本發(fā)明涉及一種原子團(tuán)簇束流的有機(jī)體的納米加工方法與設(shè)備。

背景技術(shù)：

原子團(tuán)簇是一門介于原子物理、原子核物理與材料物理之間的交叉學(xué)科，該學(xué)科特征性的提供一種團(tuán)簇離子束流^[1,2]，可以作為超淺注入和納米加工等等工業(yè)用途。其采用氣相凝聚合成納米團(tuán)簇的方法，就是首先利用蒸發(fā)、離子轟擊和激光作用等產(chǎn)生高密度的目的材料分子蒸氣，之后通入高流量的低溫惰性氣體(緩沖)與之發(fā)生多體碰撞逐步凝聚生長成為納米團(tuán)簇的方法。其中，納米團(tuán)簇化的目的材料可以是能夠提供足夠蒸氣壓的或可以發(fā)生有效濺射的各種凝聚態(tài)材料，甚至可以是氣體，這保證了本設(shè)備的通用性；產(chǎn)生的納米團(tuán)簇顆粒的尺寸和結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)材料分子蒸氣供應(yīng)濃度、緩沖氣體流量和溫度、生長時(shí)間和生長室電氛圍等因素進(jìn)行控制，產(chǎn)生的納米團(tuán)簇顆粒可以在生長室的合適區(qū)域進(jìn)行收集。

基于類似原理的設(shè)備早在上個(gè)世紀(jì)后期就開始以團(tuán)簇束流源的形式在實(shí)驗(yàn)室中安裝使用了，大部分的設(shè)備都采用和分子束流源類似的裝置，高真空和差分抽氣[2]。早期的團(tuán)簇束流源主要用于自由原子團(tuán)簇的制備、平衡結(jié)構(gòu)和電子能態(tài)的研究，隨著設(shè)備的不斷升級換代，日本物理學(xué)家I.Yamada等開始改造團(tuán)簇束流設(shè)備將其專門用于工業(yè)制備高質(zhì)量的納米薄膜[3,4]。后來，德國Freiburg的H.Haberland等對傳統(tǒng)的團(tuán)簇束流源進(jìn)行了以提供大顆粒大流量的束流的設(shè)計(jì)改造，并采用磁控濺射提供原子蒸氣，這大大拓寬了可能提供的團(tuán)簇束流的目的材料的種類[5]。在上世紀(jì)末，美國RPI的R.Siegel等開始利用類似裝置制備金屬納米粉末并且注冊公司進(jìn)行納米粉末銷售，該公司在Nasdaq上市并盈利，這標(biāo)志著納米粉體開始走向市場，目前多家公司(Oxford Inc，Micro Powder.Ltd)都開始向市場提供類似的團(tuán)簇束流裝置。

然而，以往的團(tuán)簇束流沉積或者注入加工都是在無機(jī)基底上開展的。這是因?yàn)椋瑘F(tuán)簇束流在真空中飛行并到達(dá)表面，有機(jī)物的蒸氣壓一般都比較高，所以如果采用有機(jī)物作為待加工基底，則存在破壞真空的問題。然而，針對有機(jī)物的納米加工市場潛力巨大，值得我們對束流源的參數(shù)和工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)以達(dá)到在線加工的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1].團(tuán)簇物理學(xué)，王廣厚，上海科學(xué)技術(shù)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.Ishii Nucl.Instrum.Meth.Phys.Res.B 74,341(1993)；

[5].H.Haberland,M.Karrais,M.Mall,and Y.Thurner,J.Vac.Sci.Technol.A 10,3266(1992)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是，提出將團(tuán)簇束流用于有機(jī)加工的方法與設(shè)備。針對團(tuán)簇束流在有機(jī)體加工主要工作在兩方面：1)提出一組適合有機(jī)物加工的條件，使得團(tuán)簇束流適應(yīng)低真空環(huán)境的散射問題，甚至到達(dá)大氣環(huán)境；2)設(shè)計(jì)一個(gè)裝置設(shè)備實(shí)現(xiàn)這一想法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種基于原子團(tuán)簇束流的針對有機(jī)體的納米加工方法，利用團(tuán)簇束流對于蒸氣壓比較高的有機(jī)物進(jìn)行真空內(nèi)的納米加工，實(shí)現(xiàn)納米顆粒到達(dá)有機(jī)物表面并進(jìn)行功能化的效果；原子團(tuán)簇離子達(dá)到1.5×10⁸amu m/s(amu為原子單位)的動(dòng)量；在工藝實(shí)現(xiàn)中，原子團(tuán)簇束流的產(chǎn)生裝置有串聯(lián)的I室、II室和III室；通過I室、II室之間或/與II室、III室之間噴嘴角度的實(shí)現(xiàn)原子團(tuán)簇束流等速度生長，噴嘴角度張開的角度為5到35度(與原子團(tuán)簇束流前進(jìn)方向的夾角)。蒸氣壓比較高的有機(jī)物指蒸氣壓在室溫條件下為0.1-100Pa的固體材料。

在工藝實(shí)現(xiàn)中，相對于一般的團(tuán)簇束流沉積，可以引入I室、II室之間和II室、III室兩次噴嘴，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的生長；

在工藝實(shí)現(xiàn)中，可以輔以直流的離子光學(xué)加速；電子透鏡，用于電子束成形、聚焦和利用電子束或離子束獲取電子光學(xué)成像的特定電磁場。常用的是旋轉(zhuǎn)對稱型聚焦透鏡。或靜電透鏡，在旋轉(zhuǎn)對稱型的若干個(gè)導(dǎo)體電極上分別加上一定的直流電壓所形成的旋轉(zhuǎn)對稱靜電場。例如，由等半徑或不等半徑的雙圓筒電極構(gòu)成的浸沒透鏡；由等半徑或不等半徑的三個(gè)圓筒或三個(gè)光闌構(gòu)成的單電位透鏡以及由陰極、調(diào)制極和陽極構(gòu)成的陰極透鏡。或應(yīng)用垂直于電子束運(yùn)動(dòng)方向的電場和磁場使電子束偏轉(zhuǎn)。

在工藝實(shí)現(xiàn)中，束流室III室輸出與待加工有機(jī)體室應(yīng)由直徑小于5mm的小孔連接；

在工藝實(shí)現(xiàn)中，束流室III室輸出至待加工有機(jī)體室，在低真空中飛行的距離應(yīng)盡可能小，一般為1cm左右(如0.8-1.5cm)。即束流室III室輸出至加工工作的距離1cm左右(如0.8-1.5cm)。有機(jī)物材料可以是聚氟橡膠、聚酰亞胺材料或人工植入假體材料。

本發(fā)明針對第一個(gè)問題，考慮到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，空氣中粒子的平均自由程是0.1微米，其速度是大約500m/s。而一般性的器件和基體尺寸為厘米，也就是說，如果期望團(tuán)簇離子在空氣中準(zhǔn)確到達(dá)距離1厘米遠(yuǎn)的有機(jī)低真空目標(biāo)，至少需要碰撞100次而且不改變飛行方向.如果認(rèn)為僅只能有1％動(dòng)量的損失，也就是團(tuán)簇離子要達(dá)到100*30amu*500m/s/1％的動(dòng)量才有可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

有益效果：本發(fā)明設(shè)定的適合有機(jī)物加工的條件，使得團(tuán)簇束流適應(yīng)低真空環(huán)境的散射問題，甚至到達(dá)大氣環(huán)境；有機(jī)物的團(tuán)簇離子要達(dá)到100*30amu*500m/s/1％的動(dòng)量才有可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。設(shè)計(jì)的裝置設(shè)備實(shí)現(xiàn)這一想法。有機(jī)物材料可以是聚氟橡膠、聚酰亞胺材料或人工植入假體材料均可以有良好的應(yīng)用。

附圖說明

圖1團(tuán)簇束流源室的改進(jìn)結(jié)構(gòu)；

圖2針對加工室的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，我們引入了限制噴嘴角度、引入二次噴嘴和延長生長區(qū)的方法實(shí)現(xiàn)進(jìn)展。如圖2，我們設(shè)計(jì)差分抽氣，限制尺度，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的在線加工。

團(tuán)簇得到加強(qiáng)的生長；實(shí)現(xiàn)各種質(zhì)量組分等速度的團(tuán)簇束流，或者對離子進(jìn)行加速；采用差分抽氣的方法隔離束流真空與待加工樣品。

團(tuán)簇束流源室，有串聯(lián)的I室、II室和III室；通過I室、II室之間或II室、III室之間噴嘴角度的實(shí)現(xiàn)原子團(tuán)簇束流等速度生長，噴嘴角度張開的角度為5到35度有機(jī)物原子團(tuán)簇束流的產(chǎn)生在I室、II室和III室；I室、II室和III室的長度尺寸比例為3：1：1；通過I室、II室之間或II室、III室之間噴嘴張開角度的實(shí)現(xiàn)原子團(tuán)簇束流等速度生長，噴嘴角度張開的角度為5到35度(與原子團(tuán)簇束流前進(jìn)方向的夾角)。I室中設(shè)有蒸發(fā)或離子轟擊靶源裝置，用于產(chǎn)生材料分子蒸氣，I室中還設(shè)有通入高流量的低溫惰性氣體流向I室出口及II室進(jìn)口的方向；產(chǎn)生的納米團(tuán)簇顆粒的尺寸和結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)材料分子蒸氣供應(yīng)濃度、低溫惰性氣體流量和溫度，另可控制生長時(shí)間和生長室電氛圍等因素進(jìn)行控制，產(chǎn)生的納米團(tuán)簇顆粒可以在生長室的III室出口進(jìn)行收集。有機(jī)物原子團(tuán)簇束流在II室和III室中設(shè)有直流的離子光學(xué)加速裝置對有機(jī)物原子團(tuán)簇束流加速。聚酰亞胺材料或人工植入假體材料在生長室內(nèi)，尤其是薄膜狀材料生長條件更均勻。