量的电磁辐射，以便所述电磁辐射穿过所述容器并被所述气体吸收以形成所述等离子体。
22.根据权利要求19的方法，其中所述容器具有至少具有一种表面特征的内表面，并且其中所述生长步骤包括在基于所述至少一种表面特征的所述衬底表面上形成所述预定结构的第一图形。
23.根据权利要求19的方法，其中所述生长步骤包括在第一组生长条件下在所述衬底表面上生长所述第一预定结构；以及在生长所述第一预定结构后，在第二组生长条件下生长第二预定结构，其中在所述衬底表面、所述第一预定结构及其结合中的至少一种上生长所述第二预定结构。
24.根据权利要求1的方法，其中第二腔和所述第一腔相连，所述方法还包括在所述第二腔中放置所述衬底；在所述生长期间在所述第一腔中维持所述等离子体；以及在所述加入步骤之后将所述至少一种含碳材料从所述第一腔流入所述第二腔，从而允许在所述第二腔中进行所述生长。
25.根据权利要求1的方法，其中所述第一腔在具有开口的容器中形成，所述方法还包括将所述衬底放置在所述第一腔外的所述开口附近；在所述生长期间在所述第一腔中维持所述等离子体；以及将所述至少一种含碳材料从所述第一腔穿过所述开口，从而允许在所述衬底上进行所述生长。
26.根据权利要求1的方法，还包括将包含非碳原子的材料加入所述等离子体，以便所述预定结构包括碳原子和非碳原子。
27.根据权利要求1的方法，还包括将至少第二气体加入所述等离子体。
28.根据权利要求1的方法，其中所述第二气体包括氢以抑制所述生长期间的氧化。
29.根据权利要求1的方法，其中通过调节如下来控制所述生长加入所述气体的速度、将所述电磁辐射引入所述腔的速度、加入所述含碳材料的速度及其任意组合。
30.一种合成包括碳原子的第一预定结构的系统，该系统包括第一容器，在其中形成有第一腔；电磁辐射源，设置成将电磁辐射引入所述腔；至少一种气体源，与所述第一腔相连，用于向所述腔提供气体；等离子体催化剂，设置在所述电磁辐射中；碳源，设置与所述腔流体连通；等离子体控制器，按程序控制所述辐射和所述至少一种气体中的至少一种以产生足量的等离子体，从而运送含碳材料；以及生长催化剂，用于在衬底上生长所述预定结构。
31.根据权利要求30的系统，其中所述等离子体催化剂是惰性等离子体催化剂和活性等离子体催化剂中的至少一种。
32.根据权利要求30的系统，其中所述惰性催化剂包括金属、无机材料、碳、碳基合金、碳基复合物、导电聚合体、导电硅橡胶弹性体、聚合纳米复合物和有机无机复合物中的至少一种。
33.根据权利要求30的系统，其中所述惰性催化剂的形式为纳米粒子、纳米管、粉末、粉尘、薄片、纤维、薄板、针、线、绳、细丝、纱、细绳、刨花、裂片、碎片、编织线、带和须中的至少一种。
34.根据权利要求30的系统，其中所述惰性催化剂按比率包括至少一种导电成分和至少一种添加剂。
35.根据权利要求30的系统，其中所述等离子体催化剂包括至少一种电离粒子。
36.根据权利要求35的系统，其中所述至少一种电离粒子包括一束粒子。
37.根据权利要求30的系统，其中所述等离子体催化剂是放射性裂变的产物。
38.根据权利要求30的系统，还包括在其中形成有第二腔的第二容器，其中所述衬底位于所述第二腔中，并且其中所述第一腔和所述第二腔相连以便在所述运送期间所述含碳材料能够从所述第一腔流入所述第二腔，以在所述第二腔中进行所述生长步骤。
39.根据权利要求30的系统，其中所述容器具有一个开口，并且其中所述运送步骤包括将所述至少一种含碳材料穿过所述开口以在所述腔外进行所述生长步骤。
40.根据权利要求30的系统，还包括与所述电磁辐射源相连的波导器、同轴电缆和辐射天线中的至少一种。
41.根据权利要求30的系统，其中所述第一容器基本上透射电磁辐射。
42.根据权利要求30的系统，其中所述第一容器包括基本上透射电磁辐射并基本上不透气的材料。
43.根据权利要求30的系统，还包括在其中设置有所述第一容器的辐射器，其中所述辐射器包括基本上不透射电磁辐射的材料。
44.根据权利要求30的系统，还包括用于控制所述衬底温度的温度控制器。
45.一种合成包括碳原子的结构的方法，该方法包括在等离子体催化剂存在的情况下，通过使至少一种气体受到电磁辐射在第一腔中形成等离子体，其中所述辐射的频率小于约333GHz，所述等离子体用于合成所述结构；以及合成所述结构。
46.根据权利要求45的方法，其中所述等离子体催化剂是惰性等离子体催化剂和活性等离子体催化剂中的至少一种。
47.根据权利要求46的方法，其中所述催化剂包括金属、无机材料、碳、碳基合金、碳基复合物、导电聚合体、导电硅橡胶弹性体、聚合纳米复合物和有机无机复合物中的至少一种。
48.根据权利要求47的方法，其中所述催化剂的形式为纳米粒子、纳米管、粉末、粉尘、薄片、纤维、薄板、针、线、绳、细丝、纱、细绳、刨花、裂片、碎片、编织线、带和须中的至少一种。
49.根据权利要求48的方法，其中所述等离子体催化剂包括碳纤维。
50.根据权利要求45的方法，其中所述等离子体催化剂包括活性等离子体催化剂，所述活性等离子体催化剂包括至少一种电离粒子。
51.根据权利要求50的方法，其中所述至少一种电离粒子包括一束粒子。
52.权利要求45的方法，其中所述合成步骤包括在衬底上生长所述结构。
全文摘要
本发明提供了用于合成碳结构的用于激发、调节和维持等离子体的方法和装置。在一个实施例中，提供了用于合成碳结构的方法，包括在等离子体催化剂存在的情况下，通过使气体受到电磁辐射来形成等离子体，将至少一种含碳材料加入所述等离子体以在衬底上生长碳结构。本发明中还提供了多种类型的等离子体催化剂。
文档编号F27B17/00GK1652867SQ03810273
公开日2005年8月10日 申请日期2003年5月7日 优先权日2002年5月8日
发明者S·库马尔, D·库马尔 申请人:达纳公司