一种团簇束流实验装置及纳米团簇的制备方法

摘要

一种团簇束流实验装置及纳米团簇的制备方法，其主要涉及材料制备设备领域。其中，团簇束流实验装置包括团簇束流产生室、差分输运室、在线催化测量室、团簇质量选择器以及高真空团簇沉积室。通过将团簇束流产生室、差分输运室、在线催化测量室以及团簇质量选择器依次密封连接、将第一沉积室和第二沉积室分别与在线催化测量室和团簇质量选择器密封连接，使得纳米团簇产生、团簇质量选择、团簇沉积、在线催化能够集成一体化，从而使得操作人员能够根据自己实际需要的纳米团簇要求制备自己所需的纳米团簇，并能对团簇的催化性能进行在线测量。采用上述团簇束流实验装置进行纳米团簇的制备，大大降低了制取纳米团簇的时长，同时提高了所得纳米团簇的质量稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备设备领域，具体而言，涉及一种团簇束流实验装置及纳米团簇的制备方法。

背景技术

金属、氧化物纳米团簇由于量子尺寸效应，造成电子、能带结构的变化。通过控制纳米团簇尺寸的制备，可以实现不同用途的功能材料，如生物医学、气体传感、光催化等。对于纳米团簇的制备，通常有水热合成方法及气相团簇沉积方法。相比于水热合成，气相团簇沉积方法制备的纳米团簇具有尺寸可控、无其它杂相，方法简单等特点。

团簇束流实验装置是气相团簇沉积方法制备纳米团簇的常用装置，然而目前存在的问题是：团簇束流试验装置在纳米团簇产生、团簇沉积及测量过程中，耗时较长且所得纳米团簇性能稳定性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种团簇束流实验装置，其能够将纳米团簇产生、团簇质量选择、团簇沉积、在线催化集成一体化，从而降低获取纳米团簇的时长，提高所需纳米团簇的质量稳定性，更好的对团簇的性能进行研究并加以应用。

本发明的另一目的在于提供一种纳米团簇的制备方法，其能够可控的获得表面洁净且尺寸和分布固定的纳米粒子，其能够广泛应用于催化、光学以及传感等领域，且表现出良好的效果。

本发明的实施例是这样实现的：

一种团簇束流实验装置，其包括团簇束流产生室、差分输运室、在线催化测量室、团簇质量选择器以及高真空团簇沉积室。其中，团簇束流产生室、差分输运室、在线催化测量室以及团簇质量选择器依次密封连接；高真空团簇沉积室包括第一沉积室和第二沉积室，第一沉积室密封连接于在线催化测量室，差分输运室、在线催化测量室的内腔和团簇质量选择器的内腔均连通于第一沉积室，第二沉积室设置有用于接收团簇束流的进料口，团簇质量选择器密封连接于进料口，在线催化测量室还设置有用于传递团簇束流的超高真空传样装置，超高真空传样装置的内腔均连通于差分输运室和在线催化测量室的内腔。

在本发明较佳的实施例中，上述团簇束流产生室中设置有用于产生团簇束流的磁控溅射设备。

在本发明较佳的实施例中，上述差分输运室内设置有用于控制团簇束流输运的输运差分系统。

在本发明较佳的实施例中，上述差分输运室内还设置有用于控制团簇束流准直的隔离器。

在本发明较佳的实施例中，上述超高真空传样装置还设置有控制阀，控制阀包括插板阀门和用于控制插板阀门的控制把手，其中，插板阀门位于超高真空传样装置和在线催化测量室之间。

在本发明较佳的实施例中，上述在线催化测量室内设置有用于为在线催化测试提供温度条件的加热装置。

在本发明较佳的实施例中，上述在线催化测量室还设置有用于对催化测试气体精确调控的高精度质量流量计。

在本发明较佳的实施例中，上述团簇质量选择器内设置有用于筛选团簇束流的团簇质量选择系统。

在本发明较佳的实施例中，上述高真空团簇沉积室设置有用于调整高真空团簇沉积室位置的可活动底座，可活动底座转动连接于高真空团簇沉积室的一端。

一种纳米团簇的制备方法，其包括以下步骤：

将靶材放置于团簇束流产生室并密封，将靶材通过磁控溅射的方式加工为团簇束流；

将团簇束流通过差分输运室输送至第一沉积室、超高真空传样装置或团簇质量选择器内；输送至第一沉积室的团簇束流具有集中的质量分布，且沉积在第一沉积室的衬底上；输送至超高真空传样装置的团簇束流继续被输送至在线催化测量室进行催化测试；将团簇束流输送到质量选择器内进行质量选择的团簇具有固定的原子数，并最终沉积在第二沉积室的衬底上。

本发明实施例的有益效果是：通过将团簇束流产生室、差分输运室、在线催化测量室以及团簇质量选择器依次密封连接、将第一沉积室和第二沉积室分别与在线催化测量室和团簇质量选择器密封连接，使得纳米团簇产生、团簇质量选择、团簇沉积、在线催化能够集成一体化，从而使得操作人员能够根据自己实际需要的纳米团簇要求制备不同的纳米团簇，大大降低获取纳米团簇的时长，提高了所得纳米团簇的质量稳定性，同时也能够对团簇的气相催化性能进行在线测量及分析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供团簇束流实验装置的结构示意图；

图2为本发明第二实施例提供团簇束流实验装置第一视角的结构示意图；

图3为本发明第二实施例提供团簇束流实验装置的第二视角结构示意图；

图4为本发明第三实施例通过调节沉积参数获得具有不同尺寸分布的Pd团簇。

图标：100-团簇束流实验装置；200-团簇束流实验装置；120-团簇束流产生室；122-阀门；140-差分输运室；160-在线催化测量室；260-在线催化测量室；162-超高真空传样装置；164-控制阀；166-加热装置；268-高精度质量流量计；269-飞行时间质谱仪；170-高真空团簇沉积室；172-第一沉积室；174-第二沉积室；176-进料口；180-团簇质量选择器。

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供一种团簇束流实验装置100，其包括团簇束流产生室120、差分输运室140、在线催化测量室160、团簇质量选择器180以及高真空团簇沉积室170。其中，团簇束流产生室120、差分输运室140、在线催化测量室160以及团簇质量选择器180依次螺纹密封连接，使得它们之间能够相互连通。

团簇束流产生室120内通过设置磁控溅射设备产生团簇束流。具体地，团簇束流产生是磁控等离子体气体聚集法产生团簇，其基本机理为：通过磁控溅射等手段，获得高密度的等离子体，在冷凝腔中，原子与离子在缓冲气体中膨胀并冷却、成核并生长为团簇。束流产生室配备高功率直流溅射电源两台及射频磁控溅射电源一台；配备单靶、双靶装置，可实现金属、氧化物、合金等纳米团簇的制备；配备高精度质量流量计两台，用于精确调控溅射气体及输运气体的流量。需要说明的是，在其它实施例中，并不仅限于本实施例所介绍的利用磁控溅射的方式产生团簇束流，还可以通过其他方式产生团簇束流，例如，通过加热蒸发离化、液态金属离化等方式均可产生团簇束流。

差分输运室140内通过设置输运差分系统控制团簇束流的定向飞行输运。输运差分系统包括两个隔离器和一个高分辨晶振仪，两个隔离器沿差分输运室140长度方向依次设置，通过外加电场的作用控制团簇束流的准直运行；设置高分辨晶振仪主要是通过利用微处理技术，智能化的监测团簇束流在差分输运室140内的输运速度，帮助操作人员对团簇束流的输运速度作出精准的调整。需要说明的是，在其他实施例中，隔离器的个数并不仅限于本实施例介绍的两个，可以为一个或多个，例如，1个，3个，5个等。

高真空团簇沉积室170包括第一沉积室172和第二沉积室174，其中，第一沉积室172通过螺纹密封连接的方式与在线催化测量室160连接，且第一沉积室172连通于差分输运室140，当通过差分输运室140输运过来的团簇束流需要直接被沉积形成纳米团簇时，可将差分输运室140中的团簇束流直接输运到第一沉积室172进行沉积获得需要的纳米团簇。

当需要对差分输运室140的团簇束流的气相催化性能进行在线测量和分析时，通过在在线催化测量室160上设置同时连通于差分输运室140和在线催化测量室160的超高真空传样装置162，将差分输运室140中的团簇束流通过超高真空传样装置162传递到在线催化测量室160中进行催化测试。

进一步地，为了能够在催化测试的过程中有效的控制在线催化测量室160内的真空度，本实施例在超高真空传样装置162上设置了控制阀164，控制阀164包括控制把手和插板阀门，通过扭动控制把手可以控制插板阀门的闭合状态，从而控制在线催化测量室160内的真空度。

进一步地，为了促进催化测试过程的顺利进行，在线催化测量室160还设置有用于为在线催化测试提供温度条件的加热装置166，加热装置166外置于在线催化测量室160的顶端，通过输送具有加热属性的保护气体对在线催化测量室160内加热。需要说明的是，在其他实施例中，加热装置166与在线催化测量室160的位置关系并不仅限于本实施例介绍的这一种，加热装置166还可设置于构成在线催化测量室160材料的夹层中或在线催化测量室160的内壁，均可起到加热作用。

另外，第一沉积室172与在线催化测量室160的密封连接还实现了第一沉积室172与在线催化测量室160的连通，当在线催化测量室160中的团簇束流进行完催化测试后，可以被输送到第一沉积室172进行沉积形成纳米团簇。需要说明的是，第一沉积室172与在线催化测量室160之间还设置了用于控制两腔体之间的隔离和连通状态的插板阀。

进一步地，当需要对团簇束流进行质量选择时，可直接将团簇束流输送至团簇质量选择器180中进行筛选。团簇质量选择器180内设置有用于筛选团簇束流的团簇质量选择系统。团簇质量选择系统包含对团簇离子进行聚焦的粒子光学透镜系统，对团簇离子进行质量分离的飞行时间选择系统；其整个团簇质量选择系统的工作原理是根据不同质量的团簇在电场中飞行相同距离的时间不同，来筛选出所需质量的团簇束流。

进一步地，第二沉积室174设置有用于接收团簇束流的进料口176，团簇质量选择器180密封连接于进料口176，使得第二沉积室174与团簇质量选择器180连通。因此，当团簇质量选择器180对团簇束流进行筛选后，即可输送到第二沉积室174中进行沉积，从而得到所需要的纳米团簇。

进一步地，为了使高真空团簇沉积室170很好的沉积纳米团簇，且沉积的纳米团簇能够很方便的被取出，高真空团簇沉积室170还配备了360°可旋转的衬底座，衬底座可作200mm行程的高度调节和水平20mm行程的水平调节。

本实施例所提供团簇束流实验装置100的工作原理是：团簇束流产生室120产生团簇束流，进而借助差分输运室140中的输运差分系统将团簇束流输运到第一沉积室172进行沉积形成纳米团簇；如果需要对团簇束流进行催化测试，可借助差分输运室140中的差分系统将团簇束流输送至超高真空传样装置162，进而团簇束流进入到在线催化测量室160内，在加热装置166的加热作用下，进行团簇束流的气相性能测试，测试结束后团簇束流进入到与自身连通的第一沉积室172内进行沉积；当需要对团簇束流进行质量选择时，可将其输送到团簇质量选择器180内，经过团簇质量选择器180中的质量选择系统对团簇束流的筛选后，团簇束流被输运到第二沉积室174进行沉积形成纳米团簇。

一种纳米团簇的制备方法，其利用团簇束流实验装置100进行纳米团簇的制备，其包括以下步骤：

将靶材放置于团簇束流产生室120内并关闭团簇束流产生室120的阀门122使其与外界隔绝，通过磁控溅射的方式将靶材加工成为团簇束流；需要说明的是，在其它实施例中，并不仅限于本实施例所介绍的利用磁控溅射的方式产生团簇束流，还可以通过其他方式产生团簇束流，例如，通过加热蒸发离化、液态金属离化等方式均可产生团簇束流。另外，本实施例中的靶材主要指金属靶材，例如金属铜靶、金属钯靶等。

将从团簇束流产生室120中获得的团簇束流通过差分输运室140中的输运差分系统输送至第一沉积室172或超高真空传样装置162，输送至第一沉积室172的团簇束流经过一次沉积成为所需的纳米团簇；输送至超高真空传样装置162的团簇束流继续被输送至在线催化测量室160进行催化测试，并最终沉积在与之连通的第一沉积室172；如果需要对团簇束流进行质量选择，则将其输送至团簇质量选择器180内。需要说明的是，催化测试过程中，通过在在线催化测量室160设置加热装置166，为团簇束流的催化测试提供温度条件，保证催化测试的顺利进行。

进一步地，将团簇质量选择器180内的团簇束流经过筛选后，输送至第二沉积室174内进行沉积，得到所需纳米团簇。具体地，团簇质量选择器180对团簇束流的筛选是通过团簇质量选择器180内设置的团簇质量选择系统实现的。团簇质量选择系统会根据不同质量的团簇在电场中飞行相同距离的时间不同，来筛选出所需质量的团簇束流。

需要说明的是，上述整个纳米团簇的制备过程中都是在真空条件下进行的，团簇束流实验装置100的整套系统配有各腔室所需的真空系统，其包括机械泵、罗茨泵、分子泵；整套系统配有集成控制软件一套，通过计算机实现对系统主要部件的操控；通过计算机控制不同腔室的真空度，利用不同腔室真空度之间的压力差完成整个团簇束流在不同腔室的传输过程。

第二实施例

请参照图2和图3，本实施例提供一种团簇束流实验装置200，其与第一实施例的团簇束流实验装置100大致相同，二者的区别在于本实施例的团簇束流实验装置200的在线催化测量室260设置有用于对催化测试气体精确调控的高精度质量流量计268。

由于在线催化测量室260中团簇束流的催化性能测试需要添加催化测试气体来实现，因此，催化测试气体的添加量对于整个催化测试过程至关重要，配备高精度质量流量计268对催化测试气体进行精确调控，可以保证整个催化测试过程顺利进行。

进一步地，在线催化测量室260还设置有飞行时间质谱仪269，其用于对催化测试过程中残余气体的分析；通过对催化测试气体中的残余气体分析可以获取到团簇束流的催化效果。结合使用高精度质量流量计268和飞行时间质谱仪269，可以判断和控制催化测试气体的使用量，从而保证团簇束流在催化测试过程的效果。

本实施例还提供了纳米团簇的制备方法，其大致与第一实施例纳米团簇的制备方法相同，不同之处在于本实施例在对团簇束流进行催化测试的过程中，借助使用高精度质量流量计268和飞行时间质谱仪269，进行了对催化测试气体的流量控制和对残余气体的检测分析，从而使催化测试过程效果更佳。

第三实施例

本实施例提供了一种纳米团簇的制备方法，其利用了第一实施例提供的团簇束流实验装置100，具体为：不同尺寸的Pd纳米团簇的制备，其包括以下工序：

将金属Pd靶放置于团簇束流产生室120，关闭阀门122，启动机械泵、罗茨泵、分子泵，待真空达到1.0x10^-4Pa。关闭旁轴阀门，利用质量流量计控制溅射气体、缓冲气体的流量；打开溅射电源，增加功率，同时利用晶振监测团簇束流的大小。

需要说明的是，本实施例中Pd束流速率为0.04nm/min，产生的束流经过差分系统，最后沉积在第一沉积室172内。实验中改变靶材与分离器的距离以及缓冲气体流量，实现不同尺寸的Pd纳米团簇的制备。其获得的Pd纳米团簇不同尺寸的分布情况如图4所示。由图4可以看出，沉积在第一沉积室172的纳米团簇具有集中的质量分布，且整体上不同尺寸的纳米团簇分散性和均一性都比较好。

综上所述，本发明通过将团簇束流产生室、差分输运室、在线催化测量室以及团簇质量选择器依次密封连接、将第一沉积室和第二沉积室分别与在线催化测量室和团簇质量选择器密封连接，使得纳米团簇产生、团簇质量选择、团簇沉积、在线催化能够集成一体化，从而使得操作人员能够根据自己实际需要的纳米团簇要求制备自己所需的纳米团簇；本发明提供团簇束流实验装置及采用此装置获取纳米团簇的制备方法，大大降低了制取纳米团簇的时长，提高了所得纳米团簇的质量稳定性，同时实现了对团簇的气相催化性能的在线测量及分析。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。