一种中性团簇束流喷嘴集群实现宽幅纳米颗粒束流的方法
【专利摘要】本发明提出一种中性团簇束流喷嘴集群实现宽幅纳米颗粒束流的方法，所述束流喷嘴集群由束流集群板即集成束流枪实现，束流集群板分为两层，第一层为多个集成束流枪的喷嘴，第二层为分离器，分离器与喷嘴一一对应，分离器与喷嘴的轴线在一条直线上，两层的间距为0.5cm到5cm之间。本发明构成可用于较大面积和较大通量纳米加工的纳米颗粒束流，实现较大面积的纳米喷涂。借此实现的高颗粒通量的宽幅纳米束流将有助于提高利用团簇束流进行纳米表面加工时单位时间产额，有助于降低能耗和提高效率，从而有效地降低纳米加工的单位成本。
【专利说明】一种中性团簇束流喷嘴集群实现宽幅纳米颗粒束流的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米制造领域，具体的说，是涉及一种利用颗粒束流进行大范围纳米加工的工艺，可以实现期待大小和形状的纳米加工，用于纳米镀层甚至纳米纺织领域。
【背景技术】
[0002]纳米结构材料因小尺寸的精细调控、崭新的物理和化学性质成为当前先进材料领域的研究热点，也是近年来材料工程中关注的热点之一。纳米制造是指通过机械学、物理学、化学、生物学、材料科学等方法实现纳米尺寸结构的可控加工和相关材料和器件的可控制备，并关心纳米尺度与纳米精度下加工、成形、改性和跨尺度制造等等。所以，纳米制造工艺是当前纳米科技发展的关键。
[0003]本发明将介绍一种产生大面积中性纳米颗粒束流的方法，这一方法主要发源于上个世纪七八十年代在原子分子研究中发展的团簇束流源。所谓原子团簇，就是包含几个到很多个原子的稳定聚集体卜2，团簇束流源就是产生原子团簇并形成飞行团簇束流的装置。早期的原子团簇研究局限在几个或者几十个原子3_5，这曾经导致了 80年代末C6tl的发现，著名的诺贝尔化学奖 得主Smalley就是在团簇束流源上开展工作的。在传统的团簇束流源中，先利用固体或者液体材料产生原子蒸气并将该蒸气通过极小的喷孔进入高真空端，利用多级喷孔对中产生准直的原子团簇束流。其主要特征为气相生长、差分抽气和中性束流的多级对中。最初的团簇束流主要用于原子分子物理学的研究，用于产生Na13、Au2(l等含数十个原子的原子团簇3_5。沿着这一思路，团簇束流发生方法的主要改进在于产生蒸汽的方法(加热、激光烧蚀)6_9、喷嘴设计(尺寸和压差)、原子数级别的束流成分选择(脉冲选择、磁偏转)1(l_n、束流离化和高能加速8’12_15以及相关的量子调控手段(囚禁、激光操控)16。2008年报道的最新成果已经证实了 Μ/ΛΜ高达20的束流成分选择。
[0004]原子团簇束流源也可以用来产生纳米颗粒束流。纳米颗粒的尺寸一般在2_50nm，包含原子数在数千甚至数百万个，所以纳米颗粒也就是更大尺寸的原子团簇，对传统的原子团簇束流源进行结构改造和参数调整就可以用来产生包含更多原子数的纳米颗粒，团簇束流源也就成为了纳米颗粒束流源(也即纳米团簇束流源)。随着纳米科技的关注和纵深发展，自从1995年附近，在德国Haberland课题组等先锋的推动下，团簇束流源也就发展成为一种纳米结构的制备方法。德国H.Haberland课题组、英国的C.Binns课题组、R.Palmer课题组、意大利的P.Milani课题组等都有团簇束流源用于纳米颗粒束流的相关发展。其中，在应用研究的探索方面，德国课题组主要关注超平整的镜面光学薄膜制备，Binns课题关注高密度磁性存储材料的制备、Palmer课题组关注石油催化和生物芯片方面的应用，意大利课题组的应用出口则选择在超级电容器等方面。我国的南京大学课题组也在纳米梯度材料制备、传感器等方面进行了探索，并申请国家发明专利若干(200610037968.7; 200710021318.8; 200710023415.0; 200810098905.1; 201010514268.9; 201010286912.1)。如今，团簇束流源开始寻求在纳米粉体制备、多种纳米结构的表面组装、高质量的镜面薄膜、表面蚀刻和清洗、表面镀层和改性、磁性纳米薄膜以及高能团簇束流注入等多方面的应用。[0005]一个典型的纳米团簇束流产生室包括如图1所示的三个部分，一个材料源(图中的溅射靶(1))，一个毫米大小的小孔(图中(2)喷孔)，以及一个分离器(图1 (3))。其中小孔的直径一般在0.1到2mm之间，小孔具有一定的锥型张角，大约为30度左右。小孔的左端(也即气流上游)有一定的高气压，由惰性气体(由气管注入)和材料的原子蒸气(可由溅射产生)贡献，小孔的右端(也即气流下游)为较好的真空，一般由大抽气速率的分子泵(扩散泵)保证，所以这一差分抽气的小孔是纳米团簇束流品质的关键。另外一方面来看，如图2所示，当纳米团簇束流从喷孔中出来时束流包含多种组分:既有质量较大的纳米团簇颗粒，也有质量很轻的小团簇和单原子，经过一段路径的漂移较重的颗粒将保持沿中轴飞行，较轻的颗粒将发散在束流的边缘，此时引入分离器(图1 (3)或图2 (4))就可以选取所需纳米颗粒构成纳米颗粒束流用于纳米加工。可以看出:这一喷孔必须很小以保证差分抽气的稳定，而飞行距离必须相对短，以保证尽可能多的纳米颗粒通过。考虑到此后的束流张角很小，单一喷孔产生的纳米颗粒束流面积不可能很大。目前，为了加工较大面积的样品，人们就必须在束流后端引入扫描器，使得需纳米加工的样品做位置扫描，实现较大面积的纳米喷涂。近二十年来，人们持续改进单个束流枪的设计及空气动力学，力图实现更大的束流，实现更高的纳米加工效率。在目前的情况下，进一步提高单个团簇束流枪的纳米颗粒流量的努力已收效渐微。所以，本设计提出研发多个团簇束流枪的集群，将单个团簇束流源小型化为束流枪，配合在几何分布上的设计，在同一个团簇源上组合在一起将束流交叠形成大面积的纳米颗粒束流。目前常见的团簇束流枪直径在10公分左右，纳米束流直径在分离器以后一般是I公分。
[0006]参考文献:
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【发明内容】
[0023]本发明目的在于提出一种构建纳米团簇束流集群的设计及利用它实现宽幅纳米颗粒束流的方法，利用团簇束流喷嘴(即纳米喷孔)构成阵列或束流集群的形式组成多个纳米团簇颗粒束流源，构成可用于较大面积和较大通量纳米加工的纳米颗粒束流。借此实现的高颗粒通量的宽幅纳米束流将有助于提高利用团簇束流进行纳米表面加工时单位时间产额，有助于降低能耗和提高效率，从而有效地降低纳米加工的单位成本。
[0024]本发明技术方案:一种中性团簇束流喷嘴集群实现宽幅纳米颗粒束流的方法，该束流喷嘴集群由束流集群板(即集成束流枪)实现，束流集群板分为两层，第一层为多个集成束流枪的喷嘴，第二层为分离器，分离器与喷嘴对应，分离器与喷嘴的轴线在一条直线上，两层的间距为0.5到5cm之间。
[0025]并且，团簇束流枪采用如图3正三角形阵列的均匀密集分布，且使用目前商用团簇束流枪中直径最小的种类，直接一般为2- 3cm，产生的纳米束流直径为1cm。束流枪的束流沿垂直于最外一排束流孔中心连线的方向扫描实现连续束流的分布，即束流枪的束流沿正三角垂直平分线的方向。
[0026]进一步的，可以利用这一集群束流枪形成连续的宽幅纳米颗粒束流，其要点在于集成足够多的束流枪，并以给定的方向扫描待加工的基底。特别指出，此时束流集群板集成的团簇束流枪数量由单个束流枪直径与纳米束流直径的比值决定，为其平方个。比如单个束流枪直径为3cm，纳米束流直径为1cm，则本束流板至少需集成3 X 3个束流枪，并沿图3中灰线扫描衬底，这样在衬底上构成连续宽幅束流的沉积效果(如图4)。
[0027]本发明的有益效果是，用团簇束流喷嘴(即纳米喷孔)构成阵列(即束流集群的形式)组成阵列的纳米团簇颗粒束流源，可用于较大面积和较大通量的纳米颗粒束流加工。实现高通量的宽幅纳米束流，集成多个纳米颗粒束流枪用于纳米加工，将有助于提高纳米表面加工时团簇束流的实际利用量，提高团簇束流源在纳米加工中的效率。并且采用足够多的集群，形成宽幅、空间连续束流加工，可以实现工业中所需的连续加工。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是一台典型的团簇束流产生及其喷嘴示意图；
[0029]图2现有技术的典型束流分布图；
[0030]图3是束流集群板示意图；
[0031]图4是能够进行连续宽幅束流工作的束流集群板器件示意图。
【具体实施方式】
[0032]图1-4中所示，溅射靶1、喷孔2、分离孔(分离器)3，束流中心4、束流外沿5、喷孔
6、束流中轴7。
[0033]等比例缩小、采 用直径较小的团簇束流枪，利用一束流集群板将多个束流枪集成在一起。如图3，该束流集群板分为两层，第一层为多个(束流枪的)喷嘴，第二层为分离器，分离器与喷嘴一一对应(构成一只束流枪)，分离器与喷嘴的轴线在一条直线上，两层间距为0.5cm到5cm之间。
[0034]进一步的，可以利用这一集群束流枪形成连续的宽幅纳米颗粒束流，其要点在于集成足够多的束流枪，并以给定的方向扫描待加工的基底。特别指出，此时束流集群板集成的团簇束流枪数量由单个束流枪直径与纳米束流直径的比值决定，为其平方个。比如单个束流枪直径为3cm，纳米束流直径为1cm，比值为3，则本束流板需最起码集成3 X 3个束流枪，并沿图中灰线扫描衬底，这样在衬底上构成连续宽幅束流的沉积效果(如图4)。
[0035]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种中性团簇束流喷嘴集群实现宽幅纳米颗粒束流的方法，其特征是所述束流喷嘴集群由束流集群板即集成束流枪实现，束流集群板分为两层，第一层为多个集成束流枪的喷嘴，第二层为分离器，分离器与喷嘴一一对应，分离器与喷嘴的轴线在一条直线上，两层的间距为0.5cm到5cm之间。
2.根据权利要求1所述的中性团簇束流喷嘴集群实现宽幅纳米颗粒束流的方法，其特征是团簇束流枪采用正三角形阵列的均匀密集分布。
3.根据权利要求1所述的中性团簇束流喷嘴集群实现宽幅纳米颗粒束流的方法，其特征是实现宽幅连续束流所需的束流枪束由束流枪直径除以纳米颗粒束流的直径所得倍数决定，是该倍数的平方。
4.根据权利要求2所述的中性团簇束流喷嘴集群实现宽幅纳米颗粒束流的方法，其特征是束流枪的束流沿正三角垂直平分线的方向。
5.根据权利要求1所述的中性团簇束流喷嘴集群实现宽幅纳米颗粒束流的方法，其特征是束流枪中直径为2- 3cm，产生的纳米束流直径为1cm。
【文档编号】B82Y30/00GK103789734SQ201410038796
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月27日 优先权日:2014年1月27日
【发明者】宋凤麒, 葛建雷, 韩民, 王广厚 申请人:南京大学