本發明涉及材料制備技術領域，特別是涉及一種高通量組合制備VO₂薄膜的設備及方法。

背景技術：

高通量組合材料實驗技術誕生于上世紀 90 年代中期，是一種材料科學研究方法的系統工程，通過提高單次實驗的通量，加快新材料研發速率，從而彌補工業發展需求和先進材料研發進展之間的鴻溝。高通量材料制備技術經過十幾年的發展，已有具有一定的技術基礎。非金屬無機酸鹽材料，尤其是其納米材料，可廣泛應用于儲能材料、相變材料、智能涂層材料等領域中，然而，現有的高通量組合材料制備技術與該材料體系均存在不同程度的不相容性。

如高琛、黃孫祥、陳雷、劉慈輝、劉小楠、鮑俊等人在《無機材料學報》上發表的論文“液滴噴射技術應用進展”，其中公開的技術內容適用于粉體材料的多噴頭壓電打印組合材料制備，該技術雖然可以基于液相前驅實現組合材料芯片的高通量制備，然而其目標產物的合成反應為各組元的前驅體于基片上混合后的非限域液相反應或固相反應，控制產物粒徑和成分均一性的難度較大，不利于高通量制備樣品的材料納米化。

又如授權公告號為 CN101602019B（申請號為 200910203804.0）的中國發明專利《高通量催化器處理方法及其系統》中公開的技術方法，適用于催化劑系統的多通道反應器技術，難以應用于凝聚態組合材料樣品的制備。因此，針對非金屬無機酸鹽納米材料開發一種高通量組合材料制備裝置及制備方法，以提升高通量組合材料的研發效率、進一步拓展高通量組合材料實驗技術的適用范圍顯得非常重要。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種高通量組合制備VO₂薄膜的設備及方法，其以固相作為高通量反應前驅，易于將制備不同厚度薄膜的制備，可實現多種厚度組合，有利于覆蓋廣泛的材料組分、結構參數空間，同時還能夠實現用于合成材料樣品的多種物料的分子級混合，有利于組合材料樣品中單一子樣品內部組分均勻分布。

本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的：一種高通量組合制備VO₂薄膜的設備，其特征在于，其包括氮氣輸送裝置、氮氧混合氣輸送裝置、釩源加熱升華裝置、摻雜劑加熱升華裝置、混合裝置、沉積裝置、第一擋板、第二擋板、第三擋板、第一基片、第二基片、第三基片、第四基片、加熱裝置、尾氣處理裝置、氣體電磁閥門，氮氣輸送裝置與釩源加熱升華裝置連接，氮氧混合氣輸送裝置與摻雜劑加熱升華裝置相連接，釩源加熱升華裝置、摻雜劑加熱升華裝置共同與混合裝置相連接，第一擋板、第二擋板、第三擋板皆位于沉積裝置內部，第一基片位于第一擋板左側，第二基片位于第一擋板與第二擋板之間，第三基片位于第二擋板與第三擋板之間，第四基片位于第三擋板的右側，加熱裝置位于沉積裝置下方，尾氣處理裝置與沉積裝置相連接，氣體電磁閥門安裝于混合裝置與沉積裝置之間，氮氣輸送裝置、氮氧混合氣輸送裝置組成氣體傳送裝置，釩源加熱升華裝置、摻雜劑加熱升華裝置組成前驅體處理裝置。

優選地，所述釩源加熱升華裝置、摻雜劑加熱升華裝置、加熱裝置均采用熱電偶的加熱方式。

優選地，所述第一擋板、第二擋板、第三擋板均為特制陶瓷擋板。

優選地，所述加熱裝置采用熱電偶加熱。

優選地，所述氮氣輸送裝置與氮氧混合氣輸送裝置用于輸送氣體；釩源加熱升華裝置用于處理加入的釩源；摻雜劑加熱裝置用于處理加入的摻雜劑；混合裝置用于將處理的產物均與混合并形成混合材料；沉積裝置用于混合原料的反應沉積；第一擋板、第二擋板、第三擋板均可調節自身的孔徑和數量，以控制不同區域的氣流量和反應原料的數量；第一基片、第二基片、第三基片、第四基片用于不同厚度VO₂薄膜的沉積；加熱裝置用于加熱第一基片、第二基片、第三基片、第四基片和樣品，控制反應溫度用或反應的進行；尾氣處理裝置用于處理反應后剩余的廢氣；氣體電磁閥門控制混合氣體的流量。

優選地，所述沉積裝置采用沉積裝置管式爐。

優選地，所述第一基片、第二基片、第三基片、第四基片均設有石英襯底。

本發明還提供一種高通量組合制備VO₂薄膜的制備方法，其包括以下步驟：

步驟一、移動第一基片、第二基片、第三基片、第四基片，調控第一擋板、第二擋板、第三擋板，放置于沉積裝置不同區域；

步驟二、將兩種前驅體分別加入前驅體處理裝置，釩源加入到釩源加熱升華裝置，摻雜劑加入到摻雜劑加熱升華裝置；

步驟三、加熱前驅體處理裝置，產生兩種不同的原料氣體；

步驟四、氮氣輸送裝置與氮氧混合氣輸送裝置同時輸送氣體，把前驅體處理裝置產生的原料氣體帶入到混合裝置，在混合裝置中均勻混合；

步驟五、通過氣體電磁閥門控制混合原料氣體流量，通入沉積裝置；利用加熱裝置加熱到800℃，對此次組合材料樣品沉積的樣品進行微區加熱處理，在不同區域得到不同厚度的產物；

步驟六、清洗混合裝置和沉積裝置，并返回步驟一。

本發明的積極進步效果在于：該高通量組合材料制備設備可實現多種厚度組合，有利于覆蓋廣泛的材料組分、結構參數空間，同時還能夠實現用于合成材料樣品的多種物料的分子級混合，有利于組合材料樣品中單一子樣品內部組分均勻分布。制備產物的合成反應可通過調整氣體輸送量和前驅體劑量以控制產物的粒徑，通過調控擋板的孔徑以控制VO₂薄膜厚度。該高通量組合材料制備方法可以實現VO₂薄膜在較小面積基片上的集成，所得組合材料樣品的制備薄膜靈活可控，相對于傳統材料科學研究手段其樣品制備效率可提高數倍。

附圖說明

圖1為本發明高通量組合制備VO2薄膜的設備的結構示意圖。

圖2 為本發明高通量組合制備VO₂薄膜的方法流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案。

如圖1所示，本發明高通量組合制備VO2薄膜的設備包括氮氣輸送裝置1、氮氧混合氣輸送裝置2、釩源加熱升華裝置3、摻雜劑加熱升華裝置4、混合裝置5、沉積裝置6、第一擋板7、第二擋板8、第三擋板9、第一基片10、第二基片11、第三基片12、第四基片13、加熱裝置14、尾氣處理裝置15、氣體電磁閥門16，氮氣輸送裝置1與釩源加熱升華裝置3連接，氮氧混合氣輸送裝置2與摻雜劑加熱升華裝置4相連接，釩源加熱升華裝置3、摻雜劑加熱升華裝置4共同與混合裝置5相連接，第一擋板7、第二擋板8、第三擋板9皆位于沉積裝置6內部，第一基片10位于第一擋板7左側，第二基片11位于第一擋板7與第二擋板8之間，第三基片12位于第二擋板8與第三擋板9之間，第四基片13位于第三擋板9的右側，加熱裝置14位于沉積裝置6下方，尾氣處理裝置15與沉積裝置6相連接，氣體電磁閥門16安裝于混合裝置5與沉積裝置6之間，氮氣輸送裝置、氮氧混合氣輸送裝置組成氣體傳送裝置，釩源加熱升華裝置、摻雜劑加熱升華裝置組成前驅體處理裝置。

氮氣輸送裝置與氮氧混合氣輸送裝置用于輸送氣體；釩源加熱升華裝置用于處理加入的釩源；摻雜劑加熱裝置用于處理加入的摻雜劑；混合裝置用于將處理的產物均與混合并形成混合材料；沉積裝置用于混合原料的反應沉積；第一擋板、第二擋板、第三擋板均可調節自身的孔徑和數量，以控制不同區域的氣流量和反應原料的數量；第一基片、第二基片、第三基片、第四基片用于不同厚度VO₂薄膜的沉積；加熱裝置用于加熱第一基片、第二基片、第三基片、第四基片和樣品，控制反應溫度用或反應的進行；尾氣處理裝置用于處理反應后剩余的廢氣；氣體電磁閥門控制混合氣體的流量。本發明采用多個前驅體加熱升華裝置（釩源加熱升華裝置、摻雜劑加熱升華裝置等）以實現多種組元組合，有利于覆蓋廣泛的材料組分、結構參數空間。

所述釩源加熱升華裝置、摻雜劑加熱升華裝置、加熱裝置均采用熱電偶的加熱方式，具有熱響時間快的優點，使得前驅體樣品升華。

所述第一擋板、第二擋板、第三擋板均為特制陶瓷擋板，具有良好的剛度與硬度，其熔點在2000℃以上，并在高溫下同樣有極好的化學穩定性，通過調節孔徑數量和大小，以控制爐內氣流量。

所述第一基片、第二基片、第三基片、第四基片均設有石英襯底，在物理性質與化學性質兩方面都十分穩定。

所述加熱裝置采用熱電偶加熱，這樣加熱速度快，加熱效率高。

加熱裝置用于輔助加熱基片，優選輻射熱源本實施例中的加熱裝置也可以采用紅外鹵素加熱燈，紅外鹵素加熱燈可提供室溫至 1100℃的溫升范圍和數十℃ /s 的升溫速率。

沉積裝置可以采用沉積裝置管式爐，通常具體采用多溫區管式爐，這樣成本低。

如圖2所示，本發明高通量組合制備VO₂薄膜的方法包括以下步驟：

步驟一、移動第一基片、第二基片、第三基片、第四基片，調控第一擋板、第二擋板、第三擋板，放置于沉積裝置不同區域；

步驟二、將兩種前驅體分別加入前驅體處理裝置，釩源加入到釩源加熱升華裝置，摻雜劑加入到摻雜劑加熱升華裝置；

步驟三、加熱前驅體處理裝置，產生兩種不同的原料氣體；

步驟四、氮氣輸送裝置與氮氧混合氣輸送裝置同時輸送氣體，把前驅體處理裝置產生的原料氣體帶入到混合裝置，在混合裝置中均勻混合；

步驟五、通過氣體電磁閥門控制混合原料氣體流量，通入沉積裝置；利用加熱裝置加熱到800℃，對此次組合材料樣品沉積的樣品進行微區加熱處理，在不同區域得到不同厚度的產物；

步驟六、清洗混合裝置和沉積裝置，并返回步驟一。

本發明的基本參數如下表1所示：

表1

實施例1：不打開加熱裝置14，制備不同厚度的薄膜如下表2所示：

表2

實施例2：不設置檔板，打開加熱裝置如下表3所示：

表3

實施例3：設置檔板，同時打開加熱裝置如下表4所示：

表4

本發明可實現多種厚度組合，有利于覆蓋廣泛的材料組分、結構參數空間，同時還能夠實現用于合成材料樣品的多種物料的分子級混合，有利于組合材料樣品中單一子樣品內部組分均勻分布。制備產物的合成反應可通過調整氣體輸送量和前驅體劑量以控制產物的粒徑，通過調控擋板的孔徑以控制VO₂薄膜厚度。該高通量組合材料制備方法可以實現VO₂薄膜在較小面積基片上的集成，所得組合材料樣品的制備薄膜靈活可控，相對于傳統材料科學研究手段其樣品制備效率可提高數倍。

以上所述的具體實施例，對本發明的解決的技術問題、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。