CN102362006A - 沉淀基板上的金属层的离子束处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种沉淀在基板(30)上的金属层(10)的离子束(100)处理方法，包括步骤：金属层(10)的厚度efrag在0.2nm至20nm之间；离子加速电压在10kV至1000kV之间；金属层(10)的温度小于或等于Tf/3；并且每个表面单位的离子剂量选自1012离子/cm2至1018离子/cm2的范围，以便破碎金属层(10)，从而在基板表面上产生纳米颗粒形式的金属沉淀物(40)，其最大厚度为0.2nm至20nm和最大宽度为0.2至100nm。

Description

沉淀基板上的金属层的离子束处理方法
本发明的主题为适用于沉淀基板上的金属层的离子束处理的方法，其目的是能够由沉淀在基板上的金属层产生金属纳米颗粒。
术语“纳米颗粒”通常是指几十个至几千个原子的集合，其至少一个维度尺寸为纳米级的，例如在1nm至100nm之间。从维度尺寸的观点而言，所述纳米颗粒位于称为“宏观物体”和原子或分子的尺度之间。通常值得注意的是，这类物体的物理化学的特性完全不同于大尺寸物体所呈现出的特性。这类物体能得到一些更具有优势的应用，例如，在生物和医药、材料和化学合成、尤其是量子计算机中的微电子等领域。
因此，需要适用于产生纳米颗粒的方法，并能较佳地根据易于产业化的这些方法，能够以合理价格来提供大量的这类纳米颗粒。
本发明的目的在于提供一种生产纳米颗粒的廉价方法，从而有可能获得大量可满足多种应用需要的纳米粉末。
因此，本发明提出适用于沉淀基板上的金属层的离子束处理方法，其包括所述金属层的破碎(fragmentation)的步骤(a)，其中：
-金属层的厚度efrag在0.2nm至20nm(纳米)之间；
-离子束的离子选自下列元素的离子：氦(He)、硼(B)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)；
-离子加速电压大于或者等于10kV且小于或等于1000kV；
-金属层的温度小于或等于Tf/3，其中Tf为所述金属层的金属的熔化温度；
-每表面单位的离子剂量选自在1012离子/平方厘米至1018离子/平方厘米之间的范围内，使得金属层破碎，以便在基板表面上形成纳米颗粒形态的金属沉淀物，其最大的厚度在0.2nm至20nm之间且最大宽度在在0.2nm至100nm之间。
根据一个实施例，最大宽度小于或等于20nm。
根据一个实施例，最大厚度和宽度小于或等于10nm，或甚至小于或等于5nm。
在本发明的内容中，“破碎”是指尽可能使材料层破碎从而产生该层所述材料且相互绝缘的沉淀物的方法。因此，由该层破碎形成的沉淀物相互之间不具有材料的连续性。其结果是，这些沉淀物只存在于基板的表面且由没有该层材料的基板区域(即裸区)所隔开。
术语“覆盖率”表示在对基板表面进行破碎之后被该层材料所覆盖表面的比率。
因此，根据本发明的方法使得基板被非连续的沉淀物所覆盖，所述沉淀物的尺寸对应于通常称为纳米颗粒的尺寸。
根据一个实施例，覆盖率小于或等于90％，例如小于或等于50％。根据一个实施例，覆盖率在30％至10％之间。
在金属沉淀物之间的基板表面可等同为基板的初始表面；其也可以是部分经过离子研磨和/或经过化学修整的，例如与离子束的离子和/或表面氧化有关。
具有0.2nm至20nm之间厚度的金属层可以是连续的层，也可以是不连续的层。“不连续的层”表示由所述层的金属所覆盖的基板区域的层具有至少几平方纳米的表面尺寸，优选的为至少几千纳米的或甚至大于或等于一平方微米。
在本发明的内容中，沉淀物或层的厚度是指垂直于基板表面方向的尺寸。
在本发明的内容中，沉积物的宽度是指平行或正切于基板平面的尺寸。
根据步骤(a)处理的金属层可以通过在基板上沉淀需要厚度efrag的金属来获得或对沉淀在基板上厚度大于厚度efrag的金属层进行削薄来获得。在削薄的技术中，包括上述机械和/或化学抛光技术和应用喷射材料的研磨技术。
基板可以致密性的或多孔渗透性的。
沉淀于基板上的金属层可以采用诸如物理沉淀(例如：PVD或“物理气相沉淀”)、气体化学沉淀(诸如：CVD或″化学气相沉淀”)、液体介质的化学沉淀(例如：电解)等方法来获得。在多孔渗透性的基板的情况下，金属层可以通过液体浸渍进行沉淀，所述液体包括用于待沉积的金属；有可能采用氢六氯铂酸氢(hydrogen hexachloroplatinate(IV))来浸渍基板，然后在流动空气中以500℃对浸渍后的基板进行处理数小时，以获得一层铂层。
根据本发明离子及其这些离子轰击条件的选择使得它有可能在基板表面上获得纳米颗粒。
发明者发现根据本发明所选择的离子加速电压的范围和每个表面单位剂量的范围都有可能用于选择试验条件，在该试验条件下，由于离子轰击使得沉淀在基板上的金属层产生纳米颗粒变得可能。
此外，还发现根据本发明的方法可以执行“冷”处理，尤其在环境温度下，以及在实施本发明方法的过程中，金属层的温度应该保持小于或等于Tf/3的数值。因此，有利于所形成的纳米颗粒避免具有结合以及形成尺寸不宜控制的沉淀物的趋势。
根据本发明的每个表面单位离子剂量的剂量范围选择是预先校准步骤的结果，在所述预先校准步骤中，包括在基板上沉淀待处理的金属层的采样可以由选自He、B、C、N、O、Ne、Ar、Kr和Xe之一的离子来轰击。所述金属层的轰击可以根据本发明范围中在具有不同离子剂量的层的不同区域中执行，并且观测已处理的区域，以便根据待处理的纳米颗粒所需要尺寸的函数来选择合适的剂量。
于是，所处理的区域的观测可以通过纳米显微观测技术来实施，诸如隧道效应的显微镜和原子力显微镜。还有可能使用表面化学分析技术或物理化学技术来特征化已处理的区域，诸如吸附或气体转换技术。
不需要通过任何理论界定，可以启示出，在根据本发明条件下的离子轰击具有在纳米尺寸的“斩断”效应，以这样的方法，原子的重新排列允许形成最大厚度在0.2nm至20nm之间且最大宽度在0.2至100nm之间的金属沉淀物。有可能“调整”沉淀物的尺寸，通过改变离子束的参数可以获得所需要的特性。
根据能够相互组合的不同的实施例：
-每表面单位的离子剂量在1014离子/平方厘米至1017离子/平方厘米之间；
-金属层的厚度efrag在1nm至10nm之间；
-离子的加速电压在20kV至200kV之间；
-由具有结构紧凑和能量高效优点的电子回旋加速器
(ERC)源产生离子。
根据实施例，根据本发明的方法还包括在金属层破碎步骤(a)之前的金属层粉碎(pulverization)步骤(aa)，其包括通过离子轰击来减小沉淀在基板上的金属层的初始厚度(epulv+efrag)，直至达到所述厚度efrag。所述步骤(aa)有利于尽可能减小大于efrag的金属层的初始厚度，所使用的装置相同于厚度efrag的金属层破碎步骤(a)的装置。其优势在于，能够用离子轰击来粉碎原子。仅根据所采用的离子粉碎金属层表面原子的机理，来选择较佳的加速电压。要探寻的是尤其避免轰击离子变为注入离子。根据一个实施例，金属层粉碎步骤(aa)的离子加速电压在5kV至20kV之间。根据一个实施例，金属层粉碎步骤(aa)采用选择下列元素离子的重离子来执行：氩(Ar)、氪(Kr)和氙(Xe)。重离子的选择允许优化粉碎速度。
根据本发明方法的实施例，金属层的破碎步骤(a)选自下列元素离子的轻离子来执行：氦(He)、硼(B)、碳(C)、氮(N)、氧(O)和氖(Ne)。这样轻离子的选择允许优化破碎机理。
根据一个实施例，用于破碎金属层来产生金属沉淀物的每个表面单位的离子剂量的选择步骤使用预先建立的数据来执行，所述预先建立的数据能够以每个表面单位离子剂量的函数来表示金属层覆盖率的变化。这些数据可以基于通过X射线光电谱(XPS)所获得的金属层覆盖率的试验测试。
根据本发明方法的不同实施例，其可将下述的方法相互结合：
-基板和金属层相对于离子束以0.1mm/s至1000mm/s的速度VD移动。因此，可以移动样本，以便处理尺寸大于离子束的区域。移动速度VD可以是恒定的或是变化的。根据一个实施例，基板和金属层以及离子束都是固定的。根据另一个实施例，离子束扫描待处理的金属层。当离子束移动时，基板和金属层也可能是移动的。根据一个实施例，在多个N离子束以速度VD通过的条件下，可移动相同区域的金属层。因此，有可能采用对应于该区域完成N次通过所接收到的离子剂量之和的离子剂量来处理金属层的相同区域。还值得注意的是，若待处理的金属层尺寸允许破碎步骤(a)可以是静止的并且是一次或多次离子“闪烁”的结果；
-金属层由金属或该金属的合金所构成，其中金属选自：铁(Fe)，钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、铈(Ce)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)和金(Au)；
-基板由选自下列材料构成：陶瓷、玻璃、半导体、金属和聚合体。在能用作为基板的陶瓷中，可以是但并不局限于氧化铝(Al2O3)、氧化铪(HfO2)、氧化锌(ZrO2)以及氧化硅(SiO2)；基板也可以是石墨或者硅的；如果基板是金属，较佳的是采用不同于待处理金属层的金属种类所构成；例如，基板为金属且由采用诸如平板或带钢形式的不锈钢所构成；根据一个实施例，基板为采用诸如平板或薄膜形式的聚合物，且使用离子轰击，以便交联所述聚合物且尤其能对其进行修复；
-基板由粉末形状的材料构成且采用层状低真空进行离子束处理；于是有可能处理例如通过浸渍所获得的金属层所覆盖着的粉末；其中，例如形成基板的粉末为氧化铝或人工硅酸盐的粉末。术语“层状低真空”表示相对于通常抽速明显降低抽速所获得的低真空，可避免在封闭容器内的气体紊乱，这种气体紊乱容易引起粉末的吸附。这可以在通过例如在初级泵之前设置一系列叶片来减小在封闭容器和泵之间导通条件下实现。
本发明还涉及在基板表面上覆盖纳米颗粒形式的金属沉淀物的基板，根据本发明方法的实施例之一所获得的金属沉淀物的最大厚度在0.2至20nm之间以及最大宽度在0.2至100nm之间，所述金属沉淀物占据基板表面的1％至90％之间，且所述基板的裸表面分别为99％至10％。
金属沉淀物的数量可以根据诸如使用的需要。实际上，有可能设计以非常少量(它的表面很小百分比的量级)的金属沉淀物所覆盖的基板，其中这些金属沉淀物可以对所需应用作出很好的反应。对另一些应用，可能需要获得大量覆盖的基板，例如覆盖表面超过70％，以大大增加反应的位置。值得注意的是，对于诸如催化应用等多种应用，相对于具有金属沉淀物的基板表面的10％至60％的覆盖率，就有可能获得满意的结果。根据一个实施例，催化应用的覆盖率为10％至30％；根据另一个实施例，催化应用所需的覆盖率为30％至60％。
本发明还涉及不同种类的催化装置，其包括气体或液体变化区域且所述区域至少包括一个根据本发明的金属沉淀覆盖的基板。
根据一个实施例，不同种类的催化装置为催化转换器，旨于限制在机动车废气中的有害物质。因此，氧化物催化剂通过在较低温度下改善的反应特性来获得。
根据本发明，覆盖金属沉淀物的基板可应用于多个其它不同的技术领域，例如，涉及燃料电池、石油或石油产品处理(例如，提炼和除硫)等领域。
本发明的其它特点和优点将通过下述非限制性实施例以及参考下列附图的阐述而更加清晰，附图包括：
-图1a至1c示出根据本发明方法的一个实施例的不同步骤；
-图2a至2c示出了根据本发明进行处理的样品的表面；
-图3示出了以样品接收剂量为函数的Pt/Si比率的变化；
-图4，5a和5b示出了根据本发明方法进行处理过的样品表面的XPS频谱；
-图6至图9示出了在y轴上的覆盖率S随着给定金属层
和离子，以每表面单位离子剂量的函数变化的实例。
为了能清晰地阐述，这些附图所示出的不同元件的尺寸无需与其实际尺寸成比例。在不同附图中的相同的标示符号对应于相同的部分。
图1a至1c示出了实现根据本发明方法的一个实施例的不同步骤。
诸如铂10的金属层20沉淀在诸如硅所构成的基板30上，如图1a所示。
金属层是连续的且其初始厚度等于epulv+efrag，例如在几个纳米或甚至是一个微米的量级上。离子束100扫描金属层的表面，例如首先以箭头150的方向，然后以箭头相反的方向，使得金属层表面的相同区域都能经过离子束的几次扫描。
对第一步骤(aa)，选择束100的离子并且调整它们的加速电压，以粉碎(pulverize)金属表面的部分20，以便减小表面厚度至efrag，其在0.2nm至20nm之间。
将初始的金属层的厚度减小至所需厚度efrag之后，进行图1b所示的破碎步骤。
束100的离子可相同于先前步骤所使用的离子，或者先前步骤(aa)可选择重离子而当前粉碎步骤(a)可选择轻离子。选择它们的加速电压和每表面单位离子剂量，以破碎金属层10，从而产生金属沉淀物40，其最大厚度在0.2nm至20nm之间且其最大宽度在0.2nm至100nm之间，如图1c所示。
根据本发明的实施例，在硅基板上沉淀10nm的铂(Pt)、铜(Cu)、镍(Ni)、铁(Fe)的金属层的样品，已经开展了采用ECR源激发的氮离子进行处理的研究。
离子束包含强度大约为20μA的N+离子和强度大约为20μA的N2+离子；提取电压和加速电压都为45kV；N+的能量为45keV而N2为90keV。
该束具有边长为2mm的基本正方形；待处理的样品以40mm/s的速度每个循环向前1mm横向台阶的移动。
表1至3示出具有Pt层(表1)、Cu层或Ni层(表2)和Fe层(表3)的结果。
具有铂层的结果可由测试和观测来获得。金属层的质地结构在所述测试之后确定。
具有Cu或Ni或Fe层的结果可由预先测试和推测来获得。
Figure BPA00001443888200101
表1
Figure BPA00001443888200102
表2
Figure BPA00001443888200111
表3
值得注意的是，在上述束和初始金属层厚度的条件下，铂纳米颗粒可由2至3×1016离子/cm2量级的剂量来产生，铜或镍纳颗粒可由3至4×1016离子/cm2量级的剂量来产生，以及铁离纳米颗粒可由4至6×1016离子/cm2量级的剂量来产生。正如在上述不同表中所提及，在粉碎处理的过程中破碎金属层的某些原子。
沉淀在硅基板上并在上述条件下进行处理的铂层样品的表面可用原子力显微镜(AFM)和X射线光电谱仪(XPS，也称之谓ESCA或“用于化学分析的电子光谱”)进行观测。
图2a，2b，2c分别示出在经过0通过次数(处理前)、50通过次数(即，2.5×1016离子/cm2的剂量量级)、100通过次数(即，5×1016离子/cm2的剂量量级)之后硅基板上的铂金层区域的AFM观察图。所观察的区域对应于边长为500nm的正方形区域。在高度的峰值和谷底之间的最大差值在图2a中为20nm的量级，在图2b和2c中为2nm的量级。
值得注意的是，图2a所示的铂层是连续的；图2b所示的铂层是已经破碎的，并形成厚度为2nm和宽度为20至50nm的沉淀物；这些沉淀物是由已经暴露的硅基板分隔开；在经过100通过次数之后，铂层就消失，并在图2c中可以观察到硅基板。
图3示出了采用XPS测试的Pt/Si原子集中度的变化(见Y轴)，其表示为在诸如一定剂量下的离子束条件下通过次数N的函数。
表4示出了这些结果以及Pt∶(Pt+Si)比率，还有测试得到的氧的原子百分比。
  通过次数   Pt/Si   Pt/(Si+Pt)   O(％)
  0   9.9   91％   17
  40   0.84   46％   32
  50   0.72   42％   34
  60   0.47   32％   32
  70   0.50   33％   27
表4
值得注意的是，在经过0通过次数时可监测到少量的Si，可能对应一些铂没有覆盖的基板区域或者对应在铂层下的基板发射出的Si。
在经过40通过次数之后，铂的数量就极大减少，并且可推测出基板表面大约40％至50％仍然被铂所覆盖着以及表面的其余部分仍旧暴露着硅。该观察也得到了随着铂数量减少的同时可观察到氧水平的增加的事实的支持。这种增加有利于已经暴露的基板的硅的氧化，于是可以确认铂的沉淀物被没有铂的基板区域所围绕着。
图4示出了在0至15eV之间的键能范围(x轴)内的XPS测试结果，示出了样品经过0通过次数(曲线41)和经过50通过次数(曲线42)之后每秒测量到的计数数量(见y轴)。值得注意的是，能量峰值的移动，这意味着在离子轰击效应下铂层质地结构的改变。
图5a和5b示出了在0至1200eV之间的键能范围(见x轴)内的XPS能谱，示出了在样品经过0通过次数(图5a)和经过70通过次数(图5b)之后的计数数量(见y轴，千数量每秒)。特别监测的峰值变化是对应于O1s(51，501)、Sn2p3(52)、N1s(53)、C1s(54，504)、Si2s(55，505)、Pt4f(56，506)的峰值。这就确认了70次通过之后满足基板暴露的Si2s的大大增。
从基板上的铂层所获得并经过根据本发明的处理的样品可用于催化测试。在离子轰击后，200至250℃的铂覆盖的基板上通过含有CO的气体，并关注CO的氧化，从而验证样品的催化活性。在上述条件下，经过100通过次数之后，这种活性就消失了。
此外，包括铂沉淀物(1至100nm3)的样品，沉淀物精细分布和沉淀在多孔氧化铝所构成的单片组件上，也可以根据本发明进行处理。值得注意的是，为了以形成更小更多的沉淀物，可以采用平均能量为60keV、剂量为1013至1014离子/cm2之间的氮离子来实现破碎将初始铂沉淀物的分段。通过对甲烷CH4的氧化物中进行测试。在其它测试条件相同时，在实验确定存在不同的催化剂的条件下，可获得CH4达到50％的转换的温度T50％。值得注意的是，与由1至10nm3的初始沉淀物所构成催化剂(T50％大约为600℃)的情况相比，在由根据本发明的破碎铂沉淀物所构成催化剂的情况下，该温度下降了大约20％(T50％大约为580℃)。
图6至9示出了以1015离子/cm2表示的离子剂量的函数以及以％表示的覆盖率s变化的实施例。
这些附图及其所阐述的技术进一步说明了根据本发明为了破碎金属层以便产生金属沉淀物而选择每表面单位的离子剂量的步骤的实施例。
根据该实施例，给定的金属层(给定金属、给定厚度)的覆盖率的变化是作为给定能量的给定类型离子的离子剂量的函数来实验确定的，并且这种关系有可能复制已经建立实验研究所获得的技术，从而确定其它金属层和/或其它离子和/或离子的其它能量所获得的覆盖率。
图6示出了对硅基板上沉淀10nm初始厚度的铂层进行覆盖率测试的结果。使用的离子是由ERC源产生的、具有两种电荷状态(N+和N2+)的氮离子。这些离子的加速电压是40kV。因此，可以获得40keV和80keV的离子，并预估这些离子的平均能量为60keV。
在上述离子以不同的剂量进行轰击之后，采用X射线的光电谱仪(XPS)对上述多个Pt层的样品进行覆盖率的测量。
图6中所画出的菱形标志对应实验点，并且曲线60对应插入的曲线。在该实施例中，值得注意的是，Pt层的覆盖率初始为90％量级(初始样本，在离子轰击之前)，在3×1015离子/cm2的情况中大约为50％的覆盖率以及在6×1015离子/cm2的情况中大约为10％的覆盖率。
基于曲线60的形状表示作为剂量函数的覆盖率对应于Fermi-Dirac类型统计曲线的假设来选用试验点。发明人开发了一种预测模型，该模型有可能从这类曲线参数中推断出，可有效地用于预测在不同于已经获得参考曲线条件的情况下表示作为剂量函数的覆盖率的曲线。
曲线60表现由图6所示试验数据所获得的参考曲线，适用于以60keV平均能量的氮离子来轰击10nm的铂层。
籍助于本发明所开发的模型，可以从该参考曲线60中提取出一些预测数据。
根据所采用的假设，表示作为剂量d函数的覆盖率S的变化率对应下述方程：
S(d)＝1/[1+exp(4×a(d-d50))]，
式中：
d为离子剂量；
d50为对应于50％覆盖率的剂量；
a为曲线60在对应50％覆盖率的点上的斜率。
这在d50＝e×s/V的条件下成立：
式中：
e为金属层的初始厚度；
s为撞击的表面；
V为撞击的体积；
(e、s和V采用相同尺寸单位来表示，例如以nm)。
此外，s＝2×a以及V＝e×1014/d50也成立，
式中：
V以nm3表示，e以nm表示；
d50以1015离子/cm2表示。
在图6所示的实施例中，10nm的Pt层采用平均能量60keV的离子进行轰击，可以推测出：
V＝0.33nm3以及s＝0.35nm2。
值得注意的是，从上述等式中，在已经确定参数s和V的离子轰击条件下，可以很简单地预测出作为给定类型金属层初始厚度e的函数的覆盖率的变化。
考虑到在厚度e1情况下已经确定了这些参数，则在同类具有厚度e2的金属层的情况下：
S(d，e2的情况下)＝1/[1+exp(2×s(d-e2×s/V))]
从上述这些数据，发明人已经显示，通过实施基于给定金属、给定入射离子和给定能量的粉碎率的预测计算方法，就有可能预测在不同于图6所示试验条件的条件下作为离子剂量函数的覆盖率的变化。“粉碎率p”定义为每一个入射离子所释放的原子的数量。
基于给定金属、给定入射离子以及给定能量的粉碎率的预测计算是基于物质粒子的相互作用的物理原理。有可能用于这些计算的方法和数据已在下述文献中进行具体阐述：“The Stopping and Range ofIons in Matter”作者(J.F.Ziegler，volumes 2-6，Pergamon Press，1977-1985)和，“The Stopping and Range of Ions in Solids”作者(J.F.Ziegler，J.P.Biersack、U.Littmark，Pergamon Press，New York，1985(new edition in 2009)J.P.Biersack、L.Haggmark，Nucl.Instr.andMeth.，vol.174，257，1980)。
此外，已经开发了软件并投入了市场，以便促进或执行这样的计算，例如由James F.Ziegler开发且已投入市场称为“SRIM”(“TheStopping and Range of Ions in Matter”)和“TRIM”(“The Transport ofIons in Matter”)的软件。
因此，在不同平均能量(20、60和100KeV)下由给定入射离子(He，N，Ar)产生的铂粉碎率p所获得的预测如表5所示。
Figure BPA00001443888200171
表5
也有可能获得同类入射离子对不同金属的粉碎率p的预测。Au、Pt和Fe在不同平均能量的氮离子的情况下的结果如表6所示。
Figure BPA00001443888200172
表6
于是，有可能预测对应能量的任何类型离子和不同靶金属的新参数s和v。为此目的，可以认为撞击体积V正比于粉碎率p以及撞击表面正比于p2/3。已知由参考曲线60所获取的撞击体积和撞击表面以及与曲线60条件有关的粉碎率和与新的离子类型、新的能量、新的靶金属有关的这些参数，就有可能相应推导出新的撞击积和新的撞击表面。
在此基础上，就有可能例如预测出如图6(10nm厚度)所讨论类型的铂层的作为轰击所使用氮离子的平均能量的函数的覆盖率的变化。因此，图7示出了具有20keV平均能量的氮离子(曲线71)、具有60keV平均能量的氮离子(曲线72，相同于参考曲线60)以及具有100keV平均能量的氮离子情况下所确定的覆盖率。
表7显示通过一些计算就有可能确定下述参数。
Figure BPA00001443888200181
表7
假设所需的破碎范围是在10％至30％的覆盖率(如图7中范围ΔS所表示)的情况下获得的，则有可能预测所要使用的离子剂量，以便获得这样的结果：
当N为20keV，对应剂量范围d71大约在3至5×1015离子/cm2之间；
当N为60keV，对应剂量范围d72大约在4至6×1015离子/cm2之间；
当N为100keV，对应剂量范围d73大约在5至8×1015离子/cm2之间。
值得注意的是，入射氮离子的能量增加得越大，则为获得所需破碎的离子剂量就必须增加得越大。
根据另一个实施例，在相同的平均能量以及上述讨论的具有10nm厚度铂层的情况下，有可能预测出作为离子类型的函数的覆盖率的变化。
于是，图8分别示出了氩离子(Ar)(曲线81)、氮离子(N)(曲线82，相同于曲线60和曲线72)、氦离子(He)(曲线83)以及这些离子具有60keV平均能量的情况下所确定的覆盖率。
通过计算有可能确定下述参数，如表8所示：
Figure BPA00001443888200191
表8
基于上述相同的假设，为了获得所需破碎而要确定所要使用的离子剂量的范围，并获得下述参数：
对Ar，对应剂量范围d81大约在1至1.5×1015离子/cm2；
对N，对应剂量范围d82大约在4至6.5×1015离子/cm2；
对He，对应剂量范围d83大约在9至13×1015离子/cm2。
根据另一实施例，有可能对60keV的氮离子轰击相同厚度(10nm)的不同金属层的覆盖率的变化进行评估。
籍助于表6中的数据可以确定覆盖率，图9画出了金的金属层情况(曲线91)以及铂或铁的金属层情况(曲线92，类同于曲线60、71和82)。
考虑上述已经建立的条件，在金的情况下所需离子剂量可确定在大约3至4×1015离子/cm2之间，在铂或铁的情况下所需离子剂量可确定大约在4至6×1015离子/cm2之间。
因此，不证自明，有可能结合上述的计算和结果来确定所需要的剂量，以便进行对可能组合所需要的破碎，尤其是层的金属类型、层的厚度、用于处理的离子类型及其这些离子的能量。
因此，有可能进行每单位表面离子剂量的选择，以便以预测的方法来破碎金属层。
值得注意的是，对离子束处理过的样品的实验观察有可能用于确认或调整所选择的离子剂量范围。这种观察可具体采用XPS来实施。
本发明不限制于上述实施例的类型，并应该理解成非限制性的和包括任何相似的实施例。应该注意的是，虽然已经阐述了具有Pt、Cu、Ni、Fe金属层的实施例，但根据本发明的方法还可采用多种金属来实施，以便获得纳米尺度的金属沉淀物。

Claims (15)

1.一种适用于沉淀在基板(30)上的金属层(10)的离子束处理(100)方法，其特征在于，包括所述金属层的破碎的步骤(a)：
-金属层(10)的厚度efrag在0.2nm至20nm(纳米)之间；
-离子束的离子选自下列表中的元素的离子：氦(He)、硼(B)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)；
-离子加速电压大于或者等于10kV且小于或等于1000kV；
-金属层(10)的温度小于或等于Tf/3，其中Tf为所述金属层(10)金属的熔化温度；
-每表面单位离子剂量的范围在1012离子/平方厘米至1018离子/平方厘米之间，以便破碎金属层(10)，从而在基板表面上形成纳米颗粒形态的金属沉淀物(40)，其最大的厚度在0.2nm至20nm之间和最大宽度在0.2至100nm之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每个表面单位的离子剂量在1014离子/平方厘米至1017离子/平方厘米之间。
3.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述金属层(10)的厚度efrag在1nm至10nm之间。
4.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述离子加速电压在20kV至200kV之间。
5.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，在金属层粉碎步骤(a)之前，还包括金属层破碎步骤(aa)，其包括采用离子轰击方式来减小沉淀在基板(20)上的金属层(20、10)的初始厚度epulv+efrag直至所述金属层达到厚度efrag。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述金属层迫碎步骤(aa)的离子加速电压在5kV至20kV之间。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述金属层(20)粉碎步骤(aa)选自列表中的元素离子的重离子来实施：氩(Ar)，氪(Kr)和氙(Xe)。
8.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述金属层(10)破碎步骤(a)选自列表的元素离子中的轻离子来实施：氦(He)、硼(B)、碳(C)、氮(N)、氧(O)和氖(Ne)。
9.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述基板(30)和金属层(10、20)相对于离子束(100)以0.1mm/s至1000mm/s的速度VD移动，并且金属层(10、20)的相同区域可以在离子束(100)下以速度VD多次N通过移动。
10.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，实施选择每个表面单位的离子剂量以便破碎金属层(10)从而产生金属沉淀物(40)的步骤，使用预先建立的数据能够以每个表面单位的离子剂量的函数来显示金属层覆盖率的变化。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述数据有可能显示覆盖率的变化是基于采用X射线光电谱仪(XPS)所获得的金属层覆盖率的实验测试结果。
12.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述金属层(10、20)由金属或金属合金所构成，其中所述金属选自：铁(Fe)，钴(Co)，镍(Ni)、铜(Cu)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、铈(Ce)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)和金(Au)。
13.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述基板(30)由粉末状的材料所构成并采用离子束(100)以分层低真空方式进行处理。
14.一种在基板表面覆盖纳米颗粒形式的金属沉淀物的基板(30)，其最大厚度在0.2nm至20nm之间，最大宽度在0.2nm至100nm之间，所述基板通过上述任一权利要求的方法来获得，其中所述金属沉淀物覆盖率在基板表面的1％至90％之间，而基板表面的暴露率在99％至10％之间。
15.一种多相催化装置，其包括气体或液体的转换区域，所述区域至少包括一个根据权利要求1至13任一所述的方法所获得的金属沉淀物(40)覆盖的基板(30)。
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