Die Erfindung betrifft eine einfache, stabile und saubere Quelle zur Erzeugung von Kohlenstoffatomen.

Die neue Kohlenstoffquelle kann vielfältig eingesetzt werden. So lässt sich z. B. mit Hilfe von Skimmern und Blenden ein gebündelter Kohlenstoffatomstrahl ausbilden, der zur Molekularstrahlepitaxie eingesetzt werden kann. Auch lassen sich ohne Bündelung großflächig Substrate mit Kohlenstoffatomen bedampfen (beispielsweise zur Herstellung von diamantharten Schichten und zweidimensionalen Graphenstrukturen). Die von der vorgeschlagenen Quelle erzeugten Kohlenstoffatome eignen sich auch zur Einlagerung in Heliumtröpfchen, um beispielsweise bei ultratiefen Temperaturen Reaktionen von einzelnen Kohlenstoffatomen mit anderen Spezies zu untersuchen.

Weitere Anwendungsgebiete betreffen die physikalisch-chemische Verfahrenstechnik, die sich Methoden der chemischen Gasphasenabscheidung und der Molekularstrahlepitaxie bedient, die Umweltchemie (Reaktionen von Kohlenstoff in der Gasphase z. B. in

Verbrennungsprozessen), die Nanotechnologie (Herstellung von Nanodiamanten und diamantharten dünnen Schichten) sowie die Nanoelektronik (Herstellung von Graphen für neuartige elektronische Anwendungen). Ebenso lässt sich diese Quelle zur Herstellung von größeren Diamanten und von Diamantfenstern einsetzen.

Im Wesentlichen gibt es zurzeit zwei Verfahren, um Kohlenstoff in der Gasphase herzustellen:

Das methodisch einfachste Verfahren beruht auf der Verdampfung von Graphitpulver, beispielsweise aus einem Tiegel, (wie K. R. Thompson, R. L. DeKock and W. Weltner: Spectroscopy of carbon molecules, J. Am. Chem. Soc. 93, 1971, 4688) oder von graphitischen Festkörpern (z. B.: F. M. Wachi and D. E. Gilmartin: High-temperature mass spectrometry - 1. Free vaporization studies of graphites, Carbon 8, 1970, 141) durch Anwendung hoher Temperaturen. Dabei kann die Wärmezufuhr durch indirektes Heizen (insbesondere in einem Ofen), durch direktes ohmsches Heizen oder durch lokale

Bestrahlung mit Photonen (Laserverdampfung, z. B.: JP S593016 A; R. I. Kaiser,

I. Hahndorf, L. C. L. Huang, Y. T. Lee, H. F. Bettinger, P. V. Schleyer, H. F. Schaefer and P. R. Schreiner: Crossed beams reaction of atomic carbon, C( ³ P _j ), with d ₆ -benzene, C ₆ D ₆ (X'Ai _g ): Observation of the per-deutero-l ,2-didehydrocycloheptatrienyl radical, C ₇ D ₅ (XB ² B ₂ ), J. Chem. Phys. 110, 1999, 6091), Elektronen oder anderen energiereichen Teilchen erfolgen.

Der Nachteil dieser Methoden besteht darin, dass nur sehr wenig Kohlenstoff in atomarer Form in die Gasphase überführt wird; der Großteil des verdampften Kohlenstoffs liegt in molekularer Form als C ₂ - und C ₃ -Moleküle (Cluster) und als größere Kohlenstoff-Cluster vor. Diese kondensierte Form des Kohlenstoffs ist weniger reaktiv und hat in der Regel eine negative Beeinflussung aller Anwendungen zur Folge. Ein weiterer Nachteil, der mit dem Einsatz energiereicher Methoden einhergeht, ist die Erzeugung elektronisch angeregter und ionisierter Kohlenstoff- Atome, die ebenfalls die nachfolgenden Prozesse negativ beeinflussen können.

Das zweite Grundsatzverfahren basiert auf dem Einsatz von gasförmigen Vorläufer- oder Präkursor-Molekülen (vorzugsweise Kohlenwasserstoffe, z. B. CH ₄ ), die durch

Energiezufuhr dissoziiert werden, so dass der atomare Kohlenstoff freigesetzt wird (US 8,617,669 Bl, US 6,269,1 10 Bl, JP H06139560 A, JP S598608 A; G. Dorthe, P. Caubet, T. Vias, B. Barrere, and J. Marchais: Fast flow studies of atomic carbon kinetics at room-temperature, J. Phys. Chem. 95, 1991, 5109).

Der Nachteil dieser Methode ist, dass die Kohlenstoffatome nicht alleine entstehen sondern durch die anderen Bestandteile der Präkursor-Moleküle verunreinigt werden. Darüber hinaus erhalten die Kohlenstoffatome durch die notwendige Energiezufuhr oft recht hohe kinetische Energien, was ebenfalls für viele Anwendungen unerwünscht ist.

Eine besondere Form des erstgenannten Verfahrens wird im Artikel von Thompson und Mitarbeitern (K. R. Thompson, R. L. DeKock and W. Weltner: Spectroscopy of carbon molecules, J. Am. Chem. Soc. 93, 1971, 4688) beschrieben. Diese benutzen einen speziellen Tantalzylinder und füllen diesen mit einer Kohlenstoffprobe. Anschließend wird die Anordnung mit einigen hundert Ampere für eine Stunde geheizt, so dass der Tantalzylinder in Carbid umgewandelt wird. In einem weiteren Schritt wird bei sehr hohen Temperaturen dann Kohlenstoff von diesem Carbidzylinder abgedampft. Diese zweistufige

Vorgehensweise ist zwingend notwendig, da der Zylinder sonst bei den hohen

Verdampfungstemperaturen strukturell zerstört würde, wenn er nicht ausreichend carbidisiert wurde; bzw. es muss durch eine hinreichend große Kohlenstoffprobe sichergestellt werden, dass stets ausreichend Carbid vorhanden ist. Wesentliche Nachteile dieser Anordnung sind neben dem hohen Aufwand (zeitlich und energetisch) eine starke Verunreinigung des abgedampften Kohlenstoffs durch Kohlenstoffmonoxid und Tantal, welche auch nach größeren Anstrengungen nicht komplett beseitigt werden konnte. Zwar gelingt es, C0 ₂ und H ₂ 0 durch schnelles Pumpen zumindest weitgehend aus dem

Dampfgemisch zu eliminieren, aber die Verunreinigungen durch Kohlenstoff-Cluster sowie von der Tantalverdampfung bleiben höchst nachteilig. Zudem kann die

Kohlenstoffquelle nicht weiter eingesetzt werden, da sich der Tantalzylinder durch die besagte Abdampfung des Materials verbraucht und die Aufheizung somit nach kurzer Zeit unterbrochen wird.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass der Fachwelt keine Quellen bekannt sind, mit denen atomarer Kohlenstoff in reiner Form und mit vertretbarem Aufwand erzeugt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine robuste, beständige und effiziente Quelle zur Erzeugung möglichst reinen und von Kohlenstoff-Clustern sowie sonstigen

Verunreinigungen weitgehend unbelasteten atomaren Kohlenstoffs zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch eine atomare Kohlenstoffquelle gelöst, die aus einer

Energiequelle, einer mit dieser Energiequelle in Verbindung stehenden Heizkammer mit zumindest einem Teilbereich aus einem dünnwandigen (Wandstärke < 0,05 mm) und bei Betriebstemperatur der erhitzten Heizkammer nicht verdampfendem Material,

vorzugsweise aus Tantal oder Wolfram, besteht. Im Innern der Heizkammer befindet sich kohlenstoffhaltiges Material, z.B. Graphitpulver. Mit Hilfe der Energiequelle wird die abgedichtete Heizkammer mit dem darin befindlichen kohlenstoffhaltigen Material erhitzt, z.B. durch ohmsches oder induktives Heizen, und auf eine Temperatur von 2000 °C und mehr gebracht, so dass das kohlenstoffhaltige Material in der Heizkammer unter

Entwicklung von aus Kohlenstoff-Atomen und -Clustern bestehendem Dampf sublimiert.

Die Betriebstemperatur hat die Funktion die Kohlenstoff-Löslichkeit des dünnwandigen Teilbereichs der Heizkammer zu erhöhen, was zur Folge hat, dass Kohlenstoffatome von innen in das Material eindringen und durch Diffusion an die äußere Oberfläche des dünnwandigen Teilbereichs gelangen, von wo aus sie ins Vakuum abdampfen.

Die Abdampfrate hängt vom Dampfdruck der Kohlenstoff-Atome, der Löslichkeit der Kohlenstoff-Atome im Material, sowie der Diffusionsrate durch den dünnwandigen Teilbereich der Heizkammer ab und wird damit im Wesentlichen von der Temperatur und der Wandstärke dieses Teilbereiches bestimmt. Die im Inneren der Heizkammer vorhandenen Kohlenstoff-Cluster (also C ₂ - und C ₃ -Moleküle) können nicht als solche in den dünnwandigen Teilbereich der Heizkammer eindringen. Stattdessen werden sie an der inneren Oberfläche des besagten Teilbereichs mit katalytischer Unterstützung dissoziiert, so dass sie anschließend als Kohlenstoff-Atome im Material gelöst werden. Somit ist das vom dünnwandigen Teilbereich emittierte Kohlenstoffgas rein atomarer Natur.

Bei der Betriebstemperatur von ca. 2150 °C bleibt der dünnwandige Teilbereich

(beispielsweise aus Tantal) noch stabil, so dass erstens die Quelle erhalten bleibt

(beständige, solide Kohlenstoffatom-Erzeugungsquelle) und zweitens keine durch

Verdampfung entstehenden Bestandteile zur Verunreinigung der sich im Vakuum aus der Heizkammer heraustretenden Kohlenstoffatome beitragen.

Die Dünnwandigkeit des Teilbereichs und die vorgeschlagene Erhitzung erlauben eine effiziente und reine Erzeugung atomaren Kohlenstoffs, d. h. eine hohe Ausbeute an von der Heizkammer emittierten Kohlenstoffatomen bei vergleichsweise niedriger Heiztemperatur, so dass ein gleichzeitiges Abdampfen des dünnwandigen Teilbereichs verhindert wird. Zudem erfahren die in das Vakuum diffundierenden Kohlenstoffatome im Vergleich zum bekannten Stand der Technik eine wesentlich geringere kinetische Energie, was für Nachfolgeprozesse (beispielsweise die Deposition der erzeugten C-Atome auf Substrate oder ihre Einlagerung in kryogene Matritzen oder Heliumtröpfchen) vorteilhaft oder gar wesentlich sein kann.

In den Unteransprüchen sind weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen atomaren Kohlenstoffquelle genannt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten

Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Kohlenstoffquelle

Spezieller schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Kohlenstoffquelle in

Form eines Tantalröhrchens

Prinzipdarstellung zur Erzeugung eines reinen Kohlenstoffatomstrahls Gegenüberstellung der Massenspektren, die mit der erfindungsgemäßen Kohlenstoffatom-Quelle (a) und einer traditionellen Kohlenstoff-Quelle mit C- Stab (b) gemessen wurden

In Fig. 1 ist der allgemeine schematische Aufbau der erfindungsgemäßen atomaren Kohlenstoffquelle dargestellt.

Eine Energiequelle 1 steht in Verbindung mit einer Heizkammer 2, welche in einem Teilbereich 3 eine dünnwandige Folie (ca. 0,05 mm Dicke) aus einem bei Betriebstemperatur ab 2150 °C kohlenstofflöslichen Material (beispielsweise Tantal oder Wolfram) aufweist. Im Inneren befindet sich eine kohlenstoffhaltige Substanz 4 (z. B.

Graphitpulver).

Die Heizkammer 2 ist mit der Energiequelle 1 in einem (durch eine nicht dargestellte Kammer) abgeschlossenen Vakuum 5 angeordnet und wird durch diese (beispielsweise durch elektrisches ohmsches oder induktives Heizen) auf eine Betriebstemperatur von 2150 °C oder mehr gebracht.

Bei dieser Betriebstemperatur wird erstens die kohlenstoffhaltige Substanz 4 in einen Dampf 6 aus Kohlenstoff-Atomen und -Clustern sublimiert. Zweitens können bei dieser Betriebstemperatur und den angegebenen Materialien des Teilbereichs 3 der

Heizkammer 2 Kohlenstoffatome aus dem Dampf 6 durch den kohlenstofflöslichen Teilbereich 3 diffundieren und an der äußeren Oberfläche ins umgebende Vakuum 5 abdampfen (symbolisiert durch Pfeildarstellung 7).

Durch den konstruktions- und materialspezifischen kohlenstofflöslichen Teilbereich 3 der Heizkammer 2 ist bei der angegebenen Betriebstemperatur ein so austretendes

Kohlenstoffgas 8 rein atomarer Natur. Der Teilbereich 3 der Heizkammer 2 übernimmt somit die Funktion einer Membran, die für Kohlenstoffatome, aber nicht für

Kohlenstoffcluster durchlässig ist. Außerdem werden bei der besagten Betriebstemperatur von den Materialien des

Teilbereiches 3 der Heizkammer 2 keine nennenswerten Bestandteile desselben in das umgebende Vakuum 5 verdampft, welche das Kohlenstoffgas 8 verunreinigen würden.

In Fig. 2 ist ein beispielhafter schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen atomaren Kohlenstoffquelle dargestellt, bei welchem die Heizkammer 2 mit dem dünnwandigen Teilbereich 3 beispielsweise durch eine zur Röhrchenform gewickelte Tantalfolie (1 ₄ - fache Wicklung einer ca. 0,05 mm dicken Tantalfolie) realisiert ist.

Ein auf diese Weise hergestelltes und hermetisch abgedichtetes Tantalröhrchen 9, in dessen Innerem sich das Graphitpulver 4 (vgl. auch Fig. 1) befindet, ist in dem abgeschlossenen Vakuum 5 angeordnet.

Das Tantalröhrchen 9 ist mit seinen Enden in Elektroden 10, 1 1 aufgenommen, welche zur elektrischen Erhitzung des Tantalröhrchens 9 mit einer aus Übersichtgründen nicht in der Zeichnung dargestellten Niederampere-Stromquelle zur Erzeugung eines durch

Pfeildarstellung in den Elektroden 10, 11 angedeuteten Heizstromes I in Verbindung stehen. Dieser Heizstrom I in Höhe von 40 A heizt das Tantalröhrchen 9 mit dem intern enthaltenen Graphitpulver 4 durch direkte ohmsche Erwärmung auf eine Temperatur von ca. 2150 °C und mehr auf. Dadurch sublimiert das Graphitpulver 4 im Innern des

Tantalröhrchens 9, und es entsteht wiederum der Dampf 6, der aus Kohlenstoff-Atomen und -Clustern besteht.

Die Betriebstemperatur hat ebenfalls die Kohlenstoff-Löslichkeit des Tantalröhrchens 9 erhöht, was zur Folge hat, dass Kohlenstoffatome (wie prinzipiell bereits zum

Teilbereich 3 der Heizkammer 2 von Fig. 1 beschrieben) von innen in die Wandung des Tantalröhrchens 9 eindringen und durch Diffusion an dessen äußere Oberfläche gelangen, von der sie in das Vakuum 5 abdampfen (symbolisiert wiederum durch

Pfeildarstellungen 7). Eine andere Geometrie des Vorratsbehälters (Heizkammer 2 mit dem Teilbereich 3, vgl. Fig. 1) ist vorstellbar, sofern er durch direktes oder auch indirektes Heizen auf vergleichbare Temperaturen gebracht werden kann und sofern die

Kohlenstoffatome aus dem Inneren des hermetisch abgeschlossenen Behälters durch eine dünne, die Funktion des Tantalröhrchens übernehmende Membran ins Vakuum treten können, ohne dass Wandungsbestandteile des Vorratsbehälters bei Betriebstemperatur nach außen in das Vakuum 5 abdampfen und das entstehende Kohlenstoffgas 8

verunreinigen.

Die im Inneren des Tantalröhrchens 9 im Dampf 6 vorhandenen Kohlenstoff-Cluster (also C ₂ - und C ₃ -Moleküle) können nicht als solche (so wie die besagten Kohlenstoffatome) in die Wandung des Tantalröhrchens 9 eindringen. Stattdessen werden sie an der inneren Oberfläche der besagten Wandung des Tantalröhrchens 9 mit katalytischer Unterstützung dissoziiert (aus Übersichtsgründen ebenfalls nicht explizit dargestellt), so dass sie anschließend als Kohlenstoff- Atome im Metall gelöst werden.

Somit ist, wie vorbeschrieben, das vom Tantalröhrchen 9 emittiertes Kohlenstoffgas 8 wiederum rein atomarer Natur.

Die Dünnwandigkeit des Tantalröhrchen 9 und die vorgeschlagene Erhitzung erlauben somit eine effiziente und reine Erzeugung atomaren Kohlenstoffs, d. h. eine hohe Ausbeute an vom Tantalröhrchen 9 emittierten Kohlenstoffatomen bei vergleichsweise niedriger Heiztemperatur, so dass ein gleichzeitiges Abdampfen des Tantalröhrchen 9 verhindert wird.

Zudem erfahren die in das Vakuum heraustretenden Kohlenstoffatome im Vergleich zum bekannten Stand der Technik eine wesentlich geringere kinetische Energie, was für verschiedene Anwendungen (beispielsweise die bereits erwähnte Beschichtung von Oberflächen und die Einlagerung der C-Atome in kryogene Matritzen sowie

Heliumtröpfchen) vorteilhaft oder gar wesentlich sein kann.

In Fig. 3 ist schematisch dargestellt, wie die beschriebene Kohlenstoff-Quelle zur

Erzeugung eines Kohlenstoff- Atomstrahls 13 eingesetzt werden kann. Dies geschieht im Wesentlichen durch eine geeignete Blendenanordnung 12 sowie durch differentielles Pumpen zwischen diesen strahlformenden Elementen. Es sei betont, dass der Kohlenstoff- Atomstrahl 13 rein effusiver Natur ist, d. h. es findet keine Abkühlung der C-Atome durch gasdynamische Prozesse statt, wie etwa in der Expansion von Düsenstrahlen. Das bedeutet, dass keine Kohlenstoff-Moleküle und -Cluster neu gebildet werden können.

Im Prinzip kann der Kohlenstoff- Atomstrahl 13, der mit einer in Fig. 3 dargestellten Anordnung erzeugt wurde, direkt in ein Massenspektrometer geschickt und nach seinen Bestandteilen (Verhältnis von Kohlenstoff-Atomen zu -Clustern, Anteil der Verunreinigungen) analysiert werden.

Um die gleichen Informationen zu erhalten, zusätzlich aber noch zu demonstrieren, dass sich die von der erfindungsgemäßen Kohlenstoffquelle emittierten C-Atome ausgezeichnet in kryogene Matritzen und sogar in supraflüssige Heliumtröpfchen einlagern lassen, wurde für die Analyse des C-Atomstrahls eine andere Methode gewählt.

Hierzu wurde ein Strahl aus wenigen Nanometer großen, 0,37 K kalten, supraflüssigen Heliumtröpfchen (in einer nicht dargestellten Quellenkammer) generiert

(S. A. Krasnokutski and F. Huisken: Low-temperature reactions in helium droplets:

Reactions of aluminum atoms with 0 ₂ and H ₂ 0, J. Phys. Chem. A 115, 201 1, 7120).

Dieser gelangte über einen Skimmer (scharfkantige, konische Blende) in die

Hauptkammer, in der die atomare Kohlenstoffquelle (vgl. Fig. 2) installiert wurde. Um die Kohlenstoffatome auf einen wohldefinierten Bereich mit konstantem Dampfdruck zu konzentrieren, befand sich die Quelle in einem wassergekühlten Metallgehäuse. Durch zwei Löcher in den Wänden konnte der Heliumstrahl ein- und wieder austreten. Die Helium-Nanotröpfchen flogen hierbei mit einer Geschwindigkeit von etwa 300 m/s durch die Wolke der langsamen Kohlenstoffatome, wobei sie mit ihnen kollidierten und sie aufsammelten. Die in die Helium-Nanotröpfchen eingelagerten Kohlenstoffatome gelangten dann in die nachfolgende Vakuumkammer, in der sich das Quadrupol- Massenspektrometer befand. In diesem Spektrometer wurden die Heliumtröpfchen durch Elektronenbeschuss ionisiert und ihre geladenen Fragmente nach Massen getrennt.

Dadurch ergaben sich in den Massenspektren sowohl die Peaks der reinen eingelagerten Kohlenstoffatome (und, falls vorhanden, Kohlenstoff-Cluster) als auch die der

Kohlenstoff-Helium-Komplexe CHe _n (und C _m He _n ). Die vorgestellte Methode stellt einen geeigneten Weg zur Kühlung und zum Abtransport der Kohlenstoffatome dar, wenn er auch vom experimentellen Aufbau her etwas anspruchsvoll ist.

In Fig. 4 sind zur Gegenüberstellung Massenspektren dargestellt, welche die Ausbeute der erfindungsgemäßen atomaren Kohlenstoffquelle (Fig. 4a, Diagramm oben) im Vergleich zu einer bekannten Kohlenstoff-Quelle (Fig. 4b, Diagramm unten) verdeutlichen. Da die Kohlenstoff-Atome und -Moleküle in Heliumtröpfchen eingelagert wurden, treten in den Massenspektren nicht nur die reinen Kohlenstoff-Peaks auf sondern auch solche, die Komplexen mit Heliumatomen (C _m He _n ) zuzuordnen sind. Die Peaks, die von Kohlenstoff- Clustern erzeugt wurden, sind bezeichnet (jeweils von links: ^1J C ₂ , ^,J C ₃ bzw. C ₂ , C ₃ , C ₆ ); die anderen Peaks gehören zu Komplexen, die jeweils nur ein Kohlenstoff- Atom enthalten (Fig. 4a) bzw. zu Komplexen mit mehreren Kohlenstoff- Atomen (Fig. 4b). Es ist erkennbar, dass im oberen Spektrum (Fig. 4a) der Anteil der Kohlenstoff-Cluster äußerst gering ist und lediglich ca. 1 % beträgt. Dagegen treten bei der konventionellen Quelle (Verdampfung eines C-Stabs) die Kohlenstoff-Moleküle C ₃ weitaus am häufigsten auf. Aus technischen Gründen wurde bei der vorgeschlagenen Kohlenstoffatomquelle das Kohlenstoff-Isotop ^l3 C verwendet, wodurch die Massenpeaks gegenüber dem unteren Spektrum (Fig. 4b) leicht verschoben sind.

Die thermische Ausdehnung des Tantalröhrchens 9 während des Heizens ist nicht zu vernachlässigen. Um diesem Umstand gerecht zu werden, ist es sinnvoll, zumindest einer Elektrode die ausgleichende Bewegung in einer Richtung zu gestatten. Hierfür ist in Fig. 3 an der Elektrode 10 eine metallische und damit elektrisch leitfähige Feder 14 ersichtlich.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

Energiequelle

Heizkammer

Teilbereich der Heizkammer 2

kohlenstoffhaltige Substanz

Vakuum

Dampf (aus Kohlenstoff-Atomen und -Clustern bestehend) Pfeildarstellung

Gas (ausschließlich aus Kohlenstoffatomen bestehend)

Tantalröhrchen

Elektrode

Blendenanordnung

Kohlenstoffatomstrahl

Feder

I Heizstrom