DE102012204838A1 - Method for manufacturing carbon-nano wires used in electrical components, involves arranging suspension of soot particles and/or carbon nano wires so that suspension and nano wires are exposed to electric field between electrons - Google Patents

Method for manufacturing carbon-nano wires used in electrical components, involves arranging suspension of soot particles and/or carbon nano wires so that suspension and nano wires are exposed to electric field between electrons Download PDF

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    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
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    • B82B3/0023—Forming specific nanostructures comprising flexible or deformable elements
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    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials

Abstract

The method involves providing electrodes (10, 20). An electric field is applied between the electrodes so that field line elevation is cathodically and anodically obtained. Soot particles are contacted with the field so that deposition of the particles occurs. The particles are suspended in fluid. A concentration of the particles in the fluid ranges from larger than or equal to 1 mg per cubic cm to smaller than or equal to 50 mg per cubic cm. A suspension of the particles and/or carbon nano wires are arranged so that the suspension and the nano wires are exposed to the field between electrons. The fluid is water.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Kohlenstoff-Nanodrähten.The present invention relates to the production of carbon nanowires.

Die bisherigen Herstellungsverfahren (z.B. Flüssigphasen-Abscheidung) haben die Nachteile, dass es nur schwer oder oftmals gar nicht möglich ist, gezielt Nanodrähte mit einer festgelegten Kontaktierung herzustellen. Dies ist jedoch Voraussetzung, um derartige Nanodrähte in elektrischen Bauelementen einzusetzen.The prior art fabrication methods (e.g., liquid phase deposition) have the disadvantages that it is difficult, or often impossible, to fabricate targeted nanowires with a fixed contact. However, this is a prerequisite for using such nanowires in electrical components.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Herstellungsverfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanodrähten bereitzustellen. Dies wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung gelöst. Demgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanodrähten vorgeschlagen, umfassend den Schritt:

  • a) Bereitstellen von zwei Elektroden und Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen diesen Elektroden so, dass kathodisch und anodisch eine Feldlinienüberhöhung entsteht
  • b) Inkontaktbringen von Russpartikeln und/oder Kohlenstoffnanodrähten mit dem elektrischen Feld, so dass eine definierte Ablagerung der Russpartikel und/oder Kohlenstoffnanodrähten zwischen den Elektroden stattfindet.
Thus, it is an object of the present invention to provide an alternative manufacturing method for producing carbon nanowires. This is solved by the method according to claim 1 of the present invention. Accordingly, a method for producing carbon nanowires is proposed, comprising the step:
  • a) providing two electrodes and applying an electric field between these electrodes so that a cathodic and anodic field line elevation arises
  • b) contacting soot particles and / or carbon nanowires with the electric field, so that a defined deposition of soot particles and / or carbon nanowires takes place between the electrodes.

Überraschend hat sich herausgestellt, dass so auf einfache Weise Kohlenstoff-Nanodrähte hergestellt werden können. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass das erfindiungsgemäße Verfahren oftmals einen oder mehrere der folgenden Vorteile aufweisen:

  • – Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, gezielt Kohlenstoff-Nanodrähte zwischen zwei Elektroden herzustellen und so die Planung und Realisierung komplexer elektronischer Bauteile zu ermöglichen.
  • – Das Verfahren kann auf einfache Weise eingesetzt werden und erfordert keine aufwendigen Bauteile
  • – Das Verfahren erlaubt prinzipiell eine Sortierung von metallischen und halbleitenden Nanodrähten, da sich die Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld unterscheidet. Damit lassen sich gezielt entweder metallische oder halbleitende Nanodrähte zwischen den Elektroden herstellen
Surprisingly, it has been found that carbon nanowires can be produced in a simple way. In particular, it has been found that the method according to the invention often has one or more of the following advantages:
  • - By the method according to the invention, it is possible to produce targeted carbon nanowires between two electrodes and thus to enable the planning and implementation of complex electronic components.
  • - The method can be used in a simple manner and requires no complex components
  • - The method allows in principle a sorting of metallic and semiconducting nanowires, as the interaction with the electric field is different. This can be targeted to produce either metallic or semiconducting nanowires between the electrodes

Unter dem Term „Feldlinienüberhöhung“ im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere verstanden, dass es sich um eine räumlich inhomogene Verteilung des elektrischen Feldes handelt, so dass der Effekt der Dielektrophores zum Anlagern der Nanodrähte ausgenutzt wird. Neben einer zeitlich konstanten Feldverteilung kann insbesondere auch eine zeitliche Varation des elektrischen Feldes ausgenutzt werden, um die Nanodrähte auszurichten bzw. zu sortieren. Hierzu wird zwischen den Elektroden eine Wechselspannung angelegt. Die Frequenz der Wechselspannung bzw. die Frequenzen der Wechselspannung, im Falle der Überlagerung mehrer Frequenzen kann zeitlich konstant sein, oder aber auch zeitlich variiert werden.For the purposes of the present invention, the term "field line superelevation" is understood to mean, in particular, that it is a spatially inhomogeneous distribution of the electric field, so that the effect of the dielectrophores for attaching the nanowires is utilized. In addition to a temporally constant field distribution, in particular a temporal variation of the electric field can also be utilized in order to align or sort the nanowires. For this purpose, an alternating voltage is applied between the electrodes. The frequency of the AC voltage or the frequencies of the AC voltage, in the case of superposition of multiple frequencies can be constant in time, or else can be varied over time.

Unter dem Term „Russpartikel“ im Sinne der vorliegenden Erfindung werden insbesondere kohlenstoffhaltige Partikel mit einem Durchmesser von größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 200 nm, bevorzugt größer oder gleich 10 nm und kleiner oder gleich 100 nm verstanden.In the context of the present invention, the term "soot particles" is understood as meaning in particular carbon-containing particles having a diameter of greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 200 nm, preferably greater than or equal to 10 nm and less than or equal to 100 nm.

Unter dem Term „Inkontaktbringen“ im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere verstanden, dass die Russpartikel in einem Fluid suspendiert so durch das Feld geleitet bzw. durch Diffusion durch das Feld wandern, dass diese mittels des Feldes sich an den Elektroden abscheiden.The term "bringing into contact" in the sense of the present invention is understood in particular to mean that the soot particles suspended in a fluid pass through the field or migrate through the field by diffusion, so that they deposit on the electrodes by means of the field.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Russpartikel in einem Fluid suspendiert. Dies kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein.According to a preferred embodiment of the invention, the soot particles are suspended in a fluid. This can be a liquid or a gas.

Für den Fall, dass das Fluid (überwiegend) eine Flüssigkeit darstellt, ist es vorteilhaft, eine Suspension der Russpartikel bzw. der Kohlenstoffnanodrähte so anzuordnen, dass diese dem elektrischen Feld zwischen den Elektronen ausgesetzt ist. Bevorzugte Flüssigkeiten sind H2O, Ethanol, Isopropanol oder Mischungen dieser Flüssigkeiten und ggf. Zusatz von NatriumlaurylsulfatIn the event that the fluid (predominantly) represents a liquid, it is advantageous to arrange a suspension of the soot particles or the carbon nanowires so that it is exposed to the electric field between the electrons. Preferred liquids are H 2 O, ethanol, isopropanol or mixtures of these liquids and, if appropriate, addition of sodium lauryl sulfate

Für den Fall, dass das Fluid (überwiegend) ein Gas ist, ist es vorteilhaft und insofern eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, dass die Russpartikel bzw. der Kohlenstoffnanodrähte in einem Trägergas suspendiert durch das elektrische Feld zwischen den Elektronen geleitet werden. Bevorzugte Geschwindigkeiten sind größer oder gleich 0.1 m/s bis kleiner oder gleich 10 m/s. Bevorzugte Trägergase sind Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Helium, Neon oder Mischungen dieser Gase.In the event that the fluid is (predominantly) a gas, it is advantageous, and in this respect a preferred embodiment of the invention, for the soot particles or the carbon nanowires to be conducted suspended in a carrier gas through the electric field between the electrons. Preferred speeds are greater than or equal to 0.1 m / s to less than or equal to 10 m / s. Preferred carrier gases are air, oxygen, nitrogen, argon, helium, neon or mixtures of these gases.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung beträgt die Konzentration der Russpartikel in dem Fluid von größer oder gleich 1 mg/m3 bis kleiner oder gleich 50 mg/cm3, bevorzugt größer oder gleich 10 mg/cm3 bis kleiner oder gleich 30 mg/cm3.According to a preferred embodiment of the invention, the concentration of soot particles in the fluid is from greater than or equal to 1 mg / m 3 to less than or equal to 50 mg / cm 3 , preferably greater than or equal to 10 mg / cm 3 to less than or equal to 30 mg / cm 3 .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung wird die Feldlinienüberhöhung zwischen den Elektroden so bewirkt, dass die Elektroden eine Spitze mit einem Winkel von 5° oder größer bilden. Dies hat sich als einfacher und vorteilhafter Weg herausgestellt, eine derartige Feldlinienüberhöhung herbeizuführen.According to a preferred embodiment of the invention, the field line elevation between the electrodes is effected so that the electrodes form a peak at an angle of 5 ° or greater. This has proven to be a simple and advantageous way to bring about such a field line increase.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung beträgt der kürzeste Abstand zwischen den beiden Elektroden von größer oder gleich 1 μm bis kleiner oder gleich 100 μm. Bei größeren Abständen hat es sich oftmals als problematisch herausgestellt, in vernünftiger Qualität Kohlenstoff-Nanodrähte herzustellen, bei kleineren Abständen wird oftmals die lokale Felddichte zu hoch.According to a preferred embodiment of the invention, the shortest distance between the two electrodes of greater than or equal to 1 micron to less than or equal to 100 microns. At longer distances, it has often proved problematic to produce carbon nanowires in reasonable quality, at smaller distances the local field density often becomes too high.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung wird zumindest Schritt b) des Verfahrens bei einer Spannung von größer oder gleich 0,5 × x V bis kleiner oder gleich 1 × x V durchgeführt, wobei x der kürzeste Abstand zwischen den beiden Elektroden in μm darstellt. Bei (z.B.) einem Abstand von 60 μm beträgt somit die Spannung von größer oder gleich 30 V bis größer oder gleich 60V. Diese Spannungen haben sich als zweckmäßig herausgestellt, um einerseits eine gute Abscheidung zu ermöglichen, andererseits das Feld nicht zu stark werden zu lassen. According to a preferred embodiment of the invention, at least step b) of the method is carried out at a voltage of greater than or equal to 0.5 × V to less than or equal to 1 × V, where x represents the shortest distance between the two electrodes in μm. Thus, at (for example) a distance of 60 μm, the voltage is greater than or equal to 30V to greater than or equal to 60V. These tensions have been found to be useful, on the one hand to allow a good separation, on the other hand, not to let the field too strong.

Bevorzugt wird zumindest Schritt b) des Verfahrens bei einer Spannung von größer oder gleich 0,6 × x V bis kleiner oder gleich 0,8 × x V durchgeführt, wobei x der kürzeste Abstand zwischen den beiden Elektroden in μm darstellt.At least step b) of the method is preferably carried out at a voltage of greater than or equal to 0.6 × V to less than or equal to 0.8 × V, where x represents the shortest distance between the two electrodes in μm.

Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.The above-mentioned and the claimed components to be used according to the invention described in the exemplary embodiments are not subject to special conditions of size, shape, material selection and technical design, so that the selection criteria known in the field of application can be used without restriction.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen sowie eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei zeigtFurther details, features and advantages of the subject matter of the invention will become apparent from the subclaims and from the following description of the drawings and an embodiment of the method according to the invention. It shows

1 eine Draufsicht einer Elektrodenanordnung für das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; 1 a plan view of an electrode assembly for the inventive method according to a first embodiment of the invention;

2 eine Seitenansicht der Elektrodenanordnung nach 1; 2 a side view of the electrode assembly according to 1 ;

3 eine Detailansicht der Elektrodenanordnung nach 1 mit angedeuteten Feldlinien vor Schritt b) des Verfahrens in Draufsicht; sowie 3 a detailed view of the electrode assembly according to 1 with indicated field lines before step b) of the method in plan view; such as

4 eine Detailansicht derselben Elektrodenanordnung aus 3 in Seitenansicht während Schritt b). 4 a detailed view of the same electrode assembly 3 in side view during step b).

1 zeigt eine Draufsicht einer Elektrodenanordnung 1 für das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Man sieht dabei mehrere Elektroden 10 bzw. 20, zwischen denen sich die Kohlenstoff-Nanodrähte bilden. Dabei sind die Elektroden so geformt, dass sie jeweils dort, wo der kürzeste Abstand zwischen den Elektroden besteht, in Form einer Spitze mit einem Winkel von in etwa 75° (wie in 1 angedeutet) geformt sind. 2 zeigt eine Seitenansicht der Elektrodenanordnung nach 1. 1 shows a plan view of an electrode assembly 1 for the inventive method according to a first embodiment of the invention. You can see several electrodes 10 respectively. 20 between which the carbon nanowires form. In this case, the electrodes are shaped such that, in each case, where the shortest distance between the electrodes exists, in the form of a tip with an angle of approximately 75 ° (as in FIG 1 indicated) are formed. 2 shows a side view of the electrode assembly according to 1 ,

In 3 ist die Feldlinienüberhöhung (die aus der Spitzenform der Elektroden resultiert, ähnlich wie im klassischen Stern-Gerlach-Versuch aus der Quantenphysik) zu sehen. Werden nun Russpartikel durch das Feld geleitet (wie in 4 anhand der Pfeile beschrieben ist, die den Fluss eines Trägergases, in dem die Russpartikel suspendiert sind, andeuten sollen), so erfolgt nun eine Abscheidung der Russpartikel (durch die Nummer 15 markiert) und es entsteht ein gerichteter Nanodraht zwischen den Elektroden 10, 20.In 3 is the field line exaggeration (resulting from the tip shape of the electrodes, similar to the classic Stern-Gerlach experiment in quantum physics) to see. Are now soot particles passed through the field (as in 4 is described with reference to the arrows that indicate the flow of a carrier gas in which the soot particles are suspended), so now the soot particles are separated (by the number 15 marked) and there is a directed nanowire between the electrodes 10 . 20 ,

Die einzelnen Kombinationen der Bestandteile und der Merkmale von den bereits erwähnten Ausführungen sind exemplarisch; der Austausch und die Substitution dieser Lehren mit anderen Lehren, die in dieser Druckschrift enthalten sind mit den zitierten Druckschriften werden ebenfalls ausdrücklich erwogen. Der Fachmann erkennt, dass Variationen, Modifikationen und andere Ausführungen, die hier beschrieben werden, ebenfalls auftreten können ohne von dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Entsprechend ist die obengenannte Beschreibung beispielhaft und nicht als beschränkend anzusehen. Das in den Ansprüchen verwendetet Wort umfassen schließt nicht andere Bestandteile oder Schritte aus. Der unbstimmte Artikel „ein“ schließt nicht die Bedeutung eines Plurals aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maße in gegenseitig verschiedenen Ansprüchen rezitiert werden, verdeutlicht nicht, dass eine Kombination von diesen Maßen nicht zum Vorteil benutzt werde kann. Der Umfang der Erfindung ist in den folgenden Ansprüchen definiert und den dazugehörigen Äquivalenten. The individual combinations of the components and the features of the already mentioned embodiments are exemplary; the exchange and substitution of these teachings with other teachings contained in this document with the references cited are also expressly contemplated. Those skilled in the art will recognize that variations, modifications and other implementations described herein may also occur without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the above description is illustrative and not restrictive. The word used in the claims does not exclude other ingredients or steps. The unanimous article "a" does not exclude the meaning of a plural. The mere fact that certain measures are recited in mutually different claims does not make it clear that a combination of these dimensions can not be used to advantage. The scope of the invention is defined in the following claims and the associated equivalents.

Claims (9)

Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanodrähten, umfassend die Schritte a) Bereitstellen von zwei Elektroden und Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen diesen Elektroden so, dass kathodisch und anodisch eine Feldlinienüberhöhung entsteht; und b) Inkontaktbringen von Russpartikeln mit dem elektrischen Feld, so dass eine Ablagerung der Russpartikel stattfindet.A process for the production of carbon nanowires, comprising the steps of a) providing two electrodes and applying an electric field between these electrodes so that a cathodic and anodic field line elevation arises; and b) contacting soot particles with the electric field, so that a deposition of the soot particles takes place. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Russpartikel in einem Fluid suspendiert sind.The method of claim 1, wherein the soot particles are suspended in a fluid. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Konzentration der Russpartikel in dem Fluid von größer oder gleich 1 mg/cm3 bis kleiner oder gleich 50 mg/cm3 beträgt.A method according to claim 1 or 2, wherein the concentration of soot particles in the fluid is from greater than or equal to 1 mg / cm 3 to less than or equal to 50 mg / cm 3 . Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Fluid überwiegend eine Flüssigkeit ist und eine Suspension der Russpartikel und/oder der Kohlenstoffnanodrähte derart angeordnet wird, dass diese dem elektrischen Feld zwischen den Elektronen ausgesetzt ist.Method according to one of claims 1 to 3, wherein the fluid is predominantly a liquid and a suspension of the soot particles and / or the carbon nanowires is arranged such that it is exposed to the electric field between the electrons. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Fluid überwiegend ein Gas ist und die Russpartikel in einem Trägergas suspendiert durch das elektrische Feld zwischen den Elektronen geleitet werden.Method according to one of claims 1 to 3, wherein the fluid is predominantly a gas and the soot particles suspended in a carrier gas are passed through the electric field between the electrons. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Feldlinienüberhöhung zwischen den Elektroden so bewirkt wird, dass die Elektroden eine Spitze mit einem Winkel von 5° oder größer bilden. Method according to one of claims 1 to 5, wherein the field line elevation between the electrodes is effected so that the electrodes form a tip with an angle of 5 ° or greater. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der kürzeste Abstand zwischen den beiden Elektroden von größer oder gleich 1 μm bis kleiner oder gleich 100 μm beträgt.Method according to one of claims 1 to 6, wherein the shortest distance between the two electrodes of greater than or equal to 1 micron to less than or equal to 100 microns. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zumindest Schritt b) des Verfahrens bei einer Spannung von größer oder gleich 0,5 × x V bis kleiner oder gleich 1 × x V durchgeführt wobei, wobei x der kürzeste Abstand zwischen den beiden Elektroden in μm darstellt.A method according to any one of claims 1 to 7, wherein at least step b) of the method is performed at a voltage greater than or equal to 0.5 x V to less than or equal to 1 x x V, where x is the shortest distance between the two electrodes in represents microns. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zumindest Schritt b) des Verfahrens bei einer Spannung von größer oder gleich 0,6 × x V bis kleiner oder gleich 0,8 × x V durchgeführt wobei, wobei x der kürzeste Abstand zwischen den beiden Elektroden in μm darstellt.A method according to any one of claims 1 to 8, wherein at least step b) of the method is performed at a voltage greater than or equal to 0.6 x V to less than or equal to 0.8 x x V, where x is the shortest distance between the two Represents electrodes in μm.
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