CN106119802B - 一种原子团簇束流的针对有机体的纳米加工方法与设备 - Google Patents

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Abstract

一种基于原子团簇束流的针对有机体的纳米加工方法，利用团簇束流对于蒸气压高的有机物进行真空内的纳米加工，实现纳米颗粒到达有机物表面并进行功能化生长；原子团簇离子达到1.5×108amu m/s的动量；指蒸气压在室温条件下为0.1‑100Pa的固体材料。有机物原子团簇束流的产生装置有串联的I室、II室和III室；通过I室、II室之间或/与II室、III室之间喷嘴张开角度的实现原子团簇束流等速度生长，喷嘴角度张开的角度为5到35度。

Description

一种原子团簇束流的针对有机体的纳米加工方法与设备
技术领域
本发明涉及一种原子团簇束流的有机体的纳米加工方法与设备。
背景技术
原子团簇是一门介于原子物理、原子核物理与材料物理之间的交叉学科，该学科特征性的提供一种团簇离子束流[1,2]，可以作为超浅注入和纳米加工等等工业用途。其采用气相凝聚合成纳米团簇的方法，就是首先利用蒸发、离子轰击和激光作用等产生高密度的目的材料分子蒸气，之后通入高流量的低温惰性气体(缓冲)与之发生多体碰撞逐步凝聚生长成为纳米团簇的方法。其中，纳米团簇化的目的材料可以是能够提供足够蒸气压的或可以发生有效溅射的各种凝聚态材料，甚至可以是气体，这保证了本设备的通用性；产生的纳米团簇颗粒的尺寸和结构可以通过调节材料分子蒸气供应浓度、缓冲气体流量和温度、生长时间和生长室电氛围等因素进行控制，产生的纳米团簇颗粒可以在生长室的合适区域进行收集。
基于类似原理的设备早在上个世纪后期就开始以团簇束流源的形式在实验室中安装使用了，大部分的设备都采用和分子束流源类似的装置，高真空和差分抽气[2]。早期的团簇束流源主要用于自由原子团簇的制备、平衡结构和电子能态的研究，随着设备的不断升级换代，日本物理学家I.Yamada等开始改造团簇束流设备将其专门用于工业制备高质量的纳米薄膜[3,4]。后来，德国Freiburg的H.Haberland等对传统的团簇束流源进行了以提供大颗粒大流量的束流的设计改造，并采用磁控溅射提供原子蒸气，这大大拓宽了可能提供的团簇束流的目的材料的种类[5]。在上世纪末，美国RPI的R.Siegel等开始利用类似装置制备金属纳米粉末并且注册公司进行纳米粉末销售，该公司在Nasdaq上市并盈利，这标志着纳米粉体开始走向市场，目前多家公司(Oxford Inc，Micro Powder.Ltd)都开始向市场提供类似的团簇束流装置。
然而，以往的团簇束流沉积或者注入加工都是在无机基底上开展的。这是因为，团簇束流在真空中飞行并到达表面，有机物的蒸气压一般都比较高，所以如果采用有机物作为待加工基底，则存在破坏真空的问题。然而，针对有机物的纳米加工市场潜力巨大，值得我们对束流源的参数和工艺进行设计以达到在线加工的目的。
参考文献：
[1].团簇物理学，王广厚，上海科学技术出版社，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.IshiiNucl.Instrum.Meth.Phys.Res.B 74,341(1993)；
[5].H.Haberland,M.Karrais,M.Mall,and Y.Thurner,J.Vac.Sci.Technol.A10,3266(1992)。
发明内容
本发明目的是，提出将团簇束流用于有机加工的方法与设备。针对团簇束流在有机体加工主要工作在两方面：1)提出一组适合有机物加工的条件，使得团簇束流适应低真空环境的散射问题，甚至到达大气环境；2)设计一个装置设备实现这一想法。
本发明的技术方案是，一种基于原子团簇束流的针对有机体的纳米加工方法，利用团簇束流对于蒸气压比较高的有机物进行真空内的纳米加工，实现纳米颗粒到达有机物表面并进行功能化的效果；原子团簇离子达到1.5×108amu m/s(amu为原子单位)的动量；在工艺实现中，原子团簇束流的产生装置有串联的I室、II室和III室；通过I室、II室之间或/与II室、III室之间喷嘴角度的实现原子团簇束流等速度生长，喷嘴角度张开的角度为5到35度(与原子团簇束流前进方向的夹角)。蒸气压比较高的有机物指蒸气压在室温条件下为0.1-100Pa的固体材料。
在工艺实现中，相对于一般的团簇束流沉积，可以引入I室、II室之间和II室、III室两次喷嘴，实现增强的生长；
在工艺实现中，可以辅以直流的离子光学加速；电子透镜，用于电子束成形、聚焦和利用电子束或离子束获取电子光学成像的特定电磁场。常用的是旋转对称型聚焦透镜。或静电透镜，在旋转对称型的若干个导体电极上分别加上一定的直流电压所形成的旋转对称静电场。例如，由等半径或不等半径的双圆筒电极构成的浸没透镜；由等半径或不等半径的三个圆筒或三个光阑构成的单电位透镜以及由阴极、调制极和阳极构成的阴极透镜。或应用垂直于电子束运动方向的电场和磁场使电子束偏转。
在工艺实现中，束流室III室输出与待加工有机体室应由直径小于5mm的小孔连接；
在工艺实现中，束流室III室输出至待加工有机体室，在低真空中飞行的距离应尽可能小，一般为1cm左右(如0.8-1.5cm)。即束流室III室输出至加工工作的距离1cm左右(如0.8-1.5cm)。有机物材料可以是聚氟橡胶、聚酰亚胺材料或人工植入假体材料。
本发明针对第一个问题，考虑到标准状态下，空气中粒子的平均自由程是0.1微米，其速度是大约500m/s。而一般性的器件和基体尺寸为厘米，也就是说，如果期望团簇离子在空气中准确到达距离1厘米远的有机低真空目标，至少需要碰撞100次而且不改变飞行方向.如果认为仅只能有1％动量的损失，也就是团簇离子要达到100*30amu*500m/s/1％的动量才有可能实现这一目标。
有益效果：本发明设定的适合有机物加工的条件，使得团簇束流适应低真空环境的散射问题，甚至到达大气环境；有机物的团簇离子要达到100*30amu*500m/s/1％的动量才有可能实现这一目标。设计的装置设备实现这一想法。有机物材料可以是聚氟橡胶、聚酰亚胺材料或人工植入假体材料均可以有良好的应用。
附图说明
图1团簇束流源室的改进结构；
图2针对加工室的改进结构。
具体实施方式
如图1所示，我们引入了限制喷嘴角度、引入二次喷嘴和延长生长区的方法实现进展。如图2，我们设计差分抽气，限制尺度，实现有机物的在线加工。
团簇得到加强的生长；实现各种质量组分等速度的团簇束流，或者对离子进行加速；采用差分抽气的方法隔离束流真空与待加工样品。
团簇束流源室，有串联的I室、II室和III室；通过I室、II室之间或II室、III室之间喷嘴角度的实现原子团簇束流等速度生长，喷嘴角度张开的角度为5到35度有机物原子团簇束流的产生在I室、II室和III室；I室、II室和III室的长度尺寸比例为3：1：1；通过I室、II室之间或II室、III室之间喷嘴张开角度的实现原子团簇束流等速度生长，喷嘴角度张开的角度为5到35度(与原子团簇束流前进方向的夹角)。I室中设有蒸发或离子轰击靶源装置，用于产生材料分子蒸气，I室中还设有通入高流量的低温惰性气体流向I室出口及II室进口的方向；产生的纳米团簇颗粒的尺寸和结构可以通过调节材料分子蒸气供应浓度、低温惰性气体流量和温度，另可控制生长时间和生长室电氛围等因素进行控制，产生的纳米团簇颗粒可以在生长室的III室出口进行收集。有机物原子团簇束流在II室和III室中设有直流的离子光学加速装置对有机物原子团簇束流加速。聚酰亚胺材料或人工植入假体材料在生长室内，尤其是薄膜状材料生长条件更均匀。

Claims (8)

1.一种基于原子团簇束流的针对有机体的纳米加工方法，其特征是利用团簇束流对于蒸气压高的有机物进行真空内的纳米加工，实现纳米颗粒到达有机物表面并进行功能化生长；原子团簇离子达到1.5×108amu m/s的动量；所述有机物指蒸气压在室温条件下为0.1-100Pa的固体材料；
有机物原子团簇束流的产生装置设有串联的I室、II室和III室；通过I室、II室之间或/与II室、III室之间喷嘴张开角度实现原子团簇束流等速度生长，喷嘴角度张开的角度为5到35度。
2.根据权利要求1所述的基于原子团簇束流的针对有机体的纳米加工方法，其特征是有机物原子团簇束流在II室和III室辅以直流的离子光学加速。
3.根据权利要求1所述的基于原子团簇束流的针对有机体的纳米加工方法，其特征是III室输出与待加工有机体室应由直径小于5mm的小孔连接。
4.根据权利要求1所述的基于原子团簇束流的针对有机体的纳米加工方法，其特征是III室输出至待加工有机体室，在低真空中飞行的距离应尽可能小， III室输出至加工工作的距离0.8-1.5cm。
5.一种基于原子团簇束流的针对有机体的纳米加工的团簇束流源室，其特征是团簇束流源室设有串联的I室、II室和III室；通过I室、II室之间或/与II室、III室之间喷嘴角度的实现原子团簇束流等速度生长，喷嘴角度张开的角度为5到35度有机物原子团簇束流，产生在I室、II室和III室； I室中设有蒸发或离子轰击靶源装置，用于产生材料分子蒸气，I室中还设有通入高流量的低温惰性气体流向I室出口及II室进口的方向；产生的纳米团簇颗粒的尺寸和结构通过调节材料分子蒸气供应浓度、低温惰性气体流量和温度决定，产生的纳米团簇颗粒在生长室的III室出口进行收集。
6.根据权利要求5所述的基于原子团簇束流的针对有机体的纳米加工的团簇束流源室，其特征是有机物原子团簇束流在II室和III室辅以直流的离子光学加速。
7.据权利要求5所述的基于原子团簇束流的针对有机体的纳米加工的团簇束流源室，其特征是III室输出与待加工有机体室由直径小于5mm的小孔连接。
8.据权利要求5所述的基于原子团簇束流的针对有机体的纳米加工的团簇束流源室，其特征是III室输出至加工工作的距离0.8-1.5cm。
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