高通量组合制备VO2薄膜的设备及方法与流程

本发明涉及材料制备技术领域，特别是涉及一种高通量组合制备VO₂薄膜的设备及方法。

背景技术：

高通量组合材料实验技术诞生于上世纪 90 年代中期，是一种材料科学研究方法的系统工程，通过提高单次实验的通量，加快新材料研发速率，从而弥补工业发展需求和先进材料研发进展之间的鸿沟。高通量材料制备技术经过十几年的发展，已有具有一定的技术基础。非金属无机酸盐材料，尤其是其纳米材料，可广泛应用于储能材料、相变材料、智能涂层材料等领域中，然而，现有的高通量组合材料制备技术与该材料体系均存在不同程度的不相容性。

如高琛、黄孙祥、陈雷、刘慈辉、刘小楠、鲍俊等人在《无机材料学报》上发表的论文“液滴喷射技术应用进展”，其中公开的技术内容适用于粉体材料的多喷头压电打印组合材料制备，该技术虽然可以基于液相前驱实现组合材料芯片的高通量制备，然而其目标产物的合成反应为各组元的前驱体于基片上混合后的非限域液相反应或固相反应，控制产物粒径和成分均一性的难度较大，不利于高通量制备样品的材料纳米化。

又如授权公告号为 CN101602019B（申请号为 200910203804.0）的中国发明专利《高通量催化器处理方法及其系统》中公开的技术方法，适用于催化剂系统的多通道反应器技术，难以应用于凝聚态组合材料样品的制备。因此，针对非金属无机酸盐纳米材料开发一种高通量组合材料制备装置及制备方法，以提升高通量组合材料的研发效率、进一步拓展高通量组合材料实验技术的适用范围显得非常重要。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种高通量组合制备VO₂薄膜的设备及方法，其以固相作为高通量反应前驱，易于将制备不同厚度薄膜的制备，可实现多种厚度组合，有利于覆盖广泛的材料组分、结构参数空间，同时还能够实现用于合成材料样品的多种物料的分子级混合，有利于组合材料样品中单一子样品内部组分均匀分布。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种高通量组合制备VO₂薄膜的设备，其特征在于，其包括氮气输送装置、氮氧混合气输送装置、钒源加热升华装置、掺杂剂加热升华装置、混合装置、沉积装置、第一挡板、第二挡板、第三挡板、第一基片、第二基片、第三基片、第四基片、加热装置、尾气处理装置、气体电磁阀门，氮气输送装置与钒源加热升华装置连接，氮氧混合气输送装置与掺杂剂加热升华装置相连接，钒源加热升华装置、掺杂剂加热升华装置共同与混合装置相连接，第一挡板、第二挡板、第三挡板皆位于沉积装置内部，第一基片位于第一挡板左侧，第二基片位于第一挡板与第二挡板之间，第三基片位于第二挡板与第三挡板之间，第四基片位于第三挡板的右侧，加热装置位于沉积装置下方，尾气处理装置与沉积装置相连接，气体电磁阀门安装于混合装置与沉积装置之间，氮气输送装置、氮氧混合气输送装置组成气体传送装置，钒源加热升华装置、掺杂剂加热升华装置组成前驱体处理装置。

优选地，所述钒源加热升华装置、掺杂剂加热升华装置、加热装置均采用热电偶的加热方式。

优选地，所述第一挡板、第二挡板、第三挡板均为特制陶瓷挡板。

优选地，所述加热装置采用热电偶加热。

优选地，所述氮气输送装置与氮氧混合气输送装置用于输送气体；钒源加热升华装置用于处理加入的钒源；掺杂剂加热装置用于处理加入的掺杂剂；混合装置用于将处理的产物均与混合并形成混合材料；沉积装置用于混合原料的反应沉积；第一挡板、第二挡板、第三挡板均可调节自身的孔径和数量，以控制不同区域的气流量和反应原料的数量；第一基片、第二基片、第三基片、第四基片用于不同厚度VO₂薄膜的沉积；加热装置用于加热第一基片、第二基片、第三基片、第四基片和样品，控制反应温度用或反应的进行；尾气处理装置用于处理反应后剩余的废气；气体电磁阀门控制混合气体的流量。

优选地，所述沉积装置采用沉积装置管式炉。

优选地，所述第一基片、第二基片、第三基片、第四基片均设有石英衬底。

本发明还提供一种高通量组合制备VO₂薄膜的制备方法，其包括以下步骤：

步骤一、移动第一基片、第二基片、第三基片、第四基片，调控第一挡板、第二挡板、第三挡板，放置于沉积装置不同区域；

步骤二、将两种前驱体分别加入前驱体处理装置，钒源加入到钒源加热升华装置，掺杂剂加入到掺杂剂加热升华装置；

步骤三、加热前驱体处理装置，产生两种不同的原料气体；

步骤四、氮气输送装置与氮氧混合气输送装置同时输送气体，把前驱体处理装置产生的原料气体带入到混合装置，在混合装置中均匀混合；

步骤五、通过气体电磁阀门控制混合原料气体流量，通入沉积装置；利用加热装置加热到800℃，对此次组合材料样品沉积的样品进行微区加热处理，在不同区域得到不同厚度的产物；

步骤六、清洗混合装置和沉积装置，并返回步骤一。

本发明的积极进步效果在于：该高通量组合材料制备设备可实现多种厚度组合，有利于覆盖广泛的材料组分、结构参数空间，同时还能够实现用于合成材料样品的多种物料的分子级混合，有利于组合材料样品中单一子样品内部组分均匀分布。制备产物的合成反应可通过调整气体输送量和前驱体剂量以控制产物的粒径，通过调控挡板的孔径以控制VO₂薄膜厚度。该高通量组合材料制备方法可以实现VO₂薄膜在较小面积基片上的集成，所得组合材料样品的制备薄膜灵活可控，相对于传统材料科学研究手段其样品制备效率可提高数倍。

附图说明

图1为本发明高通量组合制备VO2薄膜的设备的结构示意图。

图2 为本发明高通量组合制备VO₂薄膜的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明高通量组合制备VO2薄膜的设备包括氮气输送装置1、氮氧混合气输送装置2、钒源加热升华装置3、掺杂剂加热升华装置4、混合装置5、沉积装置6、第一挡板7、第二挡板8、第三挡板9、第一基片10、第二基片11、第三基片12、第四基片13、加热装置14、尾气处理装置15、气体电磁阀门16，氮气输送装置1与钒源加热升华装置3连接，氮氧混合气输送装置2与掺杂剂加热升华装置4相连接，钒源加热升华装置3、掺杂剂加热升华装置4共同与混合装置5相连接，第一挡板7、第二挡板8、第三挡板9皆位于沉积装置6内部，第一基片10位于第一挡板7左侧，第二基片11位于第一挡板7与第二挡板8之间，第三基片12位于第二挡板8与第三挡板9之间，第四基片13位于第三挡板9的右侧，加热装置14位于沉积装置6下方，尾气处理装置15与沉积装置6相连接，气体电磁阀门16安装于混合装置5与沉积装置6之间，氮气输送装置、氮氧混合气输送装置组成气体传送装置，钒源加热升华装置、掺杂剂加热升华装置组成前驱体处理装置。

氮气输送装置与氮氧混合气输送装置用于输送气体；钒源加热升华装置用于处理加入的钒源；掺杂剂加热装置用于处理加入的掺杂剂；混合装置用于将处理的产物均与混合并形成混合材料；沉积装置用于混合原料的反应沉积；第一挡板、第二挡板、第三挡板均可调节自身的孔径和数量，以控制不同区域的气流量和反应原料的数量；第一基片、第二基片、第三基片、第四基片用于不同厚度VO₂薄膜的沉积；加热装置用于加热第一基片、第二基片、第三基片、第四基片和样品，控制反应温度用或反应的进行；尾气处理装置用于处理反应后剩余的废气；气体电磁阀门控制混合气体的流量。本发明采用多个前驱体加热升华装置（钒源加热升华装置、掺杂剂加热升华装置等）以实现多种组元组合，有利于覆盖广泛的材料组分、结构参数空间。

所述钒源加热升华装置、掺杂剂加热升华装置、加热装置均采用热电偶的加热方式，具有热响时间快的优点，使得前驱体样品升华。

所述第一挡板、第二挡板、第三挡板均为特制陶瓷挡板，具有良好的刚度与硬度，其熔点在2000℃以上，并在高温下同样有极好的化学稳定性，通过调节孔径数量和大小，以控制炉内气流量。

所述第一基片、第二基片、第三基片、第四基片均设有石英衬底，在物理性质与化学性质两方面都十分稳定。

所述加热装置采用热电偶加热，这样加热速度快，加热效率高。

加热装置用于辅助加热基片，优选辐射热源本实施例中的加热装置也可以采用红外卤素加热灯，红外卤素加热灯可提供室温至 1100℃的温升范围和数十℃ /s 的升温速率。

沉积装置可以采用沉积装置管式炉，通常具体采用多温区管式炉，这样成本低。

如图2所示，本发明高通量组合制备VO₂薄膜的方法包括以下步骤：

步骤一、移动第一基片、第二基片、第三基片、第四基片，调控第一挡板、第二挡板、第三挡板，放置于沉积装置不同区域；

步骤二、将两种前驱体分别加入前驱体处理装置，钒源加入到钒源加热升华装置，掺杂剂加入到掺杂剂加热升华装置；

步骤三、加热前驱体处理装置，产生两种不同的原料气体；

步骤四、氮气输送装置与氮氧混合气输送装置同时输送气体，把前驱体处理装置产生的原料气体带入到混合装置，在混合装置中均匀混合；

步骤五、通过气体电磁阀门控制混合原料气体流量，通入沉积装置；利用加热装置加热到800℃，对此次组合材料样品沉积的样品进行微区加热处理，在不同区域得到不同厚度的产物；

步骤六、清洗混合装置和沉积装置，并返回步骤一。

本发明的基本参数如下表1所示：

表1

实施例1：不打开加热装置14，制备不同厚度的薄膜如下表2所示：

表2

实施例2：不设置档板，打开加热装置如下表3所示：

表3

实施例3：设置档板，同时打开加热装置如下表4所示：

表4

本发明可实现多种厚度组合，有利于覆盖广泛的材料组分、结构参数空间，同时还能够实现用于合成材料样品的多种物料的分子级混合，有利于组合材料样品中单一子样品内部组分均匀分布。制备产物的合成反应可通过调整气体输送量和前驱体剂量以控制产物的粒径，通过调控挡板的孔径以控制VO₂薄膜厚度。该高通量组合材料制备方法可以实现VO₂薄膜在较小面积基片上的集成，所得组合材料样品的制备薄膜灵活可控，相对于传统材料科学研究手段其样品制备效率可提高数倍。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。