专利名称：一种用于纳米粒子束流源的复合型分离器的制作方法
技术领域：
本发明涉及薄膜技术及纳米结构材料的制备装置中的重要部件，具体的说涉及一种用于纳米粒子束流源的复合型分离器。
背景技术：
气体动力学喷嘴/分离器是原子束、分子束、团簇束流以及纳米粒子束流的产生装置中的重要部件，在原子分子物理与纳米科学的基础研究与薄膜及纳米结构材料的制备、材料的表面加工等方面具有广泛应用。基于气相聚集法的团簇束流和纳米粒子束流源中，通常使用如图1所示结构的分离器。这种分离器往往也起了喷嘴的作用。通过这种喷嘴/分离器将冷凝腔与高真空腔隔离，在冷凝腔中原子在缓冲气体中生长形成团簇或纳米粒子，并通过喷嘴/分离器进入高真空端，中止团簇与纳米粒子的生长过程，并使团簇或纳米粒子与缓冲气体分离，从而获得团簇束流或纳米粒子束流。但是实践证明，图1所示结构的喷嘴/分离器具有两个不足之处①所获得的团簇或纳米粒子束流的强度较弱，通常在高真空端所能得到的等效沉积率小于0.2nm/s，难以满足纳米结构薄膜沉积工艺的需要；②容易发生堵塞，喷嘴/分离器最前端的气流通道(图1①)直径通常为1到2毫米，在束流源的工作过程中，会在喷嘴/分离器前端的锥顶上(图1②)发生大量的原子及团簇或纳米粒子的沉积，使通道直径逐渐变小，并最终堵塞。当这种结构的喷嘴/分离器采用金属材料制作时，其稳定工作的时间一般只有数小时。
发明内容
1、发明目的原子束、分子束、团簇束流以及纳米粒子束流在原子分子物理与纳米科学的基础研究以及薄膜与纳米结构材料的制备、材料的表面加工等方面具有广泛应用。气体动力学喷嘴/分离器是这类粒子束产生装置中的重要部件。本发明提出了一种用于团簇与纳米粒子束流产生装置中的兼具喷嘴功能的复合型分离器的新结构，可以取代目前国内外通用的团簇与纳米粒子束流源中的喷嘴/分离器，使束流强度获得大幅度提高，并解决现有的喷嘴/分离器的气流通道易发生阻塞的不足，为获得高强度与高稳定度的团簇与纳米粒子束流提供保证。
2、技术方案本发明提出了一种用于团簇与纳米粒子束流产生装置中的兼具喷嘴功能的复合型分离器的新结构。这种分离器可被安装于发生团簇和纳米粒子成核、生长的冷凝室与团簇和纳米粒子束流成形的高真空探测与沉积室之间，分离两区域并提供差分气流通道。
本发明的结构图在图3中给出。其要点是用先汇聚再发散的气流通道结构取代了原来的喷嘴/分离器中尖锥型的单发散气流通道。
本发明的工作原理是由复合型分离器8分隔真空腔形成差分抽气系统。在分离器的入口侧12为惰性气体冷凝室12，在此室内充入He、Ar等惰性气体，气压保持在100Pa的量级，在复合型分离器8的出口侧13为高速抽气区5，由高抽速的真空泵将由分离器流入的气体抽除，保持0.1Pa的动态真空度。惰性气体由高压的冷凝室3通过复合型分离器8到低真空室的流动，形成图4中流线15所示的气流结构。在冷凝室中所形成的团簇或纳米粒子在气流携带下沿流线运动。由于在复合型分离器8的入口部分为倒圆锥形的汇聚结构，能够对团簇或纳米粒子形成很高的收集效率，并使气体在入口部分受到压缩，在倒锥形的锥尖处复合型分离器的喉部14达到最高的气压。在复合型分离器8的出口处，其发散的几何结构使气体发生绝热膨胀，其间的气体动力学过程使团簇或纳米粒子的生长过程终结，并使其热运动能转化为沿复合型分离器8对称轴方向的平动能，形成高速定向运动的团簇或纳米粒子束流6。而惰性气体分子则由高抽速真空泵抽除。在上述过程中，由于团簇或纳米粒子受气流的驱动，平行于复合型分离器8的入口部的倒锥形表面飞行，并高速射入出口部，避免了在入口部表面的沉积的发生。这种复合型分离器的高的入口收集效率与入口表面沉积的消除，是获得高的束流强度，避免气流通道堵塞的关键。
3、有益效果本发明提出了一种用于团簇与纳米粒子束流产生的兼具喷嘴功能的复合型分离器的新结构，运用先汇聚再发散的气流通道取代了原来的喷嘴/分离器中尖锥型的单发散气流通道，使采用这种复合型分离器的团簇或纳米粒子束流源强度获得大幅度提高采用旧的喷嘴/分离器，所能得到的束流等效沉积率小于0.2nm/s，而采用现结构后，能得到高于5nm/s的等效沉积率的高强度束流，足以满足纳米结构薄膜沉积工艺的需要；另一方面，解决了旧的喷嘴/分离器的气流通道易发生阻塞的问题，使分离器的稳定工作时间由数小时增加到理论上的无限长时间，本发明使高强度与高稳定度的团簇与纳米粒子束流的产生有了技术保障。
四
图1旧有的分离器结构。1、分离器最前端的气流通道；2、分离器前端的锥尖，此处易发生原子和纳米粒子沉积，导致气流通道堵塞。
图2团簇与纳米粒子束流产生装置。3、团簇和纳米粒子成核、生长的冷凝室；4、探测与沉积纳米粒子的高真空室；5、高速差分抽气区；6、团簇或纳米粒子束流；7、原子化器(磁控溅射、高温蒸发等)；8、复合型分离器；9、第二级差分真空系统；10、第二级分离器；11石英晶体振荡器膜厚测试仪。
图3本发明的复合型分离器的结构图。12对气流产生汇聚作用的入口侧；13发散形的出口侧，使气流发生绝热膨胀；14喉部一直径最小处。
图4气体通过复合型分离器的流动状态示意图。15显示气体流动方向的流线。
五具体实施例方式
以下以SbIn纳米粒子束流的制备为例，说明本发明的应用实例(1)一个复合型分离器的具体结构参数采用图3所给出结构，其中喉部14的直径为2mm，入口侧12长度为13mm，圆锥的顶角α为60°，出口侧13长度为18mm，圆锥的顶角β为58°，由不锈钢整体车制而成。复合型分离器按图2所示的结构安装于团簇与纳米粒子束流产生装置上。
(2)采用复合型分离器的团簇/纳米粒子束流源的工作参数采用高温蒸发作为原子化器7产生高密度SbIn蒸气，蒸发温度为650℃。冷凝室3以液氮冷却，冷凝室内充入200Pa的氦气。高速差分抽气区5采用以罗兹泵作为前级的涡轮分子泵，保持0.1Pa的真空度。通过第二级差分抽气系统9，使锡纳米粒子束流经过2mm直径的第二级分离器10进入真空度为10-4的高真空沉积室4内，形成准直团簇束流6。
(3)复合型分离器的工作效果在高真空沉积室4内距分离器8出口端500mm处设置石英晶体振荡器膜厚测试仪，测得纳米粒子的等效沉积率为5nm/s。
在前述工作条件下，新复合型分离器工作50小时以上，未见气流通道上有明显的堵塞物出现。
权利要求
1.一种用于纳米粒子束流源的复合型分离器，其特征在于它采用先汇集再发散的气流通道结构，该气流通道由圆锥形的入口侧(12)、圆锥形的出口侧(13)和连接入口侧(12)和出口侧(13)的喉部(14)所构成。
2.根据权利要求1所述的用于纳米粒子束流源的复合型分离器，其特征在于所述气流通道入口侧(12)的长度为10-20mm，圆锥的顶角α为60°，出口侧(13)长度为15-25mm，圆锥的顶角β为40-60度，喉部(14)的直径为1-4mm。
3.根据权利要求1所述的用于纳米粒子束流源的复合型分离器，其特征在于它是由不锈钢整体车制而成。
全文摘要
本发明公开了一种用于纳米粒子束流源的复合型分离器，它是采用光汇集再发散的气流通道结构，该气流通道由圆锥形的入口侧(12)，圆锥形的出口侧(13)和连接入口侧(12)的喉部(14)所构成。本发明的分离器采用先汇集再发散的气流通道结构取代了原来的分离器中尖锥形的单发散气流通道，使纳米粒子束流源强度获得大幅度提高，用旧的分离得到的束流等效沉积率小于0.2nm/s，而新结构的分离器得到高于5nm/s的等效沉积率的高强度束流，足以满足纳米结构薄膜沉积工艺的需要，新结构气流通道的分离器工作时间由原来数小时增加到理论上的无限长时间。
文档编号C23C14/54GK1804107SQ200610037969
公开日2006年7月19日 申请日期2006年1月24日 优先权日2006年1月24日
发明者韩民, 许长辉, 贺龙兵, 杨玲, 周剑峰, 万建国, 王广厚 申请人:南京大学