CN108193175A - 同批次制备多种不同成分含量的合成材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同批次制备多种不同成分含量的合成材料的方法，该方法的步骤包括：提供激光发生器，并以指定强度发射激光射线；在真空条件下，控制激光射线依次循环向预先准备的不同位置的多种具有不同材料成分的靶材聚焦并照射指定时间间隔；提供一正对靶材设置的基板，靶材经激光射线照射后溅射出靶材原子，并沉积到基板上，使所述基板上形成的每种材料具有相同的多种组分并且每种组分含量比值不同。通过本发明，能够在不降低激光器可调能量的最大值的情况下实现激光的分时切换，溅射多个靶材，以实现同批次生成多种不同成分含量的合成材料的目的。

Description

同批次制备多种不同成分含量的合成材料的方法

技术领域

本发明涉及材料合成领域，特别是涉及一种同批次制备多种不同成分含量的合成材料的方法。

背景技术

材料高通量实验要求在短时间内完成大量样品的制备与表征，其核心的思想是将传统材料研究中采用的顺序试错方法改为并行处理，通过短时间制备大量的样品，完成大量的实验，从而大大加速材料研发的效率。作为“材料基因组技术”三大要素之一，高通量实验扮演着承上启下的关键角色。高通量组合材料芯片技术是在一块较小的基片上同时集成生长成千上万乃至上百万种不同组分、结构和性能的材料，并通过自动扫描式或并行式快速表征技术获得材料成分、结构和性能等关键信息，快速构建多元材料相图或材料数据库，从中快速筛选出性能优良的材料或快速找到材料的“组分-结构-性能”关联性，以此提高材料研发的效率。

高通量组合材料芯片的制备过程通常分为“沉积”和“混合”两个步骤，其中“沉积”是将不同组成的材料按照一定顺序和组合比例规律进行顺序堆叠，然后通过高温热处理的方式使材料发生均匀混合和成相的过程。传统的高通量方法通常为{AAABBBCCCDDD}式组合，会形成层状堆叠或者混合不均匀等缺点；本技术利用梯度分布{ABCDABCDABCD}式组合，一次性成相，能达到原子级别的混合。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种同批次制备不同成分含量的合成材料的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种同批次制备不同成分含量的合成材料的方法，包括：提供激光发生器，并以指定强度发射激光射线；在真空条件下，控制激光射线依次循环向预先准备的不同位置的多种具有不同材料成分的靶材聚焦并照射指定时间间隔；其中，多种靶材的材料为合成材料的组成成分；提供一正对靶材设置的基板，靶材经激光射线照射后溅射出靶材原子，并沉积到基板上，且使基板上形成的每种材料具有相同的多种组分并且每种组分含量比值不同。

其中，在使靶材原子沉积到基板上的步骤之后，还包括步骤：在靶材和基板之间设置一掩膜板，靶材原子在向基板沉积的过程中，经掩膜板的作用而在基板上规则排布。

其中，在控制激光射线依次循环向预先准备的不同位置的多种靶材聚焦并照射指定时间间隔的步骤中，包括步骤：设定激光射线向靶材照射的循环照射顺序及在每种靶材上聚焦并照射的时间间隔；按照预设条件，以相同强度的激光射线对靶材进行指定时间的循环聚焦。

其中，在靠近基板的位置设置加热器，通过加热使靶材原子在基板表面均匀混合。

区别于现有技术，本发明的同批次制备多种不同成分含量的合成材料的方法包括：提供激光发生器，并以指定强度发射激光射线；在真空条件下，控制激光射线依次循环向预先准备的不同位置的多种具有不同材料成分的靶材聚焦并照射指定时间间隔；提供一正对靶材设置的基板，靶材经激光射线照射后溅射出靶材原子，并沉积到基板上，使所述基板上形成的每种材料具有相同的多种组分并且每种组分含量比值不同。通过本发明，能够在不降低激光器可调能量的最大值的情况下实现激光的分时切换，溅射多个靶材，以实现同批次生成多种不同成分含量的合成材料的目的。

附图说明

图1是本发明提供的一种同批次制备不同成分含量的合成材料的方法的流程示意图；

图2是本发明提供的一种同批次制备不同成分含量的合成材料的方法中制备过程的机构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

脉冲激光沉积技术是一种制备薄膜材料的方法，该技术具有等比分的优点，即薄膜的组成成分和靶材的组成成分一致，不会发生成分偏析的缺点。脉冲激光沉积技术制备薄膜的特征之一是生长的薄膜厚度分布不均匀，正对靶材的中心区域和边缘区域厚度相差几十倍。本技术利用脉冲激光的等比分性和不均匀性制备组合材料。

参阅图1，图1是本发明提供的一种同批次制备不同成分含量的合成材料的方法的流程示意图。该方法的步骤包括：

S110：提供激光发生器，并以指定强度发射激光射线。

本发明的目的是制备高通量实验材料，需要在较小的基板上同时集成生长成千上万乃至上百万种不同组分、结构和性能的材料。现有技术的方式通常是通过设置多台激光发生器同时照射多种材料的靶材，或者使用分光镜，将激光发生器发射的激光射线分成多束，分别照射不同靶材。但是使用多个激光发生器时成本较高，一台激光发生器所需购价通常达到百万级别，现在高通量实验所需的经济成本则会更高；对于使用分光镜的方式，虽然可节省成本，但是分光镜将激光射线分为多束时，减弱了激光射线的强度，且现有技术采用分光镜时，分光镜将激光射线分为多束时多束激光射线同时照射相应的靶材，使多种靶材的原子发生溅射向基板沉积，靶材原子在向基板沉积的过程中，不同靶材原子可能相互发生反应，从而导致基板上沉积的材料中存在杂质，造成材料的浪费。

本发明提供的方法中则不需利用多台激光发生器，也无需对激光射线使用分光镜进行分散，避免了上述缺陷。本发明中，仅需提供一台激光发生器，并使用该激光发生器发射指定强度的激光射线。

S120：在真空条件下，控制所述激光射线依次循环向预先准备的多种靶材聚焦并照射指定时间间隔。

在真空条件下，控制激光发生器发射的激光射线循环依次向预先准备的靶材进行投射。具体的，通过设置一激光控制器对激光射线的发射方式进行控制。在本实施方式中，激光控制器包括第一反射镜、驱动器及与靶材数量相等的设置于指定位置的第二反射镜。激光发生器以指定角度向第一反射镜发射激光射线，驱动器连接第一反射镜，用以控制改变第一反射镜的位置，并使激光射线经第一反射镜反射射出后分时投射到不同的所述第二反射镜上，激光射线经不同的第二反射镜反射射出后投射到不同的靶材上。如图2所示，图2是本发明提供的一种同批次制备不同成分含量的合成材料的方法中制备过程的机构示意图。激光发生器发射的激光射线经第一反射镜和第二反射镜分别进行反射，投射到一聚光镜上，通过驱动器分时控制该聚光镜在水平面内旋转，旋转过程中与水平面呈指定角度，使激光射线在设定的时间间隔内向指定方向射出。进一步在激光射线射出的方向上设置多个不同的材料靶材，使激光射线在设定的时间间隔内依次投射到不同靶材上。

首先应预先设定激光射线向靶材照射时的循环照射顺序，及激光射线在每一种靶材上停留的照射时间。针对不同材料的靶材，可由试验人员根据实验要求设定靶材的照射顺序，同时设定在每种靶材上的照射时间，依据实验要求，确定在每种靶材上激光射线的停留时间。然后根据预设条件，以相同强度的激光射线对靶材进行指定时间的循环照射。同时，在其他实施方式中，也可根据实验要求，以不同的激光强度照射不同位置的靶材。

S130：提供一正对所述靶材设置的基板，所述靶材经激光射线照射后溅射出靶材原子，并沉积到所述基板上，且使基板上形成的每种材料具有相同的多种组分并且每种组分含量比值不同。

激光射线分时投射到多种不同靶材上后，使不同靶材的原子分时溅射，此时提供一正对靶材设置的基板，靶材原子溅射到基板上进行沉积，最终在基板上的不同位置形成组成成分含量各不相同的合成材料。

进一步，在基板和靶材之间设置一掩膜板，靶材原子向基板沉积的过程中，经过掩膜板的阻挡作用，从而在基板上形成指定形状。优选的，掩膜板为网格状，通过掩膜板的作用，在基板上沉积形成方块，便于后期的材料的提取。且掩膜板的网格设置越紧密，在基板上沉积形成的合成材料也越小，每一网格形成的合成材料的各组分含量均不相同，且相邻的合成材料之间的组分含量以一定规律变化，从而实现基板上形成的每种材料具有相同的多种组分并且每种组分含量比值不同。

进一步，在基板远离靶材的一侧设置加热器，优选的，加热器的加热面积大于基板的面积。通常，加热器的规格选取加热面积为115mm*115mm。加热器的加热面完全覆盖基板表面，从而使基板表面均匀加热，使合成材料融合更加充分。

区别于现有技术，本发明的同批次制备不同成分含量的合成材料的方法包括：提供激光发生器，并以指定强度发射激光射线；控制激光射线依次循环向预先准备的多种靶材投射指定时间间隔；其中，多种靶材的材料为合成材料的组成成分；提供一正对靶材设置的基板，靶材经激光射线照射后溅射出靶材原子，并沉积到基板上。通过本发明，能够在不降低激光器可调能量的最大值的情况下实现激光的分时切换，溅射多个靶材，以实现同批次生成不同成分含量的合成材料的目的。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种同批次制备多种不同成分含量的合成材料的方法，其特征在于，包括：

提供激光发生器，并以指定强度发射激光射线；

在真空条件下，控制所述激光射线依次循环向预先准备的不同位置的多种具有不同材料成分的靶材聚焦并照射指定时间间隔；其中，所述多种靶材的材料为所述合成材料的组成成分；

提供一正对所述靶材设置的基板，所述靶材经激光射线照射后溅射出靶材原子，并沉积到所述基板上，且使所述基板上形成的每种材料具有相同的多种组分并且每种组分含量比值不同。

2.根据权利要求1所述的同批次制备多种不同成分含量的合成材料的方法，其特征在于，在使所述靶材原子沉积到所述基板上的步骤之后，还包括步骤：

在所述靶材和所述基板之间设置一掩膜板，所述靶材原子在向所述基板沉积的过程中，经所述掩膜板的作用而在基板上规则排布。

3.根据权利要求1所述的同批次制备多种不同成分含量的合成材料的方法，其特征在于，在控制所述激光射线依次循环向预先准备不同位置的多种靶材聚焦并照射指定时间间隔的步骤中，包括步骤：

设定激光射线向所述靶材照射的循环照射顺序及在每种靶材上聚焦并照射的时间间隔；

按照预设条件，以相同强度的激光射线对所述靶材进行指定时间的循环聚焦。

4.根据权利要求1所述的同批次制备多种不同成分含量的合成材料的方法，其特征在于，在靠近所述基板的位置设置加热器，通过加热使所述靶材原子在所述基板表面扩散。