一種原子團簇束流的針對有機體的納米加工方法與設備與流程
2023-04-24 01:07:56 1
本發明涉及一種原子團簇束流的有機體的納米加工方法與設備。
背景技術：
原子團簇是一門介於原子物理、原子核物理與材料物理之間的交叉學科，該學科特徵性的提供一種團簇離子束流[1,2]，可以作為超淺注入和納米加工等等工業用途。其採用氣相凝聚合成納米糰簇的方法，就是首先利用蒸發、離子轟擊和雷射作用等產生高密度的目的材料分子蒸氣，之後通入高流量的低溫惰性氣體(緩衝)與之發生多體碰撞逐步凝聚生長成為納米糰簇的方法。其中，納米糰簇化的目的材料可以是能夠提供足夠蒸氣壓的或可以發生有效濺射的各種凝聚態材料，甚至可以是氣體，這保證了本設備的通用性；產生的納米糰簇顆粒的尺寸和結構可以通過調節材料分子蒸氣供應濃度、緩衝氣體流量和溫度、生長時間和生長室電氛圍等因素進行控制，產生的納米糰簇顆粒可以在生長室的合適區域進行收集。
基於類似原理的設備早在上個世紀後期就開始以團簇束流源的形式在實驗室中安裝使用了，大部分的設備都採用和分子束流源類似的裝置，高真空和差分抽氣[2]。早期的團簇束流源主要用於自由原子團簇的製備、平衡結構和電子能態的研究，隨著設備的不斷升級換代，日本物理學家I.Yamada等開始改造團簇束流設備將其專門用於工業製備高質量的納米薄膜[3,4]。後來，德國Freiburg的H.Haberland等對傳統的團簇束流源進行了以提供大顆粒大流量的束流的設計改造，並採用磁控濺射提供原子蒸氣，這大大拓寬了可能提供的團簇束流的目的材料的種類[5]。在上世紀末，美國RPI的R.Siegel等開始利用類似裝置製備金屬納米粉末並且註冊公司進行納米粉末銷售，該公司在Nasdaq上市並盈利，這標誌著納米粉體開始走向市場，目前多家公司(Oxford Inc，Micro Powder.Ltd)都開始向市場提供類似的團簇束流裝置。
然而，以往的團簇束流沉積或者注入加工都是在無機基底上開展的。這是因為，團簇束流在真空中飛行併到達表面，有機物的蒸氣壓一般都比較高，所以如果採用有機物作為待加工基底，則存在破壞真空的問題。然而，針對有機物的納米加工市場潛力巨大，值得我們對束流源的參數和工藝進行設計以達到在線加工的目的。
參考文獻：
[1].團簇物理學，王廣厚，上海科學技術出版社，2005；
[2].Cluster Beam Synthesis of Nanostructured Materials，P.Milani，S.Iannotta，Springer,1999；
[3].P.Milani and W.A.de Heer,Rev.Sci.Instrum.61,1835(1990)；
[4].I.Yamada,G.H.Takaoda,M.I.Current,Y.Yamashita and M.Ishii Nucl.Instrum.Meth.Phys.Res.B 74,341(1993)；
[5].H.Haberland,M.Karrais,M.Mall,and Y.Thurner,J.Vac.Sci.Technol.A 10,3266(1992)。
技術實現要素：
本發明目的是，提出將團簇束流用於有機加工的方法與設備。針對團簇束流在有機體加工主要工作在兩方面：1)提出一組適合有機物加工的條件，使得團簇束流適應低真空環境的散射問題，甚至到達大氣環境；2)設計一個裝置設備實現這一想法。
本發明的技術方案是，一種基於原子團簇束流的針對有機體的納米加工方法，利用團簇束流對於蒸氣壓比較高的有機物進行真空內的納米加工，實現納米顆粒到達有機物表面並進行功能化的效果；原子團簇離子達到1.5×108amu m/s(amu為原子單位)的動量；在工藝實現中，原子團簇束流的產生裝置有串聯的I室、II室和III室；通過I室、II室之間或/與II室、III室之間噴嘴角度的實現原子團簇束流等速度生長，噴嘴角度張開的角度為5到35度(與原子團簇束流前進方向的夾角)。蒸氣壓比較高的有機物指蒸氣壓在室溫條件下為0.1-100Pa的固體材料。
在工藝實現中，相對於一般的團簇束流沉積，可以引入I室、II室之間和II室、III室兩次噴嘴，實現增強的生長；
在工藝實現中，可以輔以直流的離子光學加速；電子透鏡，用於電子束成形、聚焦和利用電子束或離子束獲取電子光學成像的特定電磁場。常用的是旋轉對稱型聚焦透鏡。或靜電透鏡，在旋轉對稱型的若干個導體電極上分別加上一定的直流電壓所形成的旋轉對稱靜電場。例如，由等半徑或不等半徑的雙圓筒電極構成的浸沒透鏡；由等半徑或不等半徑的三個圓筒或三個光闌構成的單電位透鏡以及由陰極、調製極和陽極構成的陰極透鏡。或應用垂直於電子束運動方向的電場和磁場使電子束偏轉。
在工藝實現中，束流室III室輸出與待加工有機體室應由直徑小於5mm的小孔連接；
在工藝實現中，束流室III室輸出至待加工有機體室，在低真空中飛行的距離應儘可能小，一般為1cm左右(如0.8-1.5cm)。即束流室III室輸出至加工工作的距離1cm左右(如0.8-1.5cm)。有機物材料可以是聚氟橡膠、聚醯亞胺材料或人工植入假體材料。
本發明針對第一個問題，考慮到標準狀態下，空氣中粒子的平均自由程是0.1微米，其速度是大約500m/s。而一般性的器件和基體尺寸為釐米，也就是說，如果期望團簇離子在空氣中準確到達距離1釐米遠的有機低真空目標，至少需要碰撞100次而且不改變飛行方向.如果認為僅只能有1％動量的損失，也就是團簇離子要達到100*30amu*500m/s/1％的動量才有可能實現這一目標。
有益效果：本發明設定的適合有機物加工的條件，使得團簇束流適應低真空環境的散射問題，甚至到達大氣環境；有機物的團簇離子要達到100*30amu*500m/s/1％的動量才有可能實現這一目標。設計的裝置設備實現這一想法。有機物材料可以是聚氟橡膠、聚醯亞胺材料或人工植入假體材料均可以有良好的應用。
附圖說明
圖1團簇束流源室的改進結構；
圖2針對加工室的改進結構。
具體實施方式
如圖1所示，我們引入了限制噴嘴角度、引入二次噴嘴和延長生長區的方法實現進展。如圖2，我們設計差分抽氣，限制尺度，實現有機物的在線加工。
團簇得到加強的生長；實現各種質量組分等速度的團簇束流，或者對離子進行加速；採用差分抽氣的方法隔離束流真空與待加工樣品。
團簇束流源室，有串聯的I室、II室和III室；通過I室、II室之間或II室、III室之間噴嘴角度的實現原子團簇束流等速度生長，噴嘴角度張開的角度為5到35度有機物原子團簇束流的產生在I室、II室和III室；I室、II室和III室的長度尺寸比例為3：1：1；通過I室、II室之間或II室、III室之間噴嘴張開角度的實現原子團簇束流等速度生長，噴嘴角度張開的角度為5到35度(與原子團簇束流前進方向的夾角)。I室中設有蒸發或離子轟擊靶源裝置，用於產生材料分子蒸氣，I室中還設有通入高流量的低溫惰性氣體流向I室出口及II室進口的方向；產生的納米糰簇顆粒的尺寸和結構可以通過調節材料分子蒸氣供應濃度、低溫惰性氣體流量和溫度，另可控制生長時間和生長室電氛圍等因素進行控制，產生的納米糰簇顆粒可以在生長室的III室出口進行收集。有機物原子團簇束流在II室和III室中設有直流的離子光學加速裝置對有機物原子團簇束流加速。聚醯亞胺材料或人工植入假體材料在生長室內，尤其是薄膜狀材料生長條件更均勻。