CZ2017500A3 - Způsob výroby porézní diamantové vrstvy a tlustá porézní diamantová vrstva vyztužená nanovlákny - Google Patents
Způsob výroby porézní diamantové vrstvy a tlustá porézní diamantová vrstva vyztužená nanovlákny Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2017500A3 CZ2017500A3 CZ2017-500A CZ2017500A CZ2017500A3 CZ 2017500 A3 CZ2017500 A3 CZ 2017500A3 CZ 2017500 A CZ2017500 A CZ 2017500A CZ 2017500 A3 CZ2017500 A3 CZ 2017500A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- diamond
- nanofibres
- porous
- diamond layer
- thick
- Prior art date
Links
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 135
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 135
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 37
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 6
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 16
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 12
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 11
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 10
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 6
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000003618 dip coating Methods 0.000 claims 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 55
- 239000010408 film Substances 0.000 description 13
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 11
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 10
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 8
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 7
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 4
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- -1 T1O2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000011081 inoculation Methods 0.000 description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- UNPLRYRWJLTVAE-UHFFFAOYSA-N Cloperastine hydrochloride Chemical compound Cl.C1=CC(Cl)=CC=C1C(C=1C=CC=CC=1)OCCN1CCCCC1 UNPLRYRWJLTVAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 1
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003631 wet chemical etching Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/26—Deposition of carbon only
- C23C16/27—Diamond only
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/26—Deposition of carbon only
- C23C16/27—Diamond only
- C23C16/272—Diamond only using DC, AC or RF discharges
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/01—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes on temporary substrates, e.g. substrates subsequently removed by etching
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Předložené technické řešení popisuje způsob výroby porézní diamantové vrstvy (1, 6) a porézního diamantového tělesa (7) vyztuženého nanovlákny. Tento způsob zahrnuje krok očkování nanočástic diamantu do nanovláken z jakéhokoliv materiálu schopného odolávat podmínkám plazmou podporovaného ukládání. Naočkovaná nanovlákna jsou pak zamíchána do obětovaného materiálu. Tato směs je pak nanesena na substrát a vysušena pro vytvoření pevného filmu z kompozitu nanovlákna/obětovaný materiál. Výsledný kompozitový film je pak podroben plazmou podporovanému chemickému ukládání diamantu z parní fáze za podmínek, kdy je obětovaný materiál rozkládán. Tyto kroky mohou být opakovány pro vytvoření nanovlákny vyztužené porézní diamantové vrstvy požadované tloušťky. Diamant může být dopován borem. Takovéto vodivé porézní diamantové vrstvy dopované borem slouží pro mikroelektonické (MEMS) aplikace, kde je požadována chemická stabilita. Porézní diamantové vrstvy dopované diamantem mohou být použity jako sensory, superkondenzátory a/nebo filtry pro separaci organických elektrochemických látek.
Description
Oblast techniky
Předložený vynález se týká způsobu výroby porézní diamantové vrstvy pomocí plazmou podporovaného chemického ukládání diamantu z parní fáze (PECVD, plasma-enhanced chemical vapour deposition), zároveň s rozkladem obětovaného materiálu. Vynález se týká také tlusté porézní diamantové vrstvy vyztužené nanovlákny, která může být získána vynalezeným způsobem.
Dosavadní stav techniky
Diamant je materiál, který má vynikající elektrochemické vlastnosti. Bylo vyvinuto několik metod pro výrobu porézních (tj. majících vysoký poměr povrch ku objemu) diamantových elektrod, používajících buď principu shora dolů (leptání) nebo principu zdola nahoru (růst na 3D substrátech).
Metody využívající leptání jsou limitovány hloubkou leptání diamantu. Hloubka leptání je limitována izotropií leptacího účinku kyslíkové plazmy, která zároveň leptá leptací masku, tzn. tloušťka vyrobeného porézního materiálu končí, když je maska v průběhu procesu leptání zcela spotřebována. Jako maska pro leptání diamantu se zpravidla používají kovy (AI, Ni, a jiné). Pro zvýšení poměru povrchu k objemu za použití metody leptání je nezbytné dosáhnout vysoké hustoty diamantových nanotyčinek či nanosloupků s malým průměrem (několik desítek nanometrů), což vyžaduje vytvoření příslušné leptací masky. Takovéto kovové masky mohou být vytvořeny pomocí elektronové litografie, pomocí samovolně vznikajících kovových ostrůvků získaných z vyžíhaných, několik nanometrů tlustých vrstev kovu (např. Ni, Co, Au) [W. Smimov et al., Diam Relat Mater 19 (2010), 186], nebo z monovrstvy kovových nanočástic. Jako leptací maska mohou být použity také nanočástice diamantu [N. Yang et al., Nano Lett 2008 (2008), 3572], Výsledné porézní materiály dále trpí velkým elektrickým odporem diamantových tyčinek či sloupků a omezenou vodivostí diamantu dopovaného borem [C. Hebert et al., carbon 90 (2015), 102],
Způsoby ukládání diamantového tenkého filmu na 3D substrátech s vysokým poměrem výšky k šířce jsou limitovány kvalitou a homogenností očkování diamantem, jakož i nevyhovující účinností CVD technik ukládání diamantu. Samozřejmou skutečností je, že horní vrstvy 3D opěrných struktur (např. filtrů ze skelných vláken) účinkují jako maska pro ukládání diamantu dovnitř objemu porézní opěrné struktury (typicky několik mikrometrů hluboké). Jestliže není po ukládání diamantu 3D opěrná struktura uspořádána opakovaně (viz např. F. Gao, Μ. T. Wolfer, C. E. Nebel, Carbon 80 (2014), 833), je zvýšení poměru povrchu k objemu vyrobeného porézního materiálu limitováno.
Dokument US 2013156974 popisuje způsob výroby tlusté porézní diamantové vrstvy pomocí plazmou podporovaného chemického ukládání diamantu z parní fáze vrstvy na obětovaný materiál a rozkladu obětovaného materiálu. Tento způsob zahrnuje uspořádání vrstvy vytvořené z obětovaného materiálu, mající porézní trojrozměrnou strukturu, která je schopná postupného rozkladu ve styku s plazmou, a vytváření diamantové vrstvy pomocí plazmou podporovaného chemického ukládání z parní fáze.
Podstata vynálezu
Byl nalezen nový způsob kombinující růst diamantu na substrátech za použití opěrné struktury na
- 1 CZ 2017 - 500 A3 straně jedné s rozkladem obětovaného materiálu na straně druhé.
Tento způsob se vyznačuje tím, že nanovlákna z některého materiálu, který je schopen odolávat podmínkám plazmou podporovaného ukládání, jsou očkována nanočásticemi diamantu, naočkovaná nanovlákna jsou pak zamíchána do obětovaného materiálu, výsledná směs obětovaného materiálu s naočkovanými nanovlákny je pak nanesena na substrát a vysušena pro vytvoření filmu z pevného kompozitu z naočkovaných vláken a obětovaného materiálu. Výsledný film z pevného kompozitu je pak podroben plazmou podporovanému chemickému ukládání diamantu z parní fáze za podmínek, kdy je obětovaný materiál rozkládán.
Obětovaný materiál je materiál, který je rozkládán v plazmě obsahující H a O, konkrétněji který je rozkládán v plazmě bohaté na H, používané pro ukládání diamantu metodou PECVD, s výhodou organický polymer.
Nanovlákna mohou být vyrobena z jakéhokoliv materiálu, který je schopen odolávat podmínkám PECVD ukládání (např. z kovu, uhlíku, křemíku, S1O2, T1O2, AI2O3) a v jakémkoliv tvaru (např. whiskery, nanotyčinky, nanosloupky, nanotrubičky, rovná nebo zakroucená nanovlákna).
Nanovlákna jsou očkována diamantem a následně vysušena. Existuje několik metod pro očkování substrátů diamantem za účelem růstu tenkého diamantového filmu, zde je s výhodou používáno očkování za použití nanočástic diamantového koloidu [O.A. Williams, Chem. Phys. Lett. 445 (2007) 255],
Suchá očkovaná nanovlákna jsou pak zamíchána do obětovaného materiálu, s výhodou do organického polymeru, např. viskózního roztoku polymeru nebo jeho prekurzoru.
Výsledná směs naočkovaných nanovláken v polymeru je pak nanesena ve formě tenkého filmu na substrát a solidifikována, např. vysušena, pro vytvoření pevného kompozitového filmu sestávajícího z polymerové matrice plněné nanovlákny. Tloušťka pevného kompozitového filmu závisí na použitém způsobu povlékání, normálně je několik pm, obecně mezi 1 a 100 pm. Substrátem může být kov, sklo, keramika nebo jiný materiál, který je schopen odolávat podmínkám PECVD ukládání.
Tento kompozitový film je pak podroben plazmou podporovanému chemickému ukládání z parní fáze za podmínek ukládání diamantu a současného rozkladu polymeru. Polymer, jakožto obětovaný materiál, je ve styku s uvedenou plazmou postupně rozkládán za současného růstu diamantu. Naočkovaná nanovlákna odolávají podmínkám ukládání a vytvářejí výztužnou kostru.
Diamant může být záměrně dopován příměsemi pro získání vodivosti, je-li požadována. Bor je znám jako dobrý legovací materiál. Měrný odpor může být snížen na několik desítek mOhm.cm v případě S1O2 nanovláken. Nahrazením S1O2 nanovláken uhlíkovými nanovlákny nebo kovovými whiskery mohou být získány porézní vodivé diamantové vrstvy s více než 10-krát (pro vícevrstvé uhlíkové nanotrubičky) až 1000-krát (pro whiskery z kovu s dobrou vodivostí) vyšší vodivostí.
Po provedení kroků vynalezeného způsobu (tj. povlečení substrátu směsí polymer/nanovlákna, jejím vysušení, a PECVD ukládání diamantu), popsaných výše, může být analogickým postupem vytvořena jedna nebo více vrstev porézního diamantu, vždy na předcházející vrstvě. K tomu účelu mohou být kroky vytvoření filmu z pevného kompozitu nanovlákna/obětováný materiál a jeho podrobení plazmou podporovanému chemickému ukládání diamantu z parní fáze opakovány pro vytvoření nanovlákny vyztužených porézních diamantových vrstev či těles požadované tloušťky, jejichž tloušťka může být od několika pm do několika mm, obecně od 4 pm do 10 mm. Kroky vytvoření povlaku z pevného kompozitu nanovlákna/obětovaný materiál a jeho podrobení plazmou podporovanému chemickému ukládání diamantu z parní fáze jsou s výhodou alespoň ještě jednou, výhodněji alespoň ještě pětkrát (pro získání tloušťky asi 40 pm) opakovány. Pro získání velmi tlustých vrstev jsou uvedené kroky opakovány alespoň dvanáctkrát (tloušťka kolem
-2CZ 2017 - 500 A3
100 μηι) nebo dokonce vícekrát.
Termín vrstva, jak je zde používán, je obecnější než termín tlustá vrstva a zahrnuje také pojem film. Termín těleso, jak je zde používán, znamená tlustou samonosnou vrstvu.
Výsledkem vynalezeného postupu je trojrozměrná porézní struktura z nanovláken homogenně povlečených a navzájem spojených diamantem.
Tlustá porézní diamantová vrstva vyztužená nanovlákny podle vynálezu sestává ze dvou nebo více vrstev náhodně uložených sekaných nanovláken zcela povlečených diamantem. Termín náhodně uložený znamená, že orientace vláken je výsledkem kroku nanášení směsi obětovaného materiálu s naočkovanými nanovlákny na substrát. V souladu s tím, délka nanovláken v každé vrstvě může být větší než tloušťka příslušné vrstvy.
Jednotlivá nanovlákna jsou spojena v místech vzájemného křížení a v místech doteku uvnitř každé vrstvy diamantem, uloženým na příslušných vláknech. Neexistuje jasné rozhraní mezi dvěma sousedními vrstvami, přesněji řečeno, vlákna náležející jedné vrstvě jsou v místech vzájemného křížení a v místech doteku s vlákny náležejícími sousední vrstvě spojena diamantem.
Tlustá porézní diamantová vrstva podle vynálezu má stejnoměrnou porozitu v celé tloušťce. Porozita vyjádřená jako poměr povrchu k objemu je alespoň 6000 cm1, ve výhodném vytvoření alespoň 16 000 cm1.
Tloušťka tlusté porézní diamantové vrstvy podle vynálezu je alespoň 4 pm. Nicméně výhod vynalezeného způsobu výroby tlusté porézní diamantové vrstvy je nejlépe využito pro výrobu tlustších vrstev nebo těles, např. 50 μιη až 10 mm tlustých.
Pro některé aplikace jsou požadovány volně stojící tlusté porézní diamantové vrstvy, tj. samonosná porézní diamantová tělesa. K tomu účelu se tlusté diamantové vrstvy separují od substrátu rozpuštěním či odleptáním substrátu. Vynález poskytuje samonosná, mechanicky stabilní, nanovlákny vyztužená porézní diamantová tělesa několik stovek mikrometrů tlustá, např. desky tlusté dokonce až několik mm.
Trojrozměrná, nanovlákny vyztužená porézní struktura podle vynálezu má kontrolovatelné mechanické a elektrické vlastnosti.
Stručný popis obrázků
Na připojených výkresech představuje
Obr. 1 porézní diamantovou vrstvu uloženou na substrátu povlečeném diamantem,
Obr. 2 jednotlivé nanovlákno povlečené diamantem,
Obr. 3 tlustou porézní diamantovou vrstvu mající tloušťku několikrát větší než porézní diamantová vrstva znázorněná na obr. 1, a
Obr. 4 samonosné diamantové těleso.
Příklady provedení
Po provedení procesu plazmou podporovaného chemického ukládání diamantu z parní fáze zároveň s rozkladem obětovaného materiálu při způsobu podle vynálezu je získána porézní
-3 CZ 2017 - 500 A3 diamantová vrstva 1 na substrátu 2. Obr. 1 ilustruje zvláštní vytvoření, kdy způsob podle vynálezu zahrnuje předběžnou úpravu substrátu 2 povlékáním diamantem. V důsledku tohoto kroku je substrát 2 opatřen diamantovým filmem 5. Porézní diamantová vrstva 1 je uspořádána na tomto filmu 5 a sestává z náhodně orientovaných nanovláken 3 zcela pokrytých diamantem 4.
Ve znázorněném vytvoření, nanovlákna 3 jsou nanotyčinky rozdělené s náhodným sklonem křížem krážem po povrchu substrátu. Nanovlákna 3 tvoří trojrozměrnou opěrnou strukturu homogenně povlečenou a propojenou diamantem (je znázorněna jen schematicky, diamant není na obr. 1, 3 a 4 znázorněn). Je třeba poznamenat, že obrázky nejsou v měřítku. Vzájemné proporce vláken a vrstvy resp. vrstev jsou uvedeny v následujícím podrobném popisu.
Na obr. 2 je schematicky znázorněno velmi zvětšeně jednotlivé nanovlákno 3, jaké se nachází v porézní diamantové vrstvě 1. podle vynálezu. Nanovlákna 3 jsou zcela pokryta diamantem 4 uloženým podle vynálezu pomocí plazmou podporovaného chemického ukládání diamantu z parní fáze zároveň s rozkladem obětovaného materiálu.
Na obr. 3 je schematicky znázorněna tlustá porézní diamantová vrstva 6 vyztužená nanovlákny vytvořená způsobem podle vynálezu. V tomto vytvoření byly kroky vytvoření povlaku z pevného kompozitu nanovlákna/obětováný materiál a jeho podrobení plazmou podporovanému chemickému ukládání diamantu z parní fáze provedeny 6-krát (první porézní diamantová vrstva 1 leží na tenkém diamantovém filmu 5, a 2. až 6. vrstva 1 je uložena vždy na předcházející vrstvě 1) pro vytvoření tlusté porézní diamantové vrstvy vyztužené nanovlákny 6 mající tloušťku přibližně 6-krát větší než porézní diamantová vrstva 1 znázorněná na obr. 1.
Pro zvláštní aplikace může být tlustá porézní diamantová vrstva 1 následně povlečena diamantovým tenkým filmem 5. Obr. 3 ilustruje toto vytvoření s diamantovým tenkým filmem 5 na obou stranách tlusté porézní diamantové vrstvy 1.
Ve vytvoření znázorněném na obr. 4 není přítomen žádný diamantový tenký film a od tlusté diamantové vrstvy je oddělen substrát. Je pak získáno samonosné mechanicky stabilní porézní diamantové těleso 7.
Podrobný popis příkladů
Příklad 1
S1O2 nanovlákna od společnosti Elmarco s.r.o., CZ, se zpracovávají ultrazvukem v Dl vodě při 400 W, s činitelem využití 50 %, po dobu 10 minut, za použití ultrazvukového zařízení UP400S s titanovou sonotrodou H22 od společnosti Hielscher-Ultrasound Technology, pro rozdělení a dispergování nanovláken (o průměru 50 - 500 nm a délce 5 - 20 mikrometrů). Suspenze dispergovaných sekaných nanovláken se suší na vzduchu při vysoké teplotě (> 100 °C) pro odpaření vody. Výsledný prášek se smíchá s vodným koloidem diamantových nanočástic (0,2 g/1), zpracuje se ultrazvukem a vysuší se pro získání nanovláken povlečených diamantovými zárodky (stejné podmínky jako při předchozím zpracování). Vysušená očkovaná S1O2 nanovlákna se pak smíchají s roztokem polymeru ma-P 1210 (roztok pozitivního tónovacího fotorezistu na bázi polymethylmethakrylátu od společnosti Micro resist Technology GmbH, DE), o koncentraci asi 80 mg vláken na mililitr) pro vytvoření stabilní suspense nanovláken v roztoku polymeru. Suspenze se odstředivě povléká na skleněný nebo křemíkový substrát 2, nejprve povlečený tenkým diamantovým filmem 5, při 3000 ot/min po dobu 30 s. Vzorky povlečené suspenzí nanovláken v roztoku polymeru se pak žíhají na horké plotně při 110 °C po dobu 90 s pro vytvoření homogenního tenkého filmu kompozitu polymer/nanovlákna (tloušťka asi 4 mikrometry). Vzorek se vloží do systému pro plazmou podporované chemické ukládání z parní fáze (ASTeX 5010 od společnosti Seki Technotron, JP) pro ukládání diamantu. Diamantový povlak je ukládán za následujících podmínek: tlak: 50 mbar, výkon generátoru mikrovln: 1150
-4CZ 2017 - 500 A3
W, složení plynu: 99,3 % H2, 0,5 % CH4 a 0,2 % trimethylboru (ΒζΟΤΕ) při celkovém průtoku 500 normálních cm3 za minutu a teplotě ukládání asi 700 °C. Povlékání kompozitem nanovlákna/polymer a ukládání diamantu se stále opakuje do dosažení požadované tloušťky diamantové vrstvy. Při 6-násobném provedení tohoto procesu povlékání je vytvořena tlustá, nanovlákny 3 vyztužená, porézní a vodivá borem dopovaná diamantová vrstva 1 o tloušťce asi 25 mikrometrů, s měrným odporem asi 60 mQ.cm (miliohm centimetr) a s poměrem povrchu k objemu 16 000 cm1.
Příklad 2
Reprodukováním procesu popsaného v příkladu 1, avšak se zvýšeným počtem kroků, je možné získat několik stovek mikrometrů tlustá, nanovlákny 3 vyztužená, samonosná, mechanicky stabilní porézní diamantová tělesa 7, při odstranění substrátu 2 mokrým chemickým odleptáním (např. pomocí HF pro odleptání skleněného substrátu nebo pomocí směsi HF + HNO3 pro odleptání křemíkového substrátu).
Příklad 3
Reprodukováním procesu popsaného v příkladu 1, avšak při nahrazení S1O2 nanovláken vícevrstvými uhlíkovými nanovlákny je možné získat porézní vodivé diamantové vrstvy 1, 6 s měrným odporem asi 2 ηιΩ.αη. Nahrazením S1O2 nanovláken kovovými whiskery je možné získat měrný odpor až jen 0,02 mO.cm.
Příklad 4
Reprodukováním procesu popsaného v příkladu 1, avšak při ukládání na substrát 2 povlečený diamantem, se získá plně protikorozně chráněný materiál se zlepšenou povrchovou plochou, který je ideální pro dlouhodobý provoz jako elektrochemická elektroda (v případě že materiál vláken 1 a/nebo substrátu 2 je elektricky vodivý).
Příklad 5
Reprodukováním procesu popsaného v příkladu 1, při ukládání na substrát 2 povlečený diamantem a při prodloužení doby ukládání v posledním kroku, se získá uzavřený povrch a porézní diamantová vrstva 6 vložená mezi dvěma diamantovými uzavřenými a rovnými diamantovými tenkými filmy 5. Tento materiál s kontrolovatelnými mechanickými vlastnostmi může sloužit pro mikroelektronické (MEMS) aplikace (např. senzory).
Průmyslová využitelnost
Vrstvy 1, 6 a/nebo tělesa 7 vyrobená podle předloženého vynálezu mohou být použita, díky svým kontrolovatelným mechanickým vlastnostem, jako chemicky inertní elektrody pro náročná elektronická snímací a zpracovací zařízení. Fólie obsahující alespoň jednu vrstvu může sloužit pro mikroelektronické (MEMS) aplikace, pro které je požadována chemická stabilita. Zejména mohou být porézní vodivé borem dopované diamantové fólie použity pro aplikace v superkondenzátorech.
Porézní diamantové vrstvy mohou také sloužit jako filtry pro separaci organických elektrochemických látek z vody.
Předložený vynález není omezen na konkrétní aplikace zde popsané, avšak může sloužit k různým účelům.
Způsob podle předloženého vynálezu představuje levné a efektivní řešení výroby výše popsaných
-5 CZ 2017 - 500 A3 nových porézních diamantových vrstev 1, 6 nebo těles 7.
PATENTOVÉ NÁROKY
Claims (19)
1. Způsob výroby porézní diamantové vrstvy pomocí plazmou podporovaného chemického ukládání diamantu z parní fáze zároveň s rozkladem obětovaného materiálu, vyznačující se tím, že nanovlákna z některého materiálu, který je schopen odolávat podmínkám plazmou podporovaného ukládání, se naočkují nanočásticemi diamantu, naočkovaná nanovlákna se pak zamíchají do obětovaného materiálu, výsledná směs obětovaného materiálu s naočkovanými nanovlákny se pak nanese na substrát a vysuší se pro vytvoření filmu z pevného kompozitu naočkovaná nanovlákna/obětovaný materiál, výsledný film z pevného kompozitu se pak podrobí plazmou podporovanému chemickému ukládání diamantu z parní fáze za podmínek, kdy je obětovaný materiál rozkládán.
2. Způsob podle nároku 1, při kterém se nanášení směsi obětovaného materiálu s nanovlákny provádí odstředivým povlékáním nebo povlékáním ponořováním nebo povlékáním stříkáním, s výhodou odstředivým povlékáním.
3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, při kterém se uvedené kroky vytvoření filmu z pevného kompozitu naočkovaná nanovlákna/obětovaný materiál a jeho podrobení plazmou podporovanému chemickému ukládání diamantu z parní fáze alespoň ještě jednou opakují pro vytvoření nanovlákny vyztužené porézní diamantové vrstvy požadované tloušťky.
4. Způsob podle některého z předcházejících nároků, při kterém obětovaný materiál je organický polymer, který je rozkládán v plazmě bohaté na vodík.
5. Způsob podle některého z předcházejících nároků, při kterém se diamant dopuje příměsí, s výhodou borem.
6. Způsob podle některého z předcházejících nároků, při kterém nanovlákna jsou uhlíková nanovlákna nebo kovové whiskery.
7. Způsob podle některého z předcházejících nároků, přičemž tento způsob zahrnuje krok předběžné úpravy substrátu povlékáním diamantem.
8. Způsob podle některého z předcházejících nároků, přičemž tento způsob zahrnuje následný krok povlékání porézní diamantové vrstvy diamantem.
9. Způsob podle některého z předcházejících nároků, přičemž tento způsob zahrnuje krok separace diamantové vrstvy od substrátu rozpuštěním či rozkladem substrátu.
10. Tlustá porézní diamantová vrstva vyztužená nanovlákny, vyznačující se tím, že sestává z alespoň dvou vrstev (1) náhodně uložených nanovláken (3) zcela povlečených diamantem (4), přičemž průměrná délka nanovláken v každé vrstvě (1) je větší než tloušťka vrstvy (1), přičemž jednotlivá nanovlákna (3) jsou v místech vzájemného křížení a v místech doteku uvnitř uvedených vrstev (1), jakož i mezi uvedenými vrstvami (1), spojena diamantem (4), a
-6CZ 2017 - 500 A3 přičemž tloušťka tlusté porézní diamantové vrstvy (6) je alespoň 4 pm a poměr povrchu k objemu tlusté porézní diamantové vrstvy (6) je alespoň 6000 cm1.
11. Tlustá porézní diamantová vrstva vyztužená nanovlákny podle nároku 10, přičemž její tloušťka je alespoň 16 pm a její poměr povrchu k objemu je alespoň 1200 cm1.
12. Tlustá porézní diamantová vrstva vyztužená nanovlákny podle nároku 10, která sestává z alespoň deseti vrstev (1) náhodně uložených nanovláken (3) zcela povlečených diamantem (4), přičemž její tloušťka je alespoň 50 pm.
13. Tlustá porézní diamantová vrstva vyztužená nanovlákny podle nároku 10 nebo 11, přičemž diamant (4) je dopován příměsí, s výhodou borem.
14. Tlustá porézní diamantová vrstva vyztužená nanovlákny podle nároku 13, která má měrný odpor nižší než 40 mO.cm, přičemž nanovlákna (3) jsou uhlíková nanovlákna.
15. Tlustá porézní diamantová vrstva vyztužená nanovlákny podle nároku 13, která má měrný odpor nižší než 0,4 mQ.cm, přičemž nanovlákna (3) jsou kovové whiskery.
16. Tlustá porézní diamantová vrstva vyztužená nanovlákny podle některého z nároků 10 až 15, která je nesena na substrátu (2).
17. Tlustá porézní diamantová vrstva vyztužená nanovlákny podle nároku 16, přičemž substrát (2) a/nebo povrch tlusté porézní diamantové vrstvy je povlečen tenkým diamantovým filmem (5).
18. Tlustá porézní diamantová vrstva vyztužená nanovlákny podle některého z nároků 10 až 15, která tvoří samonosné těleso (7).
19. Tlustá porézní diamantová vrstva vyztužená nanovlákny podle nároku 18, přičemž alespoň jeden z jeho povrchů je povlečen tenkým diamantovým filmem (5).
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2017-500A CZ307885B6 (cs) | 2017-08-29 | 2017-08-29 | Způsob výroby porézní diamantové vrstvy a tlustá porézní diamantová vrstva vyztužená nanovlákny |
| PCT/CZ2017/050053 WO2019042484A1 (en) | 2017-08-29 | 2017-11-01 | PROCESS FOR PRODUCING A POROUS DIAMOND LAYER AND A THICK POROUS DIAMOND LAYER SUPPORTED BY NANOFIBERS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2017-500A CZ307885B6 (cs) | 2017-08-29 | 2017-08-29 | Způsob výroby porézní diamantové vrstvy a tlustá porézní diamantová vrstva vyztužená nanovlákny |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2017500A3 true CZ2017500A3 (cs) | 2019-03-13 |
| CZ307885B6 CZ307885B6 (cs) | 2019-07-24 |
Family
ID=67300386
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2017-500A CZ307885B6 (cs) | 2017-08-29 | 2017-08-29 | Způsob výroby porézní diamantové vrstvy a tlustá porézní diamantová vrstva vyztužená nanovlákny |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ307885B6 (cs) |
| WO (1) | WO2019042484A1 (cs) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110230044B (zh) * | 2019-07-12 | 2021-07-27 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 以纳米金刚石粉为赝模板制备多孔掺硼金刚石电极的方法 |
| LU102344B1 (en) | 2020-12-21 | 2022-06-21 | Fyzikalni Ustav Av Cr V V I | A semiconductor having increased dopant concentration, a method of manufacturing thereof and a chemical reactor |
| CN113088921B (zh) * | 2021-04-13 | 2023-03-24 | 昆明理工大学 | 一种多孔金刚石膜/三维碳纳米线网络复合材料的制备方法及其产品 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016128883A1 (en) * | 2015-02-09 | 2016-08-18 | Alkhazraji Saeed Alhassan | A process of manufacturing pure porous diamond |
-
2017
- 2017-08-29 CZ CZ2017-500A patent/CZ307885B6/cs unknown
- 2017-11-01 WO PCT/CZ2017/050053 patent/WO2019042484A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2019042484A1 (en) | 2019-03-07 |
| CZ307885B6 (cs) | 2019-07-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gao et al. | Diamond-based supercapacitors: realization and properties | |
| Wang et al. | Recent developments in superhydrophobic graphene and graphene-related materials: from preparation to potential applications | |
| JP4483152B2 (ja) | 中空グラフェンシート構造体及び電極構造体とそれら製造方法並びにデバイス | |
| US9221684B2 (en) | Hierarchical carbon nano and micro structures | |
| Avasthi et al. | Aligned CNT forests on stainless steel mesh for flexible supercapacitor electrode with high capacitance and power density | |
| JP6246785B2 (ja) | 活性化ガス流を用いてグラフェンを穿孔するための方法 | |
| US20090121182A1 (en) | Carbon nanotube foam and method of making and using thereof | |
| Meshot et al. | Quantifying the hierarchical order in self-aligned carbon nanotubes from atomic to micrometer scale | |
| TW201544453A (zh) | 使用多孔性非犧牲型支撐層以形成具有二維材料的複合結構體之方法 | |
| TW200307574A (en) | Method for assembling nano objects | |
| Wang et al. | Hybrid low resistance ultracapacitor electrodes based on 1-pyrenebutyric acid functionalized centimeter-scale graphene sheets | |
| CZ2017500A3 (cs) | Způsob výroby porézní diamantové vrstvy a tlustá porézní diamantová vrstva vyztužená nanovlákny | |
| US9499408B2 (en) | Graphene sheets and methods for making the same | |
| Song et al. | Carbon nanofibers: synthesis and applications | |
| Lee et al. | Atomic layer deposition and electrospinning as membrane surface engineering methods for water treatment: A short review | |
| Grigoryev et al. | Colloidal occlusion template method for micromanufacturing of omniphobic surfaces | |
| Correa‐Duarte et al. | Nanoengineered Polymeric Thin Films by Sintering CNT‐Coated Polystyrene Spheres | |
| Puliyalil et al. | Recent advances in the methods for designing superhydrophobic surfaces | |
| KR101838637B1 (ko) | 나노입자-그래핀 산화물 복합체 박막 및 그 제조방법 | |
| Mahajan et al. | Carbon nanotube–nanocrystal heterostructures fabricated by electrophoretic deposition | |
| KR101767236B1 (ko) | 나노다공성 고분자 멤브레인 및 그 제조방법 | |
| KR100977541B1 (ko) | 다공성 탄소나노튜브 필름 및 그 제조 방법 | |
| Ostrovskaya et al. | Hydrophobic diamond films | |
| Chao et al. | Multiscale Structural Design of 2D Nanomaterials‐based Flexible Electrodes for Wearable Energy Storage Applications | |
| US11453590B2 (en) | Methods to pattern carbon nanotube sheets |