CN114318280B - 一种用于测量和控制纳米团簇生长的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种用于测量和控制纳米团簇生长的方法，基于测量装置，测量装置包括分别通过法兰接口与真空腔体连通的阳离子化装置，阴离子化装置，电场加速装置，隔膜型阀门，真空泵，四级质谱仪，高真空规，低真空规，飞行时间质谱仪，法拉第杯，隔膜型闸门。本发明可以有效的同时对不同带电情况且不同尺寸的纳米团簇进行筛选，进而可以实现对一定范围尺寸的纳米团簇薄膜的可控生长。本发明可以分别对带正电和负电属性的纳米团簇进行电荷和尺寸的筛选；在使用时间飞行质谱仪进行不同核质比团簇的筛选时，只能对带电的团簇进行筛选，本系统的其中一个优点在于可以将从喷嘴出射的电中性团簇电离化，这样就会增加筛选的团簇的数量，提高了镀膜效率。
Description
技术领域
本发明涉及磁控溅射纳米团簇生长技术领域，具体涉及一种用于测量和控制纳米团簇生长的方法。
背景技术
利用磁控溅射设备溅射的粒子团簇一般有三种类型,分别是带正电、带负电和电中性的团簇。团簇粒子的带电情况直接影响沉积在衬底上的团簇的尺寸大小，而不同尺寸大小的纳米团簇具有不同的应用情景。因此对溅射粒子的带电以及尺寸筛选至关重要。
纳米团簇是一个由束缚的原子或分子组成的系统，通常大小介于单个原子和足够大的集合体之间，可以称为大块物质。根据它们的大小，团簇可以分为小型、中型和大型。小团簇的性质对组成粒子的数量没有很强的依赖性。相比之下，中型或者大型纳米团簇的性质与其组成粒子的数量有很强的依赖性。在纳米复合材料中，尺寸和形状的微小变化可以导致其电学和光学性质发生巨大的变化，另外，许多技术的应用需要很好的控制参数，例如金属填充因子、颗粒尺寸分布等。大型纳米团簇的尺寸一般在几纳米到几十纳米的数量级。纳米尺寸的团簇很受大家关注，因为它们表现出在块体材料中所不具有的特性，其具有的特殊光学、磁学和电学性质，被广泛的应用于化学、电子学、生物医学以及光伏等领域，例如，银纳米团簇所展现的特殊的杀菌性，被用于生产纳米复合材料中。
目前制备纳米团簇的技术有很多，例如溶胶-凝胶法，电化学沉积，水热过程和气体聚集簇源等。由于环保的需要，人们对采用真空方式的气体聚集簇源方法越来越感兴趣。具体的来说，气体聚集簇源是基于磁控溅射的一种团簇生长技术。气体离子轰击金属靶表面，靶原子被溅射后从各个方向飞出，并且具有不同的带电属性，随后经过冷凝和离子透镜聚集成团簇，被沉积在衬底上，形成纳米团簇。这种物理制造方式符合要求对环境友好的过程，因为它不需要使用任何严酷的化学物质。现有技术中，Pratontep等人提出了一种基于磁控溅射气体聚集系统的团簇尺寸筛选方法(Rev.Sci.Instrum.76,045103(2005))，具体的做法如下：(1)磁控枪安装在一个长的轴向支架上，使磁控枪的前部和腔室末端之间保持一定的距离，最多可变化300毫米。氩气从直径为0.1毫米的小孔口注入到磁控枪前面。施加射频高电压使Ar等离子体轰击靶材；(2)溅射过程会产生浓密的不同电荷的粒子和小团簇。通过注入氦气将这些粒子冷凝并且将团簇运送至开有小孔的喷嘴出；(3)团簇和气体通过喷嘴进行超音速膨胀后，通过两个撇渣器，从而确保提取超音速膨胀气体团簇射流的中心部分；(4)然后这些团簇通过一组离子光学器件，该光学器件主要由提取透镜，一对艾恩泽尔透镜和一套偏转板组成，通过在这套光学器件施加负电压即可将带正电的团簇聚焦并且筛选出来(该文章所描述的只能筛选带正电的纳米团簇)；(5)最后这些聚焦的团簇通过时间飞行质谱仪进行质量筛选。
前面提到的技术，只能对单一的带正电的纳米团簇进行质量和尺寸的筛选，而对带负电以及带电中性的团簇离子束手无策，这大大的降低了该体系的应用范围。例如不同类型的靶材，其纳米团簇在沉积到衬底过程中需要具有不同的带电类型。本发明的目的就是为了针对上述存在的问题，而提出的一种用于测一种基于高真空系统的用于测量和控制纳米团簇的方法。
发明内容
本发明提出的一种用于测量和控制纳米团簇生长的方法，可至少解决上述技术问题之一。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种用于测量和控制纳米团簇生长的方法，基于测量装置，所述测量装置包括分别通过法兰接口与真空腔体连通的阳离子化装置，阴离子化装置，电场加速装置，隔膜型阀门，真空泵，四级质谱仪，高真空规，低真空规，飞行时间质谱仪，法拉第杯，隔膜型闸门；
所述方法包括：
步骤一：首先将电中性的团簇记作A，带正电的团簇记作An+，带负电的团簇记作An-,其中n大于等于1；
从喷嘴出射的纳米团簇将经过离子化装置时，启动阳离子化装置或者阴离子化装置；
步骤二：随后通过一个电场加速装置；
步骤三：经过电场加速的带电团簇首先会进入一个四级质谱仪，初步筛选出具有特定电荷量的纳米团簇离子；接着这些团簇离子进入时间飞行质谱仪，离子从同一点出发，经过相同距离，向检测器飞去，不同的时间折算出离子的质荷比m/z，通过质量数，计算团簇离子的原子个数，最后即可得到团簇的尺寸；
步骤四：在飞行时间质谱仪的出口增加一个法拉第杯以及隔膜型闸门，法拉第杯的作用是用于增强离子束流，而隔膜型装置的作用是用来聚焦团簇离子束。
进一步的，还包括带电粒子中性化装置，所述带电粒子中性化装置也通过法兰接口与真空腔体连通；
在控制方法中，带电粒子中性化装置只有在需要沉积电中性的团簇才会使用。
进一步的，所述真空泵由机械泵和分子泵组成，前级为机械泵，后级采用分子泵，可将腔体的真空抽至10-7Torr。
由上述技术方案可知，针对当前对不同带电团簇粒子尺寸筛选的困难，本发明提供了一种基于高真空系统的用于测量和控制纳米团簇的方法，通过本发明，可以有效的同时对不同带电情况且不同尺寸的纳米团簇进行筛选，进而可以实现对一定范围尺寸的纳米团簇薄膜的可控生长。
具体的说，本发明的优点如下：
本发明可以分别对带正电和负电属性的纳米团簇进行电荷和尺寸的筛选；在使用时间飞行质谱仪进行不同核质比团簇的筛选时，只能对带电的团簇进行筛选，本系统的其中一个优点在于可以将从喷嘴出射的电中性团簇电离化，这样就会增加筛选的团簇的数量，提高了镀膜效率。
本发明的另外一个优势在于，在团簇沉积前，可以将带电离子去离子化(电中性化)，因为有些薄膜材料的生长需要纳米团簇本身不带电，才可以生长。这使得这套装置可以广泛应用于各种纳米团簇材料的生长。
附图说明
图1是纳米团簇筛选系统的俯视图；
图2是纳米团簇筛选系统的侧视图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1和2所示，本实施例所述的用于测量和控制纳米团簇生长的方法，本系统的整体设计如图1和2所示，整体设备包括分别通过法兰接口与真空腔体C连通的阳离子化装置1，阴离子化装置2，电场加速装置3，隔膜型阀门4，真空泵5，四级质谱仪6，高真空规7，低真空规8，飞行时间质谱仪9，法拉第杯10，隔膜型闸门11，带电粒子中性化装置12，和真空腔体C组成。需要指出的是本发明仅关注从喷嘴出射的纳米团簇。
具体控制步骤如下：
步骤一：首先将电中性的团簇记作A，带正电的团簇记作An+，带负电的团簇记作An-,其中n大于等于1。从喷嘴出射的纳米团簇将经过离子化装置时，可以启动阳离子化装置1和阴离子化装置2；所述阴阳离子化装置可以用于提高团簇粒子带负电或者正电的比例，即当启动阳离子化装置时，电中性的团簇就会被电离成正电团簇，部分带负电的团簇也会被电离成正电团簇；反之，当启动阴离子化装置时，电中性的团簇就会被电离成负电团簇，部分带正电的团簇也会被电离成负电团簇。这样大大增加了团簇离子数量，有助于提高镀膜的效率。其中，阳离子化装置的原理是利用高能的电子轰击团簇，使得团簇失去电子，从而使其带正电。阴离子化装置的原理是利用高压电极的电晕放电作用使得团簇离子被电离形成阴离子。
步骤二：随后通过一个电场加速装置3，所述电场加速装置3可以筛选具有特定电荷特性的团簇粒子，提高镀膜的效率；即该装置的主要原理就是在带电网格板上施加一定的电压差使得粒子加速。该装置的作用一方面对离子化的团簇进行加速，以弥补电离过程中导致的能量损失；另一方面，通过施加反向或者正向电场，可以将阳离子中混杂的阴离子，或者阴离子中混杂的阳离子团簇筛选出去；随后离子化(电离)的团簇将通过隔膜型闸板，该闸板的作用是对纳米团簇进行聚束。
步骤三：经过电场加速的带电团簇首先会进入一个四级质谱仪6，该装置的作用在于初步筛选出具有特定电荷量的纳米团簇离子，这样有利于下一步利用飞行时间质谱仪更加均匀的筛选出同一种性质的离子。接着这些团簇离子进入时间飞行质谱仪，飞行时间质谱仪的工作原理是：在固定的电场和相同的初始能量下，小的离子运动的快，而大的离子运动的慢，离子的飞行时间与质荷比成反比关系；离子从同一点出发，经过相同距离，向检测器飞去，不同的时间折算出离子的质荷比m/z。通过质量数，计算团簇离子的原子个数，最后即可得到团簇的尺寸。即所述四级质谱仪，飞行时间质谱仪可以选择特定尺寸的团簇，最后根据不同的实际需求生长不同尺寸大小的纳米团簇。
步骤四：在飞行时间质谱仪的出口增加一个法拉第杯以及隔膜型闸门，法拉第杯的作用是用于增强离子束流，而隔膜型装置的作用是用来聚焦团簇离子束。
步骤五：经过前面几个步骤得到的团簇都是带电的团簇，知道在镀膜工艺中，有些材料的生长需要电中性的团簇才可以沉积到衬底，形成团簇薄膜，因此会在增加一个使带电粒子中性化装置。该装置只有在需要沉积电中性的团簇才会使用。
所述真空泵由机械泵和分子泵组成，前级为机械泵，后级采用分子泵，可以将腔体的真空抽至10-7Torr。
所述低真空规，即皮拉尼规，其适用的范围一般为0.5Torr到10-3Torr。所述高真空规适用范围一般为10-3Torr以下。
所述隔膜型闸门，四级质谱仪，飞行时间质谱仪，法拉第杯均为成熟的商业化产品。
综上所述，本发明的特点为可以极大的增加团簇束流，提高团簇薄膜的生长效率；可以将磁控溅射系统溅射出的不同种带电类型的纳米团簇进行筛选；在最终团簇沉积到衬底前，可以根据薄膜生长的需要选择对带电纳米团簇进行电中性化。
本发明要利用该装置可以实现不同带电属性的纳米团簇的尺寸筛选。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种用于测量和控制纳米团簇生长的方法，基于测量装置，所述测量装置包括分别通过法兰接口与真空腔体（C）连通的阳离子化装置（1），阴离子化装置（2），电场加速装置（3），隔膜型阀门（4），真空泵（5），四级质谱仪（6），高真空规（7），低真空规（8），飞行时间质谱仪（9），法拉第杯（10），隔膜型闸门（11）；
其特征在于，所述方法包括：
步骤一：首先将电中性的团簇记作A，带正电的团簇记作An+，带负电的团簇记作An-, 其中n大于等于1；
从喷嘴出射的纳米团簇将经过离子化装置时，启动阳离子化装置（1）或者阴离子化装置（2）；
步骤二：随后通过一个电场加速装置（3）；
步骤三：经过电场加速的带电团簇首先会进入一个四级质谱仪（6），初步筛选出具有特定电荷量的纳米团簇离子；接着这些团簇离子进入时间飞行质谱仪（9），离子从同一点出发，经过相同距离，向检测器飞去，不同的时间折算出离子的质荷比m/z，通过质量数，计算团簇离子的原子个数，最后即可得到团簇的尺寸；
步骤四：在飞行时间质谱仪（9）的出口增加一个法拉第杯（10）以及隔膜型闸门（11），法拉第杯的作用是用于增强离子束流，而隔膜型装置的作用是用来聚焦团簇离子束；
还包括带电粒子中性化装置（12），所述带电粒子中性化装置（12）也通过法兰接口与真空腔体（C）连通；
在控制方法中，带电粒子中性化装置（12）只有在需要沉积电中性的团簇才会使用；
所述低真空规（8），即皮拉尼规，其适用的范围为0.5 Torr到10-3 Torr；
所述高真空规（7）适用范围为10-3 Torr 以下。
2.根据权利要求1所述的用于测量和控制纳米团簇生长的方法，其特征在于：所述真空泵（5）由机械泵和分子泵组成，前级为机械泵，后级采用分子泵，可将腔体的真空抽至10-7 Torr。
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