一種利用雷射液相燒蝕系統進行雷射液相燒蝕試驗的方法與流程
2023-06-01 01:14:56
本發明涉及雷射液相燒蝕法製備納米材料領域，並具體涉及一種利用雷射液相燒蝕系統進行雷射液相燒蝕試驗的方法。
背景技術：
材料，能源以及信息被公認為現代文明的三大支柱，支撐著現代文明的發展。新材料的發現與製備不斷推動著科學的發展，技術的進步以及人們生活水平的提高。納米材料概念的提出和納米技術的發展使得材料在人類文明的發展和人們的日常生活中發揮著越來越廣泛而深遠的影響。納米材料研究中不斷湧現的各種新奇的現象充實著人類知識的寶庫。納米材料的廣泛使用使得各種科技和生活器件不斷趨向於微型化便捷化多功能化。作為一種新型簡便的製備納米材料的方法，液相脈衝雷射燒蝕法已被廣泛用於製備各種功能納米材料。
近年來，關於採用雷射液相燒蝕法製備納米材料的研究層出不窮。已經有人採用雷射液相燒蝕法製備了多種納米材料。例如：PbS納米顆粒、ZnO/Zn核殼納米顆粒、Ag/Au核殼納米顆粒、Ag/Cu合金納米顆粒等。採用雷射液相燒蝕法製備納米顆粒可以採用連續雷射，也可以採用脈衝雷射對靶材進行燒蝕。燒蝕後一般採用製備成TEM樣品的方法進行電子顯微鏡的表徵。但是到目前為止存在以下缺陷：1)雷射液相燒蝕法製備納米結構的設備在全世界各不相同，這導致雷射的參數波動性很大，不同實驗室之間的製備參數表徵不具有統一性；2)現有技術一般只能採用一種雷射模式進行試驗，不能在不同的雷射模式下進行選擇；3)製備過程中液體對雷射能量有吸收，導致靶材接收的能量不穩定，現有技術均不能調節液面與靶材面距離；4)現有製備設備一般只能對一種靶材進行試驗，不能連續對多個靶材進行燒蝕；5)製備之後的樣品需要人工製備成TEM樣品，這樣不僅費時而且會導致樣品在空氣中收到汙染或者氧化；6)製備TEM樣品被TEM觀察後很難進行原位實驗，而且很難再次進行實驗。
技術實現要素：
本發明克服以上不足，設計了一種利用雷射液相燒蝕系統進行雷射液相燒蝕試驗的方法，可以通過電腦控制一次性進行整個試驗過程。
該方法首先包括組裝用於雷射燒蝕製備納米結構原位實驗的實驗裝置，裝置由雷射器、燒蝕光路、燒蝕腔、真空乾燥腔、TEM觀察腔、靶材控制系統、TEM樣品運輸系統構成，其特徵在於，雷射器為三倍頻固體雷射器，可以發射1064nm、532nm、355nm的連續雷射；燒蝕光路具有光路選擇器、分光鏡、振鏡、合束裝置、可調透鏡；燒蝕腔具備第一進氣管路、第一出氣管路、第一真空泵；真空乾燥腔具備第二出氣管路、第二真空泵、分子泵、乾燥裝置；TEM觀察腔具有透射電子顯微鏡可以對燒蝕樣品進行觀察；樣品生成裝置具有燒蝕池和靶材控制系統，燒蝕池內裝燒蝕液，靶材控制系統具有靶材升降機構，靶材旋轉平移機構和靶材翻轉機構；TEM樣品運輸系統具有樣品傳送杆、樣品升降臺、樣品夾持器；所有裝置的控制系統均與控制計算機連接。
燒蝕光路具有光路選擇功能，可以選擇第一光路、第二光路和第三光路，所述第一光路為連續雷射燒蝕光路，第二光路為單脈衝雷射燒蝕光路，第三光路為多脈衝雷射燒蝕光路；由雷射器出射的雷射經過第一分束鏡後反射部分構成第一光路，透射部分經第二分束鏡後反射部分構成第二光路，透射部分成第三光路；第一光路、第二光路、第三光路分別具有電磁控光開關，可以控制光路的通斷；第二光路和第三光路均具有振鏡，振鏡下方具有掩模，通過振鏡與掩模裝置使第二光路和第三光路可以輸出單雷射脈衝和多雷射脈衝。
所述進第一氣管路具有預混合裝置，可以將氣體按一定比例混合後通入燒蝕腔；預混合裝置之前連接有三個氣瓶，所述三個氣瓶分別為氧氣瓶、氮氣瓶、氬氣瓶；所述第一進氣管路為三個並排的子進氣管路，所述三個並排的子進氣管路在燒蝕腔的後側壁等間距分布，子進氣管路靠近燒蝕腔的部分呈流線型擴張；燒蝕腔外部呈長方體，內部為沿進氣管路平行方向延伸的圓柱體，底面具有安裝樣品生成裝置的託架；燒蝕腔與第一進氣管路連接口相對的一側具有第一出氣管路，燒蝕腔靠近所述第一出氣管路一端為錐形結構，錐形結構與圓柱結構連接處可以打開，實現將樣品生成裝置取放，燒蝕腔徑向收縮至與第一出氣管路連接；第一出氣管路連接第一真空泵。
真空乾燥腔外部呈正方體結構，內部呈橢球結構；真空乾燥腔的乾燥裝置具有加熱裝置和溼度傳感器，所述加熱裝置安裝在真空乾燥腔橢球結構的一個焦點上，溼度傳感器位於真空乾燥腔橢球結構的另一個焦點上；橢球結構的一個尖端連接第二出氣管路；第二出氣管路連結第二真空泵和第二分子泵。
燒蝕池中的燒蝕液為去離子水、含有表面活性劑的溶液或待燒蝕的膠體中的一種；靶材控制系統設置於燒蝕池內，具有靶材升降機構可以控制靶材距離液面的距離，靶材旋轉平移機構可以控制靶材被燒蝕的部位，並可以對靶材進行旋轉，靶材翻轉機構具有多稜柱，可以將不同的靶材安裝在多稜柱不同面上，在需要時翻轉多稜柱，使需要燒蝕的部位朝上。
TEM樣品運輸系統具有樣品夾持器，可以將一個TEM銅網樣品浸入燒蝕液；樣品傳送杆可以將TEM樣品在燒蝕腔、真空乾燥腔與TEM觀察腔之間來回傳送；樣品升降臺可以調節TEM銅網在燒蝕腔與真空乾燥腔內的高度。
TEM觀察腔具有透射電子顯微鏡可以對燒蝕樣品進行觀察，且可以記錄觀察的位置；使用TEM觀察之後可以使用樣品傳送杆將樣品傳送回燒蝕腔進一步處理後再傳送回TEM觀察腔後針對原位置進行TEM觀察。
一種利用以上實驗裝置進行雷射液相燒蝕試驗的方法。其特徵在於包括以下步驟：
製備燒蝕液，燒蝕液為去離子水、含有表面活性劑的溶液或待燒蝕的膠體中的一種，將燒蝕液加入燒蝕池；
製備燒蝕靶材，將需要燒蝕的靶材進行表面拋光後，先後在丙酮、乙醇、去離子水中超聲清洗，將靶材安裝在靶材翻轉裝置的多稜柱面上，打開燒蝕腔，將燒蝕池安裝在燒蝕腔的底面上，並固定好；
在控制計算機內設置好靶材的移動路徑，翻轉順序，翻轉時間參數，設置好雷射器的工作參數，選擇好燒蝕模式，燒蝕模式為連續燒蝕，單脈衝燒蝕，多脈衝燒蝕種的一種；
啟動雷射器進行燒蝕實驗，燒蝕結束後使用計算機控制TEM樣品運輸系統夾持TEM銅網浸入燒蝕液後取出，運輸至真空乾燥腔乾燥，乾燥後運輸至TEM觀察腔進行TEM觀察，同時記錄TEM觀察的感興趣位置；
控制TEM樣品運輸系統運輸TEM銅網回燒蝕腔，重複以上步驟再次觀察。
採用本發明的技術方案，具有以下有益效果：
1)雷射液相燒蝕法製備納米結構的設備統一，雷射的參數標準；2)採用多種雷射模式進行試驗，能在不同的雷射模式下進行選擇；3)克服製備過程中液體對雷射能量有吸收，導致靶材接收的能量不穩定的缺陷，能調節液面與靶材面距離；4)設備能對多種靶材進行試驗，能連續對多個靶材進行燒蝕；5)製備之後的樣品無需人工製備成TEM樣品，這樣不僅省時而且會保護樣品免於在空氣中收到汙染或者氧化；6)製備TEM樣品被TEM觀察後可以進行原位實驗，而且可以再次進行實驗。
附圖說明
圖1為雷射燒蝕製備納米結構原位實驗的實驗裝置的整體裝置圖；
圖2為雷射燒蝕製備納米結構原位實驗的實驗裝置的雷射器與燒蝕光路；
圖3為雷射燒蝕製備納米結構原位實驗的實驗裝置的樣品生成裝置；
圖4為雷射燒蝕製備納米結構原位實驗的實驗裝置的燒蝕腔橫截面與縱截面；
圖5為雷射燒蝕製備納米結構原位實驗的實驗裝置的真空乾燥腔的橫截面與縱截面；
圖6為雷射燒蝕製備納米結構原位實驗的實驗裝置的TEM樣品傳輸裝置。
具體實施方式
下面結合附圖對發明的技術方案進行完整的說明。顯然，所述的實施方式僅是一部分試試方式，而不是全部實施方式。根據實施例，本領域技術人員可以在沒有創造性勞動的前提下獲得其他所有的實施例，都屬於本發明的保護範圍。
實施例1：
如圖1所示，組裝用於雷射燒蝕製備納米結構原位實驗的實驗裝置，由雷射器、燒蝕光路、燒蝕腔、真空乾燥腔、TEM觀察腔、靶材控制系統、TEM樣品運輸系統構成，其特徵在於，雷射器為三倍頻固體雷射器，可以發射1064nm、532nm、355nm的連續雷射；燒蝕光路具有光路選擇器、分光鏡、振鏡、合束裝置、可調透鏡；燒蝕腔具備第一進氣管路、第一出氣管路、第一真空泵；真空乾燥腔具備第二出氣管路、第二真空泵、分子泵、乾燥裝置；TEM觀察腔具有透射電子顯微鏡可以對燒蝕樣品進行觀察；樣品生成裝置具有燒蝕池和靶材控制系統，燒蝕池內裝燒蝕液，靶材控制系統具有靶材升降機構，靶材旋轉平移機構和靶材翻轉機構；TEM樣品運輸系統具有樣品傳送杆、樣品升降臺、樣品夾持器；所有裝置的控制系統均與控制計算機連接。
如圖2所示，燒蝕光路具有光路選擇功能，可以選擇第一光路、第二光路和第三光路，所述第一光路為連續雷射燒蝕光路，第二光路為單脈衝雷射燒蝕光路，第三光路為多脈衝雷射燒蝕光路；由雷射器出射的雷射經過第一分束鏡後反射部分構成第一光路，透射部分經第二分束鏡後反射部分構成第二光路，透射部分成第三光路；第一光路、第二光路、第三光路分別具有電磁控光開關，可以控制光路的通斷；第二光路和第三光路均具有振鏡，振鏡下方具有掩模，通過振鏡與掩模裝置使第二光路和第三光路可以輸出單雷射脈衝和多雷射脈衝。
如圖4所示，所述進第一氣管路具有預混合裝置，可以將氣體按一定比例混合後通入燒蝕腔；預混合裝置之前連接有三個氣瓶，所述三個氣瓶分別為氧氣瓶、氮氣瓶、氬氣瓶；所述第一進氣管路為三個並排的子進氣管路，所述三個並排的子進氣管路在燒蝕腔的後側壁等間距分布，子進氣管路靠近燒蝕腔的部分呈流線型擴張；燒蝕腔外部呈長方體，內部為沿進氣管路平行方向延伸的圓柱體，底面具有安裝樣品生成裝置的託架；燒蝕腔與第一進氣管路連接口相對的一側具有第一出氣管路，燒蝕腔靠近所述第一出氣管路一端為錐形結構，錐形結構與圓柱結構連接處可以打開，實現將樣品生成裝置取放，燒蝕腔徑向收縮至與第一出氣管路連接；第一出氣管路連接第一真空泵。
如圖5所示，真空乾燥腔外部呈正方體結構，內部呈橢球結構；真空乾燥腔的乾燥裝置具有加熱裝置和溼度傳感器，所述加熱裝置安裝在真空乾燥腔橢球結構的一個焦點上，溼度傳感器位於真空乾燥腔橢球結構的另一個焦點上；橢球結構的一個尖端連接第二出氣管路；第二出氣管路連結第二真空泵和第二分子泵。
如圖3所示，燒蝕池中的燒蝕液為去離子水、含有表面活性劑的溶液或待燒蝕的膠體中的一種；靶材控制系統設置於燒蝕池內，具有靶材升降機構可以控制靶材距離液面的距離，靶材旋轉平移機構可以控制靶材被燒蝕的部位，並可以對靶材進行旋轉，靶材翻轉機構具有多稜柱，可以將不同的靶材安裝在多稜柱不同面上，在需要時翻轉多稜柱，使需要燒蝕的部位朝上。
如圖6所示，TEM樣品運輸系統具有樣品夾持器，可以將一個TEM銅網樣品浸入燒蝕液；樣品傳送杆可以將TEM樣品在燒蝕腔、真空乾燥腔與TEM觀察腔之間來回傳送；樣品升降臺可以調節TEM銅網在燒蝕腔與真空乾燥腔內的高度。
TEM觀察腔具有透射電子顯微鏡可以對燒蝕樣品進行觀察，且可以記錄觀察的位置；使用TEM觀察之後可以使用樣品傳送杆將樣品傳送回燒蝕腔進一步處理後再傳送回TEM觀察腔後針對原位置進行TEM觀察。
實施例2：
利用以上實驗裝置進行雷射液相燒蝕試驗的方法。包括以下步驟：
步驟1：製備燒蝕液，燒蝕液為去離子水、含有表面活性劑的溶液或待燒蝕的膠體中的一種，將燒蝕液加入燒蝕池；
步驟2：製備燒蝕靶材，將需要燒蝕的靶材進行表面拋光後，先後在丙酮、乙醇、去離子水中超聲清洗，將靶材安裝在靶材翻轉裝置的多稜柱面上，打開燒蝕腔，將燒蝕池安裝在燒蝕腔的底面上，並固定好；
步驟3：在控制計算機內設置好靶材的移動路徑為旋轉，翻轉順序為順時針旋轉，翻轉時間參數每10min翻轉1面，設置好雷射器的工作參數：1064nm、10W，選擇好燒蝕模式：連續燒蝕；
步驟4：啟動雷射器進行燒蝕實驗，燒蝕結束後使用計算機控制TEM樣品運輸系統夾持TEM銅網浸入燒蝕液後取出，運輸至真空乾燥腔乾燥，乾燥後運輸至TEM觀察腔進行TEM觀察，同時記錄TEM觀察的感興趣位置；
步驟5：控制TEM樣品運輸系統運輸TEM銅網回燒蝕腔，重複步驟1-4觀察。
上面所述的實施例僅僅是對本發明的實施方式進行描述，並非對本發明的構思和範圍進行限定。在不脫離本發明設計構思的前提下，本領域普通人員對本發明的技術方案做出的各種變型和改進，均應落入到本發明的保護範圍，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內，不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。