CN110087816A - 使用激光束制备结构化的晶核层的方法和相应的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制备结构化的晶核层的方法，所述晶核层用于在其上沉积出碳纳米管(16)，其中，之前在衬底(1)上涂覆的金属层通过激光束(4)被施加能量，使得所述金属层变形成分离的岛状物，其中，所述激光束(4)被展宽为在横截面中呈线形的光束(5)，用所述光束同时照射所述金属层的线形的光照区域(15)，所述光照区域(15)沿着横向于光照区域的延伸方向的方向在所述金属层上移动。一种用于实施所述方法的设备具有用于运输衬底的装置(9、10)，所述衬底具有在其上涂覆的金属层，并且具有用于产生激光束(4)的激光器(6)和用于展宽激光束以便产生线形的光照区域(15)的装置(7)，其中，所述装置(7)布置为，使线形的光照区域(15)垂直于衬底(1)的运输方向延伸。

Description

使用激光束制备结构化的晶核层的方法和相应的设备
技术领域
本发明涉及一种用于制备结构化的晶核层的方法，所述晶核层用于在其上沉积出碳纳米管，其中，之前在衬底(Substrat)上涂覆的金属层通过激光束被施加能量，使得所述金属层变形成分离的岛状物。
本发明还涉及一种用于实施所述方法的设备。
背景技术
US 2009/0121219 A1描述了用于沉积碳纳米管CNT的晶核单元格阵列(Keimzellen-Anordnung)的制造。在衬底上沉积的金属层通过等离子体或激光束或其它方式被快速地加热(快速退火)。在此，构成紧密相邻的滴状的结构。
EP 0997261 9描述了一种线形展宽的激光束在激光焊接中的应用。在此使用放置在工件上的掩模。
EP 2591875 A1描述了一种具有光束转换透镜的激光器，其将激光束线形地展宽。借助激光器掩模，该激光器被用于塑料件的掩模焊接。
文献“(The fabrication of periodic metal nanodot arrays through pulsedlaser melting induced fragmentation of metal nanogratings)”，Nanotechnology 20(2009)285310，2009年6月23日，描述了一种在表面上形成规则的滴状物阵列的方法。在表面上首先设置以平行延伸的线形沟槽形式的“纳米光栅”。横向于沟槽涂覆金属线。通过用单个的激光脉冲轰击，在金属线和沟槽的交叉点上形成相同大小的金属液滴。如果相反地为封闭的层加载激光脉冲，则形成非均匀分布的、不规则大小的液滴。
由文献“Das Wachstum von”Physik Journal 4(2005)第5期第29页已知一种半导体纳米线的制造方法，其中借助SiO2球在表面上沉积金属岛状物，在金属岛状物上形成纳米小滴。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种措施，通过该措施能够可再现地控制用于纳米管覆层的晶核区域的形成，其中，尤其需要可再现地设置晶核区域的大小及其间距。
所述技术问题通过在权利要求中提供的发明解决，其中，从属权利要求不仅是权利要求中提供的发明的有利的改进，也是所述技术问题的独立的改进方案。
首先和基本上建议，产生线形的光照区域，其中，当对线形的光照区域持续地或脉冲地照射时，光照区域的整个面积同时(地并且不会如在掠扫式的、逐行运动的点状激光束的情况下那样)地被施加光功率，从而仅产生局部的加热。按照本发明，线形的光照区域以可设定的速度在金属层上移动，所述金属层事先被沉积在衬底上。这可以通过激光束的移动、但优选通过衬底的移动实现，其中，衬底尤其优选地从存储卷轴上展开并且重新被卷绕在第二存储卷轴上。由此较窄的区域在衬底上移动，该较窄的区域在其整个等于衬底宽度的跨度(Weite)上将金属层在相同的时间下加热到基本相同的温度，使得基本上仅在掠扫方向(Schreibrichtung)上，而不在横向于掠扫方向的方向上具有温度梯度。通过激光功率、必要时脉冲能量或脉冲持续时间以及衬底的运输速度等参数来设置岛状的晶核区域的直径和其间距。作为用于预设岛状的晶核区域在衬底表面上的大小和分布的另外的参数，是金属层的材料强度和展宽的激光束的沿运输方向测量的长度，该长度等于光照区域的宽度。线形的光照区域的长度优选在整个衬底上延伸，使得展宽的激光束的跨度大约等于20至1000mm。具有线形的横截面的激光束可以具有0.5至5mm的长度。该长度等于光照区域的宽度。激光束的波长可以等于200nm至1500nm。在脉冲激光中，脉冲能量可以在0.5至20mJ之间。光照区域相对于经覆层的衬底的移动速度可以在1至50cm/s之间、优选在5至30cm/s之间。通过选择激光功率、等于光照区域的宽度的激光束的长度并且通过衬底的运输速度可以设定岛状的晶核区域的等效圆直径。该等效圆直径优选在1nm至2μm之间、优选在1nm至200nm之间并且特别优选地在1nm至100nm之间。岛状的晶核区域的平均间距还可以通过该参数预设。所述间距优选在1nm至2μm的范围内、优选在1nm至500nm的范围内、特别优选地在1nm至100nm之间。所述间距或者是相邻的岛状的晶核区域的中点的间距。但是所述间距也可以是相邻的岛状的晶核区域的两个边缘的间距。所述间距则是相邻的岛状的晶核区域之间的空隙的侧面长度。岛状的晶核区域的构成是自组织体系，其中，岛状的晶核区域通常布置在矩形且尤其方形或几乎方形的单元格的角点上。
此外，本发明还涉及一种用于实施所述方法的设备，其中，所述设备具有至少一个激光器，所述激光器产生激光束，并且具有光学元件，通过光学元件将具有点状横截面的激光束展宽成线形横截面。衬底通过运输装置可以相对于展宽的激光束被运输，其中，运输方向横向于被激光束照射的区域的延伸方向。衬底可以从一个卷轴上展开并且再次被卷绕在另一个卷轴上。在两个卷轴之间可以布置一种装置，通过所述装置在衬底上沉积金属层。沿运输方向在该装置的后面设有具有激光器的装置。沿运输方向在该装置的后面设有一种装置，通过该装置可以在晶核区域上沉积碳纳米管。此外还设有另外的装置，通过该另外的装置例如实施附加的流程步骤，以便由覆有碳纳米管的薄膜制造用于锂离子蓄电池的电极。衬底可以具有在100至1000mm之间的宽度。所述宽度通常等于300至600mm。衬底可以从一个卷轴上被展开并且被再次卷绕在另一个卷轴上。但是，所述衬底也可以是较硬的晶片，其具有在50mm至450mm范围内的直径。作为衬底的材料尤其可以考虑用于晶片的硅、蓝宝石。对于可卷绕的衬底优选使用柔性的金属衬底、例如由铝或铜构成的衬底。对于金属层优选使用铝、镍、银、金、锂、钛、钒、铬、铁、铂或钽。通常的层厚度在1nm至200nm之间。
附图说明
以下结合附图阐述本发明的实施例。在附图中：
图1示出光照方法的简化立体示意图，
图2示出图1中的截图II的放大视图，其涉及岛状的晶核区域3的阵列，
图3示出在一个位置上剖切图1中的衬底所得的纵剖视图，在该位置上展宽的激光束5产生光照区域15，
图4示出用于实施按照本发明的方法的设备的示意图。
具体实施方式
按照本发明的方法不仅适用于处理在滚筒上卷绕的衬底、尤其被涂覆有金属层2的衬底，而且也适用于处理未覆层的衬底1并且用于处理作为半导体晶片的衬底。图1示出所述方法的可选方案的简化示意图，其中，被涂覆有金属层2的衬底1卷绕在第一卷轴9上，从第一卷轴上沿运输方向T展开。通过激光器6产生在横截面中呈点状的激光束4。通过光学展宽装置7，将点状的激光束4展宽为线状的激光束5。线状的激光束5的跨度在其与层2接触的区域内至少等于衬底1的宽度W。
展宽的激光束5在覆有层2的衬底的表面上产生线形的光照区域15。由于衬底沿运输方向T被运输，使得线形的光照区域15横向于光照区域的延伸方向在衬底1的层2上运动。
通过脉冲或连续地产生的激光束施加能量，使得在光照区域15的每个点处同时将以热量形式的能量输入到金属层2中。在此，因为同时照射整个线形的面积，所以沿线形延伸段的方向几乎不会形成温度梯度，而是仅沿光照区域15的运动方向形成温度梯度。这使得金属层2材料被组织为岛状的晶核区域3。岛状的晶核区域3大约位于方形的角点上并且具有1至100nm的直径RDot。单个的岛状的晶核区域3彼此间隔距离DDc为1至100nm。
运输速度大约等于5至30cm/s。
图4示出用于在衬底1上沉积碳纳米管16的设备的构造的简化示意图。由金属、例如铜或铝构成的衬底1从第一卷轴1上展开并且以一个运输速度被运输穿过由多级构成的制造装置。被处理的衬底被重新卷绕在第二卷轴10上。
所述设备具有第一工作站11，其中金属层2被沉积在衬底1上。随后在第二工作站2中通过根据图1构造的设备借助展宽的激光束实现对金属层2的表面处理，从而形成彼此间隔的点状的晶核区域3。在继续的工作站13中，随后在晶核区域3上沉积出碳纳米管16。在一个或多个继续的工作站15中可以随后进行另外的处理步骤，这些处理步骤通常是必要的，以便制造用于锂离子蓄电池的电极。
在这些附图中，岛状的晶核区域3被强烈放大地示出，以便明确其在衬底1上的均匀的布置方式。在现实中，岛状物3在亚微米范围内彼此相互间隔。岛状的晶核区域3的面积以及岛状的晶核区域3的间距通过上述参数、如激光功率和层厚度能够可再现地设置。
在按照本发明的方法中，首先在未结构化的衬底上沉积出封闭的金属层。金属层优选完全覆盖衬底表面，使得金属层的宽度与衬底的宽度一致。展宽的激光束的宽度等于金属层的宽度，所述展宽的激光束用于同时在其整个宽度上对金属层施加能量。横向于线形的展宽的激光束的方向，使衬底相对于线形的激光处理区域被运输，从而激光处理区域在衬底上移动。
虽然既没有在金属层上面也没有在金属层下面实施结构化，但是在激光处理区域的范围内形成基本上相同间隔的大量的金属岛。金属层局部回缩到岛状的区域中。由此形成的岛状的晶核区域通常位于矩形的单元格的角点上。
本发明由此优选涉及一种用于制备结构化的晶核层的方法，所述晶核层用于在其上沉积碳纳米管16，其中，在衬底1的未结构化的表面上首先施加封闭的均匀的金属层2并且随之通过激光束4对金属层2施加能量，其中，所述激光束4被展宽为在横截面中呈线形的光束5，用所述光束同时照射金属层2的线形的光照区域15，其中，所述光照区域15以这样的移动速度沿着横向于光照区域的延伸方向的方向在金属层2上移动，并且所述激光束4在光照区域15中以这样的能量密度对金属层施加能量，使得所述金属层2被分隔开，变形成基本上相同大小的岛状物3，所述岛状物基本上彼此间相同距离地间隔，其中，岛状物3的等效圆直径小于2μm，并且两个相邻的岛状物3之间的无金属层的区段小于2μm。
激光束5的沿移动方向测量的延伸量、也就是激光束的长度等于光照区域15的宽度，其优选在0.5mm至1.5mm的范围内。在脉冲激光束中，脉冲序列如此高，使得光照区域15几乎连续地被施加光线。脉冲频率尤其明显(10倍地)大于移动速度与光照区域15的宽度之商。在光照区域15的长度上、也就是沿展宽的激光束的线形方向，在被加载激光而熔化的金属层2中没有温度梯度，而沿激光束的移动方向形成较大的温度梯度。
上述实施方式用于阐述在申请中整体包含的发明，本发明至少通过以下特征组合分别独立地扩展了现有技术，即：
一种方法，其特征在于，所述激光束4被展宽为在横截面中呈线形的光束5，用所述光束同时照射所述金属层2的线形的光照区域15，所述光照区域15沿着横向于光照区域的延伸方向的方向在所述金属层2上移动。
一种方法，其特征在于，所述激光束的跨度W等于所述衬底1的宽度并且在20mm至1000mm或者100mm至1000mm的范围内。
一种方法，其特征在于，所述展宽的激光束5的跨度W在300至600mm的范围内。
一种方法，其特征在于，所述衬底1由硅、蓝宝石、铝、铜或其它金属构成。
一种方法，其特征在于，所述金属层2由铝、镍、银、金、锂、钛、钒、铬、铂、钽或其它贵金属或非贵金属构成。
一种方法，其特征在于，所述金属层的厚度在1至200nm的范围内。
一种方法，其特征在于，所述激光束的横向于展宽的激光束5的跨度W延伸的长度等于所述光照区域15的宽度并且在0.5至5mm之间。
一种方法，其特征在于，由激光器6产生的光的波长在200nm至1.5μm的范围内。
一种方法，其特征在于，所述激光器6脉冲地或连续地发射光，其中，脉冲能量在0.5至20mJ的范围内。
一种方法，其特征在于，展宽的激光束5在金属层2上移动的速度在1至50cm/s、优选在5至30cm/s的范围内。
一种方法，其特征在于，岛状的晶核区域3具有1nm至2μm、优选1nm至500nm、特别优选地1nm至100nm的等效圆直径，和/或相邻的岛状的晶核区域3的中点的间距在1nm至2μm、优选1nm至500nm、特别优选地1至100nm的范围内。
一种方法，其特征在于岛状的晶核区域3的矩形的、尤其方形的或几乎方形的阵列。
一种设备，其特征在于，设有用于运输衬底1的装置9、10，所述衬底具有在其上涂覆的金属层2，并且设有用于产生激光束4的激光器6和用于展宽激光束以便产生线形的光照区域15的装置7，其中，所述装置7布置为，使线形的光照区域15垂直于衬底1的运输方向延伸。
一种设备，其特征在于，设有用于将在卷轴9上卷绕的衬底展开的装置、用于为衬底1涂覆金属层2的装置11，所述装置11沿衬底1的运输方向布置在用于展宽激光束的装置7的前面，还设有用于在岛状的晶核区域3上沉积碳纳米管6的装置13和用于固持卷轴10的装置，经处理的衬底卷绕在所述卷轴10上。
所有公开的特征(本身及其相互组合)都有发明意义或发明价值。在本申请的公开文件中，所属/附属的优先权文本(在先申请文件)的公开内容也被完全包括在内，为此也将该优先权文本中的特征纳入本申请的权利要求书中。从属权利要求的特征都是对于现有技术有独立发明意义或价值的改进设计，尤其可以这些从属权利要求为基础提出分案申请。
附图标记列表
1 衬底
2 金属层
3 岛状物
4 激光束
5 展宽的激光束
6 激光器
7 光学器件
8 基本单元格
9 卷轴
10 卷轴
11 第一工作站
12 第二工作站
13 第三工作站
14
15 光照区域
16 碳纳米管
T 运输方向
W 跨度

Claims (15)

1.一种用于制备结构化的晶核层的方法，所述晶核层用于在其上沉积出碳纳米管(16)，其中，之前在衬底(1)上涂覆的金属层(2)通过激光束(4)被施加能量，使得所述金属层(2)变形成分离的岛状物(3)，其特征在于，所述激光束(4)被展宽为在横截面中呈线形的光束(5)，用所述光束同时照射所述金属层(2)的线形的光照区域(15)，所述光照区域(15)沿着横向于光照区域的延伸方向的方向在所述金属层(2)上移动。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束的跨度(W)等于所述衬底(1)的宽度并且在20mm至1000mm或者100mm至1000mm的范围内。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述展宽的激光束(5)的跨度(W)在300至600mm的范围内。
4.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述衬底(1)由硅、蓝宝石、铝、铜或其它金属构成。
5.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述金属层(2)由铝、镍、银、金、锂、钛、钒、铬、铁、铂、钽或其它贵金属或非贵金属构成。
6.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述金属层的厚度在1至200nm的范围内。
7.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述激光束的横向于展宽的激光束(5)的跨度(W)延伸的长度等于所述光照区域(15)的宽度并且在0.5至5mm之间。
8.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，由激光器(6)产生的光的波长在200nm至1.5μm的范围内。
9.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述激光器(6)脉冲地或连续地发射光，其中，脉冲能量在0.5至20mJ的范围内。
10.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，展宽的激光束(5)在金属层(2)上移动的速度在1至50cm/s、优选在5至30cm/s的范围内。
11.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，岛状的晶核区域(3)具有1nm至2μm、优选1nm至500nm、特别优选地1nm至100nm的等效圆直径，和/或相邻的岛状的晶核区域(3)的中点的间距在1nm至2μm、优选1nm至500nm、特别优选地1至100nm的范围内。
12.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于岛状的晶核区域(3)的矩形的、尤其方形的或几乎方形的阵列。
13.一种用于实施按照前述权利要求之一所述的方法的设备，其特征在于，设有用于运输衬底(1)的装置(9、10)，所述衬底具有在其上涂覆的金属层(2)，并且设有用于产生激光束(4)的激光器(6)和用于展宽激光束以便产生线形的光照区域(15)的装置(7)，其中，所述装置(7)布置为，使线形的光照区域(15)垂直于衬底(1)的运输方向延伸。
14.按照权利要求13所述的设备，其特征在于，设有用于将在卷轴(9)上卷绕的衬底展开的装置、用于为衬底(1)涂覆金属层(2)的装置(11)，所述装置(11)沿衬底(1)的运输方向布置在用于展宽激光束的装置(7)的前面，还设有用于在岛状的晶核区域(3)上沉积碳纳米管(6)的装置(13)和用于固持卷轴(10)的装置，经处理的衬底卷绕在所述卷轴(10)上。
15.一种方法或设备，其特征在于具有一个或多个前述权利要求之一所述的技术特征。
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