一种低频率漂移率铷原子钟的复合薄膜结构及其制备方法与流程

本发明涉及真空镀膜，具体而言，涉及一种低频率漂移率铷原子钟的复合薄膜结构及其制备方法。

背景技术：

1、铷原子钟是一种结构简单，稳定性较强的原子频标，具有重量轻、体积小、功耗低以及造价低等优点，在导航、通信等领域有着广泛的应用。

2、频率漂移率是原子钟固有特性，是单位时间(如一天)内原子钟输出频率单方向的相对变化量，也即描述原子钟内部元器件老化效应引起的输出频率系统变化程度。虽然原子钟的输出频率是可以校准的，但频率漂移是无法改变的。铷原子钟前期漂移率较大，产品漂移率达标比较困难，产品漂移达到其最终数值的时间很长。

3、随着技术的不断进步，铷原子频标的频率稳定度得到不断提升，已经接近主动氢原子频标的水平(3.0×10-13/s)。但是与铯原子频标和氢原子频标相比，铷原子频标的频率漂移率(5.0×10-13/天)的改善不明显，与氢原子频标(1.0×10-15/天)相比仍有较大差距，这限制了铷原子钟的使用范围和系统指标。

4、因此，从物理层面开展低频率漂移率铷原子钟的研发成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是通过在铷原子钟内壁表面设置氧化物/过渡层/贵金属点阵复合薄膜结构，形成化学反应和物理扩散阻挡层，稳定吸收泡中工作介质的状态，降低输出频率随时间变化过程，从而降低铷原子钟的频率漂移率。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种低频率漂移率铷原子钟的复合薄膜结构，所述复合薄膜结构沉积于铷原子钟的内壁，依次包括氧化物层、过渡层和贵金属点阵。

4、进一步地，所述氧化物层的材料为al2o3，靠近所述内壁；所述过渡层的材料ti；所述贵金属点阵的材料为ir，远离所述内壁。

5、进一步地，所述氧化物层厚度为20～30nm，所述过渡层厚度为10～20nm，所述贵金属点阵厚度为5～15nm。

6、进一步地，所述铷原子钟的内壁材料为高硼硅玻璃。

7、第二方面，本发明提供一种所述低频率漂移率铷原子钟的复合薄膜结构的制备方法，包括如下步骤：

8、步骤s1：采用热法原子层沉积技术制备所述氧化物层；

9、步骤s2：采用等离子体辅助增强原子层沉积技术制备所述过渡层；

10、步骤s3：采用等离子体辅助增强原子层沉积技术制备所述贵金属点阵。

11、进一步地，所述采用热法原子层沉积技术制备所述氧化物层之前，包括如下步骤：

12、步骤s0：将铷原子钟放置于反应室内，抽真空至1×10-2～1×10-3pa，加热升温至200～350℃。

13、进一步地，所述采用热法原子层沉积技术制备所述氧化物层包括：

14、步骤s11：通过氮气输运将反应前驱体三甲基铝(al(ch3)3)以气体脉冲形式通过反应室，以化学吸附的形式形成前驱体分子的单吸附层，前驱体流量为70～200sccm，通入时间为0.1s～0.6s，氮气流量为150～250sccm；

15、步骤s12：向反应室内通入氮气，排除未吸附的反应前驱体，氮气流量为150～250sccm，通入时间为5～20s；

16、步骤s13：向反应室内通入反应气体，与吸附的反应前驱体发生表面化学反应，生成所述氧化物层，反应气体流量为50～250sccm，通入时间为5～15s，其中，所述反应气体优选为去离子水分子或o3；

17、步骤s14：向反应室内通入氮气，排除多余的反应气体及反应副产物，150～250sccm，通入时间为5～20s。

18、进一步地，执行一次所述热法原子层沉积步骤s11～步骤s14为一个沉积周期，获得的所述氧化物层为单个氧化物分子厚度，重复执行步骤s11～步骤s14 n次，获得n个单个氧化物分子厚度的所述氧化物层。

19、进一步地，所述采用等离子体辅助增强原子层沉积技术制备所述过渡层包括：

20、步骤s21：通过氮气输运将反应前驱体四(二甲胺)钛(tdmat)以气体脉冲形式通过反应室，以化学吸附的形式形成前驱体分子的单吸附层，前驱体流量为70～200sccm，通入时间为0.1s～0.6s，氮气流量为150～250sccm；

21、步骤s22：向反应室内通入氮气，排除未吸附的反应前驱体，氮气流量为150～250sccm，通入时间为5～20s；

22、步骤s23：向反应室内通入反应气体，在所述氧化物层上发生表面化学反应，生成所述过渡层，反应气体流量为50～250sccm，通入时间为5～15s，其中，所述反应气体优选的为o2或n2/h2/ar混合气体；

23、步骤s24：向反应室内通入氮气，排除多余的反应气体及反应副产物，150～250sccm，通入时间为5～20s。

24、进一步地，执行一次所述等离子体辅助增强原子层沉积步骤s21～步骤s24为一个沉积周期，获得的所述金属过渡层为单个金属原子层厚度，重复执行步骤s21～步骤s24 m次，获得m个单个金属原子层厚度的所述金属过渡层。

25、进一步地，所述采用等离子体辅助增强原子层沉积技术制备所述贵金属点阵包括：

26、步骤s31：通过氮气输运将反应前驱体三乙酰丙酮铱(ir(acac)3)以气体脉冲形式通过反应室，以化学吸附的形式形成前驱体分子的单吸附层，前驱体流量为70～200sccm，通入时间为0.1s～0.6s，氮气流量为150～250sccm；

27、步骤s32：向反应室内通入氮气，排除未吸附的反应前驱体，氮气流量为150～250sccm，通入时间为5～20s；

28、步骤s33：向反应室内通入反应气体，在所述过渡层上发生表面化学反应，生成所述贵金属点阵，反应气体流量为50～250sccm，通入时间为5～15s，其中，所述反应气体优选的为o2；

29、步骤s34：向反应室内通入氮气，氮气流量为150～250sccm，通入时间为5～20s，排除多余的反应气体及反应副产物，得到所述复合薄膜结构，

30、进一步地，执行一次所述等离子体辅助增强原子层沉积步骤s31～步骤s34为一个沉积周期，获得的所述贵金属点阵为单个贵金属原子层厚度；重复执行步骤s31～步骤s34k次，获得k个单个金属原子层厚度的所述贵金属点阵。

31、进一步地，所述单个氧化物分子厚度约为0.100nm，所述n次为200～300次；所述单个金属原子层厚度为0.145nm，所述m次为69～138次；所述单个贵金属原子层厚度为0.135nm，所述k次为37～112次。

32、本发明技术方案，具有以下有益效果：

33、本发明通过在铷原子钟内壁表面制备氧化物/过渡层/贵金属点阵复合薄膜，氧化物薄膜作为化学反应和物理扩散的阻挡层，稳定吸收泡内工作介质的状态；贵金属点阵吸附铷原子，限制其移动过程；过渡层提升贵金属与基底材料的结合力，防止在铷原子钟使用过程中贵金属点阵的脱落。本发明的氧化物/过渡层/贵金属点阵复合薄膜可有效降低铷原子钟中铷原子的纵向扩散过程和横向移动过程，降低输出频率随时间变化的过程，从而有效降低铷原子的频率漂移率。