[发明专利]一种产生亚稳相纳米颗粒束流和沉积纳米薄膜的气相方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米薄膜的气相制备方法，尤其是通过团簇束流产生产生纳米薄膜的气相方法。

背景技术

亚稳相是指在热力学平衡态条件下并非出于能量最低态的材料结构，以亚稳相结构为主的功能材料称为亚稳相材料。常见的亚稳相材料例如，金刚石(相对于石墨)、类钻碳、亚稳合金（钢材）和亚稳磁性氧化物等，或包括亚稳表/界面(比如某些高指数界面)的材料等。由于亚稳材料具有许多常规稳态材料所不具备的特殊性能，因此亚稳材料的超常条件加工技术（比如过高压、微重力、急冷、深过冷、强磁场、强电场、薄膜以及其他极端条件）一直是材料工程的关注点。纳米材料是当前材料研究的热点。人们期待，具有各种亚稳相结构和界面的纳米颗粒及其组装结构（如薄膜）将具有力热光电方面优异的性能。

本发明着力优化的团簇束流产生方法以及团簇束流源发展于20世纪七八十年代^1-2。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、Au₂₀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）^10-11、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M/ΔM高达20的束流成分选择。由于原子分子物理的研究较少以工业应用为诉求，所以以应用材料为导向的文章和专利都是比较少的，而以团簇束流为手段以亚稳相材料制备为目的的文献和专利则是完全没有。

以“团簇and束流”对我国发明专利的摘要进行检索，仅见到六项相关专利(200610037968.7；200710021318.8；200710023415.0；200810098905.1；201010514268.9；201010286912.1)，这六项专利都是与结构组装有关的，与本申请涉及的装置和束流方法发展无关，更无关亚稳材料。

现有国外专利文献中，按照产生团簇的种类，团簇束流源分为气体团簇束流和固体团簇束流源两类。本发明关注纳米颗粒的结构亚稳相，关注固态的纳米颗粒产生，所以也只关心固态前驱体的团簇，也即固体团簇束流源。固体团簇束流源是形成固体(如Ag、Au等，而非Ar、H₂等)原子簇的装置，则第一步要考虑采用溅射、激光烧蚀固体的方法形成原子气，然后进入“种”束阶段形成团簇束流。其重要的用途就是形成薄膜。相对于气体团簇源，这方面的工作无论是学术论文或是专利都少得多。最早采用团簇束流制备薄膜的美国发明专利(US4152478)授权于1979年，题目为vaporized-metal cluster ion source，介绍了一种产生含100-1000个原子的原子簇的产生方法，并将原子簇方法应用于薄膜沉积的工作。美国海军部1989年也申请了类似的专利制备团簇离子用于薄膜沉积(US5051582)。1996年也有类似题目的专利申请(US5582879)，采用一种极低气压(10^-5Torr)的前驱物制备团簇及其薄膜。日本的I.Yamada和德国H.Haberland组在固态团簇离子沉积方面做了持续的发展^14，16。这方面发展受到高质量镜面薄膜的支持。所以，Yamada和Haberland等组都把注意力放在平整薄膜的制备上，提出团簇离子束比原子束可以输运更多的质量和能量，这可以诉求纳米级别平整的薄膜，在光学材料中寻求应用，这些诉求还得到了军方的支持。但是目前尚未有对纳米颗粒结构相调控和亚稳相获得的关注。这也体现在文献上，如将metastable（亚稳）和cluster beam（团簇束流）同时输入进行专利和学术文献检索，完全没有相关的专利，学术论文也主要是气体团簇(He、Ar、NH₃或有机物等)或尺寸极小适用于原子分子研究的团簇。