专利名称：锑诱导碳60薄膜生长方法及碳60薄膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及C60薄膜生长技术领域。
自1990年W.Kratschmer等人发明了克量级的C60制备方法以来，C60作为一种新材料，一直受到人们的普遍关注和广泛研究。但大尺寸C60单晶和高质量C60薄膜的生长困难限制着这一领域的深入研究和实际应用。目前，国内外已有人在金属单晶衬底、半导体衬底、离子晶体以及层状物质衬底上进行过C60薄膜的生长，所用方法都是直接将C60沉积到衬底上。由于衬底的影响，C60薄膜中晶粒难以长得很大，且往往有严重的缺陷。其中金属和半导体衬底上生长的C60薄膜中最大C60晶粒的线度只有几十纳米[1-9]；离子晶体衬底上生长的C60薄膜中最大C60晶粒线度约0.4μm(在KI衬底上获得)[10-14]；层状物质衬底上生长的C60薄膜中最大C60晶粒线度约为1.5μm(在Ges衬底上获得)[11,15-18]虽然Ges衬底上可以长出较大的C60晶粒，但实验要求较高(尤其是真空度)且存在着C60薄膜难以从衬底上分离的问题。此外，采用上述方法C60薄膜中不能形成分形结构的晶体，也不能生长出C60单晶薄膜。
本发明的目的在于提供一种在普通真空设备中能生长出大尺寸C60分形、枝晶和单晶的锑诱导C60薄膜(包括C60单晶薄膜)生长方法。并提供生长有大尺寸C60分形、枝晶或高质量单晶的C60薄膜(包括C60单晶薄膜)。
本发明采用以下方式实现。
本发明包括常规的C60薄膜生长方法(1)加热衬底，保持温度；(2)加热C60源，使其向衬底沉积，达到预定厚度时，停止沉积。本发明的特征是在上述方法中引人表面活性剂锑(Sb)加热衬底到预定温度后，蒸发Sb，使衬底上沉积一层Sb膜，然后加热C60源，使其向沉积有Sb膜的衬底上沉积，或同时加热C60源和Sb，使其向沉积有Sb膜的衬底上共沉积，或加热C60源，使衬底上沉积有C60后，蒸发Sb源，使沉积有C60的衬底上沉积一层Sb膜，然后再一次加热C60源，使其向Sb膜上沉积。采用本发明方法生长出的C60薄膜可以为分形晶体、枝晶或单晶构成的多晶膜，也可以为[111]取向的单晶薄膜，晶体线度1.6～11.0μm。通过对衬底的选择以及对衬底温度、蒸发速率和薄膜厚度的控制，晶体线度还可增大。
本发明方法可有效地生长出多种晶体薄膜1．大枝晶、大分形和大单晶的生长①新鲜解理的NaCl衬底加热并保持在150℃-185℃。
②真空度好于5.0×10-3Pa时，调整Sb蒸发源，以0.3-3.0nm/min的蒸发速率在衬底上沉积一层0.1～3nm的Sb膜。
③加热C60源，以0.06-3.0nm/min的沉积速率向蒸有Sb的衬底开始沉积，随后C60的沉积速率可逐渐增大，C60膜达到预定厚度时，停止蒸发。膜中即可形成线度约11μm的大枝晶、大分形和[111]取向的高质量的C60大单晶。2．[111]取向准六边形大单晶的生长①新鲜解理的NaCl衬底加热并保持在150～185℃。
②真空度优于5.0×10-3Pa时，加热C60，以0.6nm/min左右的速率衬底上沉积一层约1nm厚的C60膜。
③调整Sb蒸发源，以0.3-3.0nm/min的蒸发速率在衬底上沉积一层0.1～3nm的Sb膜。
④加热C60源，以0.06-3.0nm/min的沉积速率向蒸有Sb的衬底开始沉积，随后C60的沉积速率可逐渐增大，C60膜达到预定厚度时，停止蒸发。薄膜中即可形成[111]取向、准六边形结构的C60大单晶。3．[111]取向的大C60单晶的生长①新鲜解理的NaCl衬底加热并保持在150℃-185℃。
②真空度好于5.0×10-3Pa时，调整Sb蒸发源，以0.3-3.0nm/min的蒸发速率在衬底上沉积一层0.1～3nm的Sb膜。
③加热C60源和Sb源，向蒸有Sb的衬底共蒸C60和Sb至预定厚度，其中Sb源以0.1-0.5nm/min的速率蒸发，C60以0.06-3.0nm/min的速率开始蒸发。薄膜中可形成C60大单晶，且沿[111]取向。4．Mica(001)衬底上Sb诱导下的C60单晶生长①新鲜解理的Mica(001)衬底加热并保持在200℃左右。
②加热Sb源，以0.3-3.0nm/min蒸发速率向衬底沉积0.2nm-3nm厚的Sb膜。
③加热C60，以大约0.06-3.0nm/min的蒸发速率开始向蒸有Sb的衬底沉积C60，在随后的沉积过程中C60速率可逐渐加大，到预定厚度时，停止沉积。薄膜中可形成马赛克状的C60大单晶。
本发明方法同样可用于其它衬底。
本发明能在普通真空设备中使C60薄膜内生长出C60分形晶体、枝晶和单晶，也能生长出[111]取向的单晶薄膜。本发明方法生长出的C60晶体尺寸大，质量好。本发明制备的薄膜样品衬底容易去掉，从而实现薄膜与衬底的有效分离。
本发明可用于普通镀膜设备中高质量C60薄膜(包括C60单晶薄膜)的制备，C60基新材料的制备，超薄C60晶体器件的研制以及C60薄膜(包括C60单晶薄膜)的特性研究和应用。
实施例1．NaCl(001)单晶衬底上C60大枝晶和大分形的生长。
衬底温度160℃，真空度5.0×10-3Pa,Sb蒸发速率0.6nm/min，厚度0.1nm,C60蒸发速率从0.06nm/min开始并逐渐增加到18nm/min,C60薄膜厚度20nm。
上述方法制备的样品在去离子水中溶NaCl衬底，捞膜于电镜铜网，用H800透射电镜可观察到如
图1(a)的大枝晶(约9μm)和1(b)的大分形(线度约5μm),1(a)的放大倍数为5千，1(b)的放大倍数为1万。2．NaCl(001)单晶衬底上准六边形C60单晶的生长衬底温度150℃，真空度2.0×10-3Pa，先以0.3nm/min的速率在衬底上沉积1nm厚的C60膜，然后以0.3nm/min的速率在蒸有C60的衬底上沉积3.0nm厚的Sb膜，再以0.3nm/min的速率开始向衬底上沉积C60(第二层)，并逐渐增加到24nm/min，当第二层C60膜厚达到30nm时停止沉积。
在去离子水中去掉NaCl衬底，用透射电镜可观察到如图2所示的C60单晶，准六边形状的C60单晶线度约2.4×2.2μm2。图中放大倍数为1万倍，电子衍射表明准六边形晶体为[111]取向。3．[111]取向的六边形和长棒状C60大单晶的生长。
真空度4.0×10-3Pa,Sb蒸发速率为1.2nm/min，厚度为3nm,NaCl(001)单晶衬底温度185℃,C60蒸发率以0.9nm/min开始并逐渐增加到24nm/min,C60膜厚20nm。
在去离子水中溶去NaCl衬底，用H800透射电镜观察到如图3(a)的六边形[111]取向的C60单晶和如图3(a)、3(b)的弯棒状[111]取向的C60单晶。图中放大倍数为1万，六边形单晶尺寸约2.2×2.2μm2,3(b)中弯棒单晶线度约9×0.5μm2。此时薄膜为[111]取向的C60单晶薄膜。4．NaCl(001)单晶衬底上[111]取向大C60单晶生长真空度2.2×10-3Pa，衬底温度160℃，先以3.0nm/min的速率在衬底上沉积1nm厚的Sb膜，然后同时蒸发C60和Sb到60nm厚度，其中共蒸时Sb速率为0.3nm/min,C60从3.0nm/min起蒸发并逐渐增加到20nm/min。
溶去NaCl衬底，H800电镜观察可见如图4所示[111]取向线度约4.5×5.0μm2的C60大单晶。图中放大倍数为1万。5．Mica(001)衬底上C60大单晶的生长
真空2.0×10-3Pa，衬底温度210℃,Sb蒸发速率3.0nm/min,C60从0.3nm/min开始沉积并逐渐增加到3.0nm/min,C60膜厚为70nm。
在去离子水中小角度插入样品，水的表面张力可使薄膜与Mica衬底分开，捞膜于电镜铜网上，用H800可观察到如图5的马赛克状的C60单晶，线度约2.4×2.0μm2，取向有[111]、[112]、[100]等。图中放大倍数为1万。
附图1(a)-薄膜中的枝晶结构，(b)-薄膜中的分形晶体结构。
附图2-薄膜中的准六边形C60单晶结构。
附图3(a)-薄膜中[111]取向的六边形和棒状C60单晶结构，(b)-薄膜中[111]取向的棒状C60单晶结构。
附图4-薄膜中[111]取向的C60大单晶结构。
附图5-Mica(001)衬底上马赛克状的C60单晶结构。
权利要求
1.一种锑(Sb)诱导C60薄膜生长方法，包括常规的C60薄膜生长方法(1)加热衬底，保持温度；(2)加热C60源，使其向衬底沉积，达到预定厚度时，停止沉积，其特征在于在上述方法中引入表面活性剂锑(Sb)加热衬底到预定温度后，蒸发Sb源，使衬底上沉积一层Sb膜，然后加热C60源，使其向沉积有Sb的衬底上沉积，或同时加热C60和Sb源，使其向沉积有Sb的衬底上共沉积，或加热C60源，使衬底上沉积有C60后，蒸发Sb源，使沉积有C60的衬底上沉积一层Sb膜，然后再一次加热C60源，使其向Sb膜上沉积。
2.用锑(Sb)诱导C60薄膜生长方法生长出的C60薄膜，其特征在于C60薄膜可以为分形晶体、枝晶或单晶构成的多晶膜，也可以为[111]取向的单晶薄膜。
3.如权利要求2所述的C60薄膜，其特征在于C60薄膜中晶体线度为1.6-11.0μm。
全文摘要
本发明提供了一种锑(Sb)诱导C
文档编号C23C16/26GK1218849SQ9710722
公开日1999年6月9日 申请日期1997年12月4日 优先权日1997年12月4日
发明者徐文涛, 侯建国 申请人:中国科学技术大学