CN105983706A - 纳米粒子制造系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种纳米粒子制造系统；此纳米粒子制造系统使用光导管将激光源所提供的激光直接引导至位于消熔腔体内的靶材的表面，藉此方式避免激光可能受到消熔腔体内冷却液体的影响而产生例如反射与折射等光学效应。此外，于本发明所提供的纳米粒子制造系统之中，是将光导管的一光导出端与该靶材之间的距离控制在一特定距离(<5mm)；如此设计，即使激光源所提供的激光为一低功率(<30mJ/pulse)的激光，该激光亦能够藉由激光消熔将所述靶材制成多个纳米粒子。

Description

纳米粒子制造系统

技术领域

本发明涉及纳米粒子的技术领域，尤其涉及一种纳米粒子制造系统。

背景技术

纳米粒子是由几十个到几百个原子所组成固体微细颗粒，一般是指粒径介于1nm至100nm之间的超微颗粒，具有非常特别的物理特性与化学特性。在化学领域中，利用纳米技术所制成的催化剂显现出极高的催化效率；在电子领域中，纳米级金属导线被制成金属网格(metal mesh)而应用于触控面板之中。另外，铝与铅等特殊金属是能够以纳米技术制成超导体。由此可知，纳米技术与纳米材料已然广泛地应用在化学、材料、光电、生物、与医药等领域之中。

有鉴于纳米材料具有广泛的应用，科学家积极地尝试研发各种制造纳米颗粒或纳米单元的方法。金属纳米粒子的制备可分成激光消熔法(laser ablationmethod)、金属气相合成法(metal vapor synthesis method)、以及化学还原法(chemical reduction method)；其中，激光消熔法为常见的一种纳米颗粒或纳米单元的制造方法。

请参阅图1，现有的激光消熔设备的架构图。如第一图所示，现有的激光消熔设备1’系包括：一激光源10’、一基板11’、一聚焦透镜12’、一消熔腔体13’、一第一混合腔体14’、一第一泵15’、一第二混合腔体14a’、以及一第二泵15a’。其中，该基板11’设置于该消熔腔体13’的底部，且其上放置有一靶材2’，例如一金属块。

承上述说明，激光源10’所发射的一激光经由聚焦透镜12’所聚焦，接着该激光通过设置于消熔腔体13’顶部的一透明窗130’而射向放置于消熔腔体13’底部的该靶材2’。受到功率控制在90mJ/pulse的激光的照射，靶材2’之上会发生金属消熔现象，使得，一高密度金属原子云团在靶材2’之上生成；进一步地，藉由充于该消熔腔体13’之中的界面活性溶液3’的作用(例如：sodiumdodecyl sulfate，简称SDS)，多个金属纳米粒子即生成于该消熔腔体13’之中。

如图1所示，所生成的金属纳米粒子是经由第一收集管路131’与第二收集管路131a’而分别运送至第一混合腔体14’与第二混合腔体14a’。其中，第一泵15’通过第一溶液输入管路151’输入一第一高分子溶液进入该第一混合腔体14’之中，且第二泵15a’通过第二溶液输入管路151a’输入一第二高分子溶液(或该第一高分子溶液)进入该第二混合腔体14a’之中。如此，多个金属纳米粒子与第一高分子溶液便能够于第一混合腔体14’的中混合成一第一纳米高分子溶液，且该多个金属纳米粒子与第二高分子溶液于第二混合腔体14a’之中混合成一第二纳米高分子溶液。最终，所述第一纳米高分子溶液及第二纳米高分子溶液系经由一第一输出管路141’与一第二输出管路141a’而分别被运送至后端的一第一成品加工区(first product process stage)与一第二后制加工区(secondproduct process stage)，进以经由后制加工而成为一第一复合纳米单元与一第二复合纳米单元。

图1所述的激光消熔设备1’虽然为已广泛地应用于制作各种复合纳米产品，然，所述激光消熔设备1’仍具有以下主要的缺点：

(1)于该激光消熔设备1’之中，必须将激光的功率精准控制在90mJ/pulse，才能够于靶材2’之上产生金属消熔现象。可想而知，应用于该激光消熔设备1’之中的激光源10’必须为一高功率、高精准度的激光产生装置，其购置成本势必相当高。

(2)此外，该激光消熔设备1’使用聚焦透镜12’将激光聚焦至靶材2’之上藉以通过激光的高能量而于靶材2’上引发金属消熔现象；然而，基于靶材2’(即，金属块材)的表面可能凹凸不平之故，由金属消熔现象所生成的多个金属纳米粒子之间可能会缺乏粒径的均一性。

(3)承上述第1点，由于该消熔腔体13’之中充有界面活性溶液3’，故当激光射入该消熔腔体13’内部时，部分的激光可能受到界面活性溶液3’的影响而产生例如反射与折射等光学效应，导致激光的入射率的下降，进而造成设备的使用成本的增加。

因此，有鉴于现有的激光消熔设备1’是于实务应用上显现诸多缺陷，本发明提供一种纳米粒子制造系统。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供不同于现有的纳米粒子制造设备的一种纳米粒子制造系统；此纳米粒子制造系统是使用光导管将激光源所提供的激光直接引导至位于消熔腔体内的靶材的表面，藉此方式避免激光可能受到消熔腔体内冷却液体的影响而产生例如反射与折射等光学效应。此外，于本发明所提供的纳米粒子制造系统之中，将光导管的一光导出端与该靶材之间的距离控制在一特定距离(<5mm)；如此设计，即使激光源所提供的激光为一低功率(<30mJ/pulse)的激光，该激光亦能够藉由激光消熔将所述靶材制成多个纳米粒子。

因此，为了达成本发明的主要目的，本发明提出一种纳米粒子制造系统，包括：

一消熔腔体，其顶部设有一透明窗；

一基板，设于该消熔腔体之中，用以置放一靶材；

一冷却液体输入装置，通过一冷却液体输送管而连接于该消熔腔体，用以输入一冷却液体于该消熔腔体之中；其中，该冷却液体的一液面高度与该透明窗的一设置高度之间相距一第一距离；并且，该液面高度与该靶材的表面之间相距一第二距离；

一激光源，提供一激光；

至少一光导管，具有一光导入端与一光导出端；其中，该光导入端连接于该激光源，且该光导出端延伸进入该消熔腔体内部，使得该光导出端与该靶材的表面之间相距一第三距离；

其中，当所述的激光经该至少一光导管被导入该消熔腔体的内部并射向该靶材之后，该靶材会被该激光消熔成为多个纳米粒子。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1现有的激光消熔设备的架构图；

图2本发明的一种纳米粒子制造系统的示意性架构图；

图3消熔腔体、光导管与低压均质装置的示意性连接架构图；

图4一纳米单元制造系统的第一示意性架构图；以及

图5纳米单元制造系统的第二示意性架构图。

其中，附图标记

本发明

1 纳米粒子制造系统

11 消熔腔体

12 基板

13 冷却液体输入装置

14 激光源

15 光导管

1A 靶材递送装置

1B 液面控制装置

1C 低压均质装置

111 透明窗

2 靶材

131 冷却液体输送管

d1 第一距离

d2 第二距离

d3 第三距离

151 光导入端

152 光导出端

16 初级混合装置

17 高分子材料输入装置

18 次级混合装置

19 纳米单元成形装置

1D 第一高压均质装置

1E 第二高压均质装置

112 纳米粒子输送管

171 高分子材料输送管

161 第一混合溶液输送管

181 第二混合溶液输送管第一混合溶

132 第一流速控制阀

172 第二流速控制阀

1R 造粉装置

现有技术

1’ 激光消熔设备

10’ 激光源

11’ 基板

12’ 聚焦透镜

13’ 消熔腔体

14’ 第一混合腔体

15’ 第一泵

14a’ 第二混合腔体

15a’ 第二泵

2’ 靶材

130’ 透明窗

3’ 界面活性溶液

131’ 第一收集管路

131a’ 第二收集管路

151’ 第一溶液输入管路

151a’ 第二溶液输入管路

141’ 第一输出管路

141a’ 第二输出管路

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明所提出的一种纳米粒子制造系统，以下将配合附图，详尽说明本发明的较佳实施例。

请参阅图2，为本发明的一种纳米粒子制造系统的示意性架构图。如图2所示，该纳米粒子制造系统1包括：一消熔腔体11、一基板12、一冷却液体输入装置13、一激光源14、至少一光导管15、一靶材递送装置1A、一液面控制装置1B、一低压均质装置1C、以及一恒温系统(未图示)。其中，该消熔腔体11由聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene,PTFE)所制成，且其顶部设有一透明窗111。

继续地参阅图2，并请同时参阅图3，消熔腔体、光导管与低压均质装置的示意性连接架构图。如图所示，该基板12设于该消熔腔体11内以供置放一靶材2。于操作上，作业人员可操作连接于该消熔腔体11的靶材递送装置1A，进而将该靶材2送进该消熔腔体11之中。于本发明中，所述靶材2为一惰性金属靶材，且基板12的材质相同于该靶材2的材质。另，该冷却液体输入装置13通过一冷却液体输送管131而连接于该消熔腔体11，用以输入一冷却液体于该消熔腔体11之中；其中，所述的冷却液体可以是有机相冷凝液或者水相冷凝液。必须特别指出的是，冷却液体的一液面高度与该透明窗111的一设置高度之间相距一第一距离d1(小于5mm)，且该液面高度与该靶材2的表面之间相距一第二距离d2(小于5cm)。其中，连接于该消熔腔体11的该液面控制装置1B藉由充入/抽出该冷却液体的方式，进而将该液面高度与该设置高度之间的距离控制在所述的第一距离d1。

该激光源14通过至少一光导管15以提供一激光至该靶材2的表面。如图2与图3所示，该光导管15可以是一光纤或一石英玻璃柱，具有一光导入端151与一光导出端152；其中，该光导入端151连接于该激光源，且该光导出端152延伸进入该消熔腔体11内部，使得该光导出端152与该靶材2的表面之间相距一第三距离d3(小于5mm)。进一步地，当所述的激光经该至少一光导管15被导入该消熔腔体11的内部并射向该靶材2之后，该靶材2会被该激光消熔成为多个纳米粒子。于此，必须补充说明的是，由于基板12的材质相同于靶材2的材质，因此，即使激光射穿靶材2，射穿靶材2的激光会进一步地射向基板12。如此设计，可防止射穿靶材2的激光直接射向消熔腔体11的内壁面而导致不必要的污染物的产生。

本发明的纳米粒子制造系统1还包括有一低压均质装置1C与一恒温系统(未图示)；其中，该低压均质装置1C连接于该消熔腔体11，用以循环该消熔腔体11之内的该冷却液体，以加速该多个纳米粒子生成于该冷却液体之中。另，该恒温系统，连接于该消熔腔体11，用以维持该冷却液体的温度。

由上述说明可以得知图1与图2所示的纳米粒子制造系统1为一消熔激光设备，用以将一惰性金属把材制成多个纳米粒子。进一步地，图1所示的纳米粒子制造系统1可配合其它加工设备而成为一纳米单元制造系统。请参阅图4，为一纳米单元制造系统的第一示意性架构图。如图4所示，所述纳米单元制造系统除了包括图1所示的纳米粒子制造系统1以外，更包括：一初级混合装置16、一高分子材料输入装置17、一次级混合装置18、一纳米单元成形装置19、一第一高压均质装置1D、以及一第二高压均质装置1E。

承上述，该初级混合装置16通过一纳米粒子输送管112而连接于该消熔腔体11，且该高分子材料输入装置17通过一高分子材料输送管171而连接于该初级混合装置16。如此设置，该多个纳米粒子可通过该纳米粒子输送管112自该消熔腔体11被输送至该初级混合装置，同时该高分子材料输入装置17通过该通过高分子材料输送管171输入一高分子溶液至该初级混合装置16之中，使得该多个纳米粒子与该高分子溶液于该初级混合装置之中混合成为一初级混合溶液。于此，必须补充说明的是，所述高分子溶液可以是一有机相高分子溶液或者一水相高分子溶液。

该次级混合装置18通过一第一混合溶液输送管161而连接于该初级混合装置16，且该纳米单元成形装置19通过一第二混合溶液输送管181而连接于该次级混合装置18。如此设置，该初级混合溶液系由初级混合装置16被输入该次级混合装置18，以藉该次级混合装置18所执行的一再混合工艺将该初级混合溶液混合成为一纳米/高分子混合溶液。进一步地，该纳米/高分子混合溶液自该次级混合装置18输出自该纳米单元成形装置19，并于该纳米单元成形装置19之中成形为一复合纳米单元。必须补充说明的是，于本发明中，该消熔腔体11、该初级混合装置16、该次级混合装置18、与该纳米单元成形装置19的内部皆被设置为一真空环境。

另外，为了控制冷却液体以及高分子溶液的输入流速，该纳米单元制造系统分别加装了一第一流速控制阀132与一第二流速控制阀172于该冷却液体输送管131与该高分子材料输送管171之上。再者，为了加速初级混合工艺与次级混合工艺的作业，所述第一高压均质装置1D系连接于该初级混合装置16以加速该多个纳米粒子与该高分子溶液的混合，同时，所述第二高压均质装置1E连接于该次级混合装置18以加速该再混合工艺的完成。

虽然图4揭示一纳米单元的制造系统可由图1所示的纳米粒子制造系统1、一初级混合装置16、一高分子材料输入装置17、一次级混合装置18、一纳米单元成形装置19、一第一高压均质装置1D、以及一第二高压均质装置1E所构成；然而，不应以此限制所述的纳米单元制造系统的实施态样。请参阅图5，纳米单元制造系统的第二示意性架构图。如图5所示，所述纳米单元制造系统除了包括图1所示的纳米粒子制造系统1以外，更包括：一造粉装置1R以及所述高分子材料输入装置17。其中，该造粉装置1R通过所述纳米粒子输送管112而连接于该消熔腔体11，使得该多个纳米粒子可自该消熔腔体11被输送至该造粉装置1R之中。并且，该高分子材料输入装置17通过所述高分子材料输送管171而连接于该造粉装置1R，用以输入一高分子溶液至该造粉装置1R之中；如此，该多个纳米粒子与该高分子溶液便能够于该造粉装置1R之中被制成一粉状纳米单元。

如此，上述说明完整、且清楚地说明本发明的纳米粒子制造系统的构件与技术特征；并且，经由上述可以得知本发明的纳米粒子制造系统具有以下的优点：

(1)不同于现有的纳米粒子制造设备，本发明的纳米粒子制造系统是使用光导管15将激光源所提供的激光直接引导至位于消熔腔体11内的靶材2的表面，藉此方式避免激光可能受到消熔腔体11内冷却液体的影响而产生例如反射与折射等光学效应。

(2)此外，于本发明之中，将光导管15的一光导出端152与该靶材2之间的距离控制在一特定距离(<5mm)；如此设计，即使激光源所提供的激光为一低功率(<30mJ/pulse)的激光，该激光亦能够藉由激光消熔将所述靶材2制成多个纳米粒子。

(3)承上述第(2)点，由于本发明系将光导管15的一光导出端152与该靶材2之间的距离控制在一特定距离(<5mm)，因此，即使靶材2’具有凹凸不平的表面，由激光源所提供的激光亦能够将靶材2消熔成为具有粒径均一性的多个金属纳米粒子。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (15)

1.一种纳米粒子制造系统，其特征在于，包括：

一消熔腔体，其顶部设有一透明窗；

一基板，设于该消熔腔体之中，用以置放一靶材；

一冷却液体输入装置，通过一冷却液体输送管而连接于该消熔腔体，用以输入一冷却液体于该消熔腔体之中；其中，该冷却液体的一液面高度与该透明窗的一设置高度之间相距一第一距离；并且，该液面高度与该靶材的表面之间相距一第二距离；

一激光源，提供一激光；

至少一光导管，具有一光导入端与一光导出端；其中，该光导入端连接于该激光源，且该光导出端延伸进入该消熔腔体内部，使得该光导出端与该靶材的表面之间相距一第三距离；

其中，当所述的激光经该至少一光导管被导入该消熔腔体的内部并射向该靶材之后，该靶材会被该激光消熔成为多个纳米粒子。

2.根据权利要求1所述的纳米粒子制造系统，其特征在于，该冷却液体为下列任一者：有机相冷凝液或水相冷凝液。

3.根据权利要求1所述的纳米粒子制造系统，其特征在于，该消熔腔体由聚四氟乙烯所制成。

4.根据权利要求1所述的纳米粒子制造系统，其特征在于，该靶材为一惰性金属靶材。

5.根据权利要求1所述的纳米粒子制造系统，其特征在于，该光导管为下列任一者：光纤或石英玻璃柱。

6.根据权利要求1所述的纳米粒子制造系统，其特征在于，该第一距离小于5mm，该第二距离小于5cm，且该第三距离小于5mm。

7.根据权利要求1所述的纳米粒子制造系统，其特征在于，更包括：

一靶材递送装置，连接于该消熔腔体，用以将该靶材送进该消熔腔体之内；

一液面控制装置，连接于该消熔腔体，用以检测该冷却液体的该液面高度，并藉由充入/抽出该冷却液体的方式，进而将该液面高度与该设置高度之间的距离控制在所述的第一距离；

一低压均质装置，连接于该消熔腔体，用以循环该消熔腔体之内的该冷却液体，以加速该多个纳米粒子生成于该冷却液体之中；以及

一恒温系统，连接于该消熔腔体，用以维持该冷却液体的温度。

8.根据权利要求4所述的纳米粒子制造系统，其特征在于，该基板的材质相同于该靶材的材质。

9.根据权利要求7所述的纳米粒子制造系统，其特征在于，更包括：一造粉装置，通过一纳米粒子输送管而连接于该消熔腔体。

10.根据权利要求7所述的纳米粒子制造系统，其特征在于，更包括：

一初级混合装置，通过一纳米粒子输送管而连接于该消熔腔体；

一高分子材料输入装置，通过一高分子材料输送管而连接于该初级混合装置，用以输入一高分子溶液至该初级混合装置之中，使得该多个纳米粒子与该高分子溶液于该初级混合装置之中混合成为一初级混合溶液；

一次级混合装置，通过一第一混合溶液输送管而连接于该初级混合装置；其中，该初级混合溶液由初级混合装置被输入该次级混合装置，以藉该次级混合装置所执行的将该初级混合溶液混合成为一纳米/高分子混合溶液；以及

一纳米单元成形装置系通过一第二混合溶液输送管而连接于该次级混合装置；其中，该纳米/高分子混合溶液自该次级混合装置输出自该纳米单元成形装置，并于该纳米单元成形装置之中成形为一复合纳米单元。

11.根据权利要求10所述的奈米粒子制造系统，其特征在于，更包括：一高分子材料输入装置，通过一高分子材料输送管而连接于该造粉装置，用以输入一高分子溶液至该造粉装置之中，使得该多个纳米粒子与该高分子溶液于该造粉装置之中被制成一粉状纳米单元。

12.根据权利要求10所述的纳米粒子制造系统，其特征在于，该高分子溶液为下列任一者：有机相高分子溶液或水相高分子溶液。

13.根据权利要求10所述的纳米粒子制造系统，其特征在于，更包括：

一第一高压均质装置，连接于该初级混合装置，用以加速该多个纳米粒子与该高分子溶液的混合；以及

一第二高压均质装置，连接于该次级混合装置，用以加速该再混合工艺的完成。

14.根据权利要求10所述的纳米粒子制造系统，其特征在于，该消熔腔体、该初级混合装置、该次级混合装置、与该纳米单元成形装置的内部皆被设置为一真空环境。

15.根据权利要求10所述的纳米粒子制造系统，其特征在于，该冷却液体输送管与该高分子材料输送管之上分别安装有一第一流速控制阀与一第二流速控制阀。