[发明专利]一种制备具有密堆积结构的纳米超薄晶片的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及纳米材料制备领域。尤其是制备纳米超薄晶片的方法，采用团簇束流荷能沉积中利用单个颗粒携带能量接近颗粒总结合能的尺寸在几个纳米的团簇束流沉积在非定向的衬底上得到具有密堆积结构的超薄纳米晶片的方法。

二、背景技术

材料纳米化后，因其特征尺寸在纳米尺度而具有小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应因而表现出了崭新的物理和化学性质，纳米相材料因此而受到广泛的关注，而纳米材料的制备就是纳米科技发展和走向应用的最基础的一步。

目前很多方法都已经被报道用来制备纳米相材料，包括溶剂法、电化学法、化学气相沉积、物理气相沉积和球磨粉碎等等。团簇束流沉积方法是其中在尺寸控制、结构控制、规模化和通用性上表现比较出色的一种方法，它利用溅射和蒸发等方法将纳米化目的材料转化成为高浓度的蒸气，之后通过与大流量的惰性气体碰撞逐渐长大成为纳米颗粒，并且通过差分抽气的方法形成纳米颗粒的束流，最终将束流引向衬底或被加工表面完成纳米相结构和材料的制备。由于其独特的制备原理，所以纳米化的目的材料可以不受具体条件、实验装备和制备方法的约束，从而可以通用性的提供各种金属/非金属、易熔/难熔等多种可气化材料的纳米颗粒束流，另外纳米颗粒尺寸可以利用调节生长区长度、气体流量和喷孔结构等参数在1到数百纳米之间调节。所以，本发明将利用这种方法来进行超薄纳米晶片的制备。CN1871378一种沉积纳米结构材料的图案化涂层到衬底上的方法，包括：(1)形成包含纳米结构材料的溶液或悬浮液；(2)掩蔽该衬底至少一个表面的至少一部分；(3)将电极浸入溶液中。CN1901992可用于制备催化剂体系特别是在催化剂是经物理气相沉积而沉积到载体介质上时的催化剂、活化剂、载体介质及有关方法，均未涉及束流沉积。

本申请人申请的CN1810629采用气相聚集法团簇束流源(1)产生纳米粒子，通过绝热膨胀获得纳米粒子束流(5)，再经过准直器(4)进入高真空沉积室(6)而形成高度定向的纳米粒子束流；旋转衬底座，使衬底(7)与纳米粒子束流(5)成10°的入射角、并保持衬底(7)与阻挡掩模(11)位于纳米粒子束(5)的曝射区内，用于完成纳米粒子梯度阵列的沉积。未涉及纳米晶片的团簇束流制备。

纳米晶片因在一维受限表现出的新电子行为和热学、电学等奇异物理性质以及在未来纳米器件中的可能应用而受到广泛的关注，是纳米结构中最基础的组成单元之一。随着近几年纳米晶片物理性质方面研究的进展，超薄甚至单层的纳米晶片的制备和物理性质研究开始成为热点，《科学》、《自然》和《物理评论快报》等国际著名学术杂志都对超薄纳米晶片的制备和物理性质进行了多次报道，其中多种化学方法被报道用来制备超薄晶片，甚至有利用机械解理方法制备石墨单层晶片的成功范例(当然不能保证稳定可控)。

三、发明内容

本发明的目的是寻找通用性的制备超薄的纳米晶片的方法，尤其是采用团簇束流荷能沉积中利用单个颗粒携带能量接近颗粒总结合能的尺寸在几个纳米的团簇束流沉积在非定向的衬底上得到具有密堆积结构的超薄纳米晶片的方法。

本发明的技术解决方案是：制备具有密堆积结构的纳米超薄晶片的方法，采用气相团簇束流源产生颗粒直径在1到50纳米(尺寸分布集中)的纳米团簇束流，以纳米晶片的材料压制成为溅射靶材，并将其电离，加速，使得从其出发到衬底时的纳米颗粒能量在20-100keV(接近或刚超过颗粒的整个结合能)之间，衬底选用非取向的非晶衬底，将纳米颗粒束流高能沉积在衬底上，利用同步工作的石英晶振膜厚仪控制沉积材料厚度，最终实现超薄纳米薄片的制备。

团簇束流沉积方法利用溅射和蒸发等方法将纳米化目的材料转化成为高浓度的蒸气，之后通过与大流量的惰性气体碰撞逐渐长大成为纳米颗粒，并且通过差分抽气的方法形成纳米颗粒的束流，

本发明方法制备的纳米晶片具有密堆积结构(六方和面心立方)，厚度最薄可达几个纳米，也可以进一步生长达到几十纳米，横向尺寸可达数微米，而且本发明方法生长的纳米晶片的正面具有三次对称性，表面十分平整，而且在高真空下生长，可望在与目前半导体制备方法和工艺兼容的设备和未来纳米器件制备中实现应用。

本发明团簇束流荷能沉积中利用单个颗粒携带能量接近颗粒总结合能的尺寸在几个纳米的(包含10²个原子以上的，单个原子能量在5-10eV左右)团簇束流沉积在非定向的衬底上，得到具有密堆积结构的超薄纳米晶片的通用性的方法。