本發明涉及材料制備設備領域，具體而言，涉及一種團簇束流實驗裝置及納米團簇的制備方法。

背景技術：

金屬、氧化物納米團簇由于量子尺寸效應，造成電子、能帶結構的變化。通過控制納米團簇尺寸的制備，可以實現不同用途的功能材料，如生物醫學、氣體傳感、光催化等。對于納米團簇的制備，通常有水熱合成方法及氣相團簇沉積方法。相比于水熱合成，氣相團簇沉積方法制備的納米團簇具有尺寸可控、無其它雜相，方法簡單等特點。

團簇束流實驗裝置是氣相團簇沉積方法制備納米團簇的常用裝置，然而目前存在的問題是：團簇束流試驗裝置在納米團簇產生、團簇沉積及測量過程中，耗時較長且所得納米團簇性能穩定性較差。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種團簇束流實驗裝置，其能夠將納米團簇產生、團簇質量選擇、團簇沉積、在線催化集成一體化，從而降低獲取納米團簇的時長，提高所需納米團簇的質量穩定性，更好的對團簇的性能進行研究并加以應用。

本發明的另一目的在于提供一種納米團簇的制備方法，其能夠可控的獲得表面潔凈且尺寸和分布固定的納米粒子，其能夠廣泛應用于催化、光學以及傳感等領域，且表現出良好的效果。

本發明的實施例是這樣實現的：

一種團簇束流實驗裝置，其包括團簇束流產生室、差分輸運室、在線催化測量室、團簇質量選擇器以及高真空團簇沉積室。其中，團簇束流產生室、差分輸運室、在線催化測量室以及團簇質量選擇器依次密封連接；高真空團簇沉積室包括第一沉積室和第二沉積室，第一沉積室密封連接于在線催化測量室，差分輸運室、在線催化測量室的內腔和團簇質量選擇器的內腔均連通于第一沉積室，第二沉積室設置有用于接收團簇束流的進料口，團簇質量選擇器密封連接于進料口，在線催化測量室還設置有用于傳遞團簇束流的超高真空傳樣裝置，超高真空傳樣裝置的內腔均連通于差分輸運室和在線催化測量室的內腔。

在本發明較佳的實施例中，上述團簇束流產生室中設置有用于產生團簇束流的磁控濺射設備。

在本發明較佳的實施例中，上述差分輸運室內設置有用于控制團簇束流輸運的輸運差分系統。

在本發明較佳的實施例中，上述差分輸運室內還設置有用于控制團簇束流準直的隔離器。

在本發明較佳的實施例中，上述超高真空傳樣裝置還設置有控制閥，控制閥包括插板閥門和用于控制插板閥門的控制把手，其中，插板閥門位于超高真空傳樣裝置和在線催化測量室之間。

在本發明較佳的實施例中，上述在線催化測量室內設置有用于為在線催化測試提供溫度條件的加熱裝置。

在本發明較佳的實施例中，上述在線催化測量室還設置有用于對催化測試氣體精確調控的高精度質量流量計。

在本發明較佳的實施例中，上述團簇質量選擇器內設置有用于篩選團簇束流的團簇質量選擇系統。

在本發明較佳的實施例中，上述高真空團簇沉積室設置有用于調整高真空團簇沉積室位置的可活動底座，可活動底座轉動連接于高真空團簇沉積室的一端。

一種納米團簇的制備方法，其包括以下步驟：

將靶材放置于團簇束流產生室并密封，將靶材通過磁控濺射的方式加工為團簇束流；

將團簇束流通過差分輸運室輸送至第一沉積室、超高真空傳樣裝置或團簇質量選擇器內；輸送至第一沉積室的團簇束流具有集中的質量分布，且沉積在第一沉積室的襯底上；輸送至超高真空傳樣裝置的團簇束流繼續被輸送至在線催化測量室進行催化測試；將團簇束流輸送到質量選擇器內進行質量選擇的團簇具有固定的原子數，并最終沉積在第二沉積室的襯底上。

本發明實施例的有益效果是：通過將團簇束流產生室、差分輸運室、在線催化測量室以及團簇質量選擇器依次密封連接、將第一沉積室和第二沉積室分別與在線催化測量室和團簇質量選擇器密封連接，使得納米團簇產生、團簇質量選擇、團簇沉積、在線催化能夠集成一體化，從而使得操作人員能夠根據自己實際需要的納米團簇要求制備不同的納米團簇，大大降低獲取納米團簇的時長，提高了所得納米團簇的質量穩定性，同時也能夠對團簇的氣相催化性能進行在線測量及分析。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發明第一實施例提供團簇束流實驗裝置的結構示意圖；

圖2為本發明第二實施例提供團簇束流實驗裝置第一視角的結構示意圖；

圖3為本發明第二實施例提供團簇束流實驗裝置的第二視角結構示意圖；

圖4為本發明第三實施例通過調節沉積參數獲得具有不同尺寸分布的Pd團簇。

圖標：100-團簇束流實驗裝置；200-團簇束流實驗裝置；120-團簇束流產生室；122-閥門；140-差分輸運室；160-在線催化測量室；260-在線催化測量室；162-超高真空傳樣裝置；164-控制閥；166-加熱裝置；268-高精度質量流量計；269-飛行時間質譜儀；170-高真空團簇沉積室；172-第一沉積室；174-第二沉積室；176-進料口；180-團簇質量選擇器。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“上”、“下”、“內”、“外”、“水平”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“設置”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

第一實施例

請參照圖1，本實施例提供一種團簇束流實驗裝置100，其包括團簇束流產生室120、差分輸運室140、在線催化測量室160、團簇質量選擇器180以及高真空團簇沉積室170。其中，團簇束流產生室120、差分輸運室140、在線催化測量室160以及團簇質量選擇器180依次螺紋密封連接，使得它們之間能夠相互連通。

團簇束流產生室120內通過設置磁控濺射設備產生團簇束流。具體地，團簇束流產生是磁控等離子體氣體聚集法產生團簇，其基本機理為：通過磁控濺射等手段，獲得高密度的等離子體，在冷凝腔中，原子與離子在緩沖氣體中膨脹并冷卻、成核并生長為團簇。束流產生室配備高功率直流濺射電源兩臺及射頻磁控濺射電源一臺；配備單靶、雙靶裝置，可實現金屬、氧化物、合金等納米團簇的制備；配備高精度質量流量計兩臺，用于精確調控濺射氣體及輸運氣體的流量。需要說明的是，在其它實施例中，并不僅限于本實施例所介紹的利用磁控濺射的方式產生團簇束流，還可以通過其他方式產生團簇束流，例如，通過加熱蒸發離化、液態金屬離化等方式均可產生團簇束流。

差分輸運室140內通過設置輸運差分系統控制團簇束流的定向飛行輸運。輸運差分系統包括兩個隔離器和一個高分辨晶振儀，兩個隔離器沿差分輸運室140長度方向依次設置，通過外加電場的作用控制團簇束流的準直運行；設置高分辨晶振儀主要是通過利用微處理技術，智能化的監測團簇束流在差分輸運室140內的輸運速度，幫助操作人員對團簇束流的輸運速度作出精準的調整。需要說明的是，在其他實施例中，隔離器的個數并不僅限于本實施例介紹的兩個，可以為一個或多個，例如，1個，3個，5個等。

高真空團簇沉積室170包括第一沉積室172和第二沉積室174，其中，第一沉積室172通過螺紋密封連接的方式與在線催化測量室160連接，且第一沉積室172連通于差分輸運室140，當通過差分輸運室140輸運過來的團簇束流需要直接被沉積形成納米團簇時，可將差分輸運室140中的團簇束流直接輸運到第一沉積室172進行沉積獲得需要的納米團簇。

當需要對差分輸運室140的團簇束流的氣相催化性能進行在線測量和分析時，通過在在線催化測量室160上設置同時連通于差分輸運室140和在線催化測量室160的超高真空傳樣裝置162，將差分輸運室140中的團簇束流通過超高真空傳樣裝置162傳遞到在線催化測量室160中進行催化測試。

進一步地，為了能夠在催化測試的過程中有效的控制在線催化測量室160內的真空度，本實施例在超高真空傳樣裝置162上設置了控制閥164，控制閥164包括控制把手和插板閥門，通過扭動控制把手可以控制插板閥門的閉合狀態，從而控制在線催化測量室160內的真空度。

進一步地，為了促進催化測試過程的順利進行，在線催化測量室160還設置有用于為在線催化測試提供溫度條件的加熱裝置166，加熱裝置166外置于在線催化測量室160的頂端，通過輸送具有加熱屬性的保護氣體對在線催化測量室160內加熱。需要說明的是，在其他實施例中，加熱裝置166與在線催化測量室160的位置關系并不僅限于本實施例介紹的這一種，加熱裝置166還可設置于構成在線催化測量室160材料的夾層中或在線催化測量室160的內壁，均可起到加熱作用。

另外，第一沉積室172與在線催化測量室160的密封連接還實現了第一沉積室172與在線催化測量室160的連通，當在線催化測量室160中的團簇束流進行完催化測試后，可以被輸送到第一沉積室172進行沉積形成納米團簇。需要說明的是，第一沉積室172與在線催化測量室160之間還設置了用于控制兩腔體之間的隔離和連通狀態的插板閥。

進一步地，當需要對團簇束流進行質量選擇時，可直接將團簇束流輸送至團簇質量選擇器180中進行篩選。團簇質量選擇器180內設置有用于篩選團簇束流的團簇質量選擇系統。團簇質量選擇系統包含對團簇離子進行聚焦的粒子光學透鏡系統，對團簇離子進行質量分離的飛行時間選擇系統；其整個團簇質量選擇系統的工作原理是根據不同質量的團簇在電場中飛行相同距離的時間不同，來篩選出所需質量的團簇束流。

進一步地，第二沉積室174設置有用于接收團簇束流的進料口176，團簇質量選擇器180密封連接于進料口176，使得第二沉積室174與團簇質量選擇器180連通。因此，當團簇質量選擇器180對團簇束流進行篩選后，即可輸送到第二沉積室174中進行沉積，從而得到所需要的納米團簇。

進一步地，為了使高真空團簇沉積室170很好的沉積納米團簇，且沉積的納米團簇能夠很方便的被取出，高真空團簇沉積室170還配備了360°可旋轉的襯底座，襯底座可作200mm行程的高度調節和水平20mm行程的水平調節。

本實施例所提供團簇束流實驗裝置100的工作原理是：團簇束流產生室120產生團簇束流，進而借助差分輸運室140中的輸運差分系統將團簇束流輸運到第一沉積室172進行沉積形成納米團簇；如果需要對團簇束流進行催化測試，可借助差分輸運室140中的差分系統將團簇束流輸送至超高真空傳樣裝置162，進而團簇束流進入到在線催化測量室160內，在加熱裝置166的加熱作用下，進行團簇束流的氣相性能測試，測試結束后團簇束流進入到與自身連通的第一沉積室172內進行沉積；當需要對團簇束流進行質量選擇時，可將其輸送到團簇質量選擇器180內，經過團簇質量選擇器180中的質量選擇系統對團簇束流的篩選后，團簇束流被輸運到第二沉積室174進行沉積形成納米團簇。

一種納米團簇的制備方法，其利用團簇束流實驗裝置100進行納米團簇的制備，其包括以下步驟：

將靶材放置于團簇束流產生室120內并關閉團簇束流產生室120的閥門122使其與外界隔絕，通過磁控濺射的方式將靶材加工成為團簇束流；需要說明的是，在其它實施例中，并不僅限于本實施例所介紹的利用磁控濺射的方式產生團簇束流，還可以通過其他方式產生團簇束流，例如，通過加熱蒸發離化、液態金屬離化等方式均可產生團簇束流。另外，本實施例中的靶材主要指金屬靶材，例如金屬銅靶、金屬鈀靶等。

將從團簇束流產生室120中獲得的團簇束流通過差分輸運室140中的輸運差分系統輸送至第一沉積室172或超高真空傳樣裝置162，輸送至第一沉積室172的團簇束流經過一次沉積成為所需的納米團簇；輸送至超高真空傳樣裝置162的團簇束流繼續被輸送至在線催化測量室160進行催化測試，并最終沉積在與之連通的第一沉積室172；如果需要對團簇束流進行質量選擇，則將其輸送至團簇質量選擇器180內。需要說明的是，催化測試過程中，通過在在線催化測量室160設置加熱裝置166，為團簇束流的催化測試提供溫度條件，保證催化測試的順利進行。

進一步地，將團簇質量選擇器180內的團簇束流經過篩選后，輸送至第二沉積室174內進行沉積，得到所需納米團簇。具體地，團簇質量選擇器180對團簇束流的篩選是通過團簇質量選擇器180內設置的團簇質量選擇系統實現的。團簇質量選擇系統會根據不同質量的團簇在電場中飛行相同距離的時間不同，來篩選出所需質量的團簇束流。

需要說明的是，上述整個納米團簇的制備過程中都是在真空條件下進行的，團簇束流實驗裝置100的整套系統配有各腔室所需的真空系統，其包括機械泵、羅茨泵、分子泵；整套系統配有集成控制軟件一套，通過計算機實現對系統主要部件的操控；通過計算機控制不同腔室的真空度，利用不同腔室真空度之間的壓力差完成整個團簇束流在不同腔室的傳輸過程。

第二實施例

請參照圖2和圖3，本實施例提供一種團簇束流實驗裝置200，其與第一實施例的團簇束流實驗裝置100大致相同，二者的區別在于本實施例的團簇束流實驗裝置200的在線催化測量室260設置有用于對催化測試氣體精確調控的高精度質量流量計268。

由于在線催化測量室260中團簇束流的催化性能測試需要添加催化測試氣體來實現，因此，催化測試氣體的添加量對于整個催化測試過程至關重要，配備高精度質量流量計268對催化測試氣體進行精確調控，可以保證整個催化測試過程順利進行。

進一步地，在線催化測量室260還設置有飛行時間質譜儀269，其用于對催化測試過程中殘余氣體的分析；通過對催化測試氣體中的殘余氣體分析可以獲取到團簇束流的催化效果。結合使用高精度質量流量計268和飛行時間質譜儀269，可以判斷和控制催化測試氣體的使用量，從而保證團簇束流在催化測試過程的效果。

本實施例還提供了納米團簇的制備方法，其大致與第一實施例納米團簇的制備方法相同，不同之處在于本實施例在對團簇束流進行催化測試的過程中，借助使用高精度質量流量計268和飛行時間質譜儀269，進行了對催化測試氣體的流量控制和對殘余氣體的檢測分析，從而使催化測試過程效果更佳。

第三實施例

本實施例提供了一種納米團簇的制備方法，其利用了第一實施例提供的團簇束流實驗裝置100，具體為：不同尺寸的Pd納米團簇的制備，其包括以下工序：

將金屬Pd靶放置于團簇束流產生室120，關閉閥門122，啟動機械泵、羅茨泵、分子泵，待真空達到1.0x10^-4Pa。關閉旁軸閥門，利用質量流量計控制濺射氣體、緩沖氣體的流量；打開濺射電源，增加功率，同時利用晶振監測團簇束流的大小。

需要說明的是，本實施例中Pd束流速率為0.04nm/min，產生的束流經過差分系統，最后沉積在第一沉積室172內。實驗中改變靶材與分離器的距離以及緩沖氣體流量，實現不同尺寸的Pd納米團簇的制備。其獲得的Pd納米團簇不同尺寸的分布情況如圖4所示。由圖4可以看出，沉積在第一沉積室172的納米團簇具有集中的質量分布，且整體上不同尺寸的納米團簇分散性和均一性都比較好。

綜上所述，本發明通過將團簇束流產生室、差分輸運室、在線催化測量室以及團簇質量選擇器依次密封連接、將第一沉積室和第二沉積室分別與在線催化測量室和團簇質量選擇器密封連接，使得納米團簇產生、團簇質量選擇、團簇沉積、在線催化能夠集成一體化，從而使得操作人員能夠根據自己實際需要的納米團簇要求制備自己所需的納米團簇；本發明提供團簇束流實驗裝置及采用此裝置獲取納米團簇的制備方法，大大降低了制取納米團簇的時長，提高了所得納米團簇的質量穩定性，同時實現了對團簇的氣相催化性能的在線測量及分析。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。