一種制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的物理氣相沉積裝置，包括沉積腔（1）、電壓源（2）、磁控管（3）、遮蔽屏（4）、襯底傳輸軌道（5）、遮蔽屏支撐和控制系統(tǒng)（6）、真空泵（7）、以及設(shè)置于磁控管（3）上的濺射靶（8）；所述襯底傳輸軌道（5）用于負(fù)載襯底穿過(guò)沉積腔（1）；所述磁控管（3）、遮蔽屏（4）以及襯底傳輸軌道（5）依次平行設(shè)置；該裝置通過(guò)將遮蔽屏設(shè)置于襯底和濺射靶之間，利用遮蔽屏阻斷部分沉積粒子流，控制沉積粒子流的沉積方向，從而調(diào)節(jié)薄膜生長(zhǎng)的空隙率，實(shí)現(xiàn)薄膜空隙率可控生長(zhǎng)。
【專利說(shuō)明】一種制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置及其應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，特別涉及一種利用物理氣相沉積法制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置，還涉及該裝置所制備的納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜在太陽(yáng)能電池、電致變色智能窗等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002]物理氣相沉積制備薄膜方法是一種通過(guò)熱、濺射和脈沖激光把靶材料原子或分子沉淀積累在半導(dǎo)體晶片或玻璃、陶瓷上而形成薄膜的方法。由于其工藝簡(jiǎn)單，所制得的薄膜性能優(yōu)異，因此在半導(dǎo)體器件和集成電路制造、傳統(tǒng)刀具和玻璃鍍膜中已獲得廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的物理氣相沉積制備的薄膜通常具有高密度、高硬度、低摩擦系數(shù)、很好的耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。物理氣相沉積工藝對(duì)環(huán)境無(wú)不利影響，符合現(xiàn)代綠色制造的發(fā)展方向。
[0003]然而，隨著科技發(fā)展，新興產(chǎn)業(yè)方興未艾，在一些特別的應(yīng)用下實(shí)際需要功能性薄膜多孔。例如，為提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率，需要防反射層來(lái)降低太陽(yáng)光的反射，然而高密度的薄膜反射系數(shù)一般比較高，從而損失光能，不利于提高轉(zhuǎn)化效率；在鋰離子電池等催化領(lǐng)域，需要比表面積大的多空材料作為催化劑加速催化反應(yīng)；在節(jié)能智能窗領(lǐng)域，需要有一定空隙率來(lái)保證離子的快速移動(dòng)和傳輸，等等。在這些領(lǐng)域，通常要求對(duì)傳統(tǒng)物理氣相沉積制得的致密薄膜改性。
[0004]如何在基片表面大面積制備具有納米結(jié)構(gòu)的薄膜，尤其是區(qū)別于傳統(tǒng)致密薄膜的納米多孔性薄膜技術(shù)，國(guó)內(nèi)國(guó)際還沒(méi)有很好的辦法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的第一目的在于提供一種利用物理氣相沉積法大面積制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置。
[0006]本發(fā)明的第二目的是提供上述裝置在制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜中的應(yīng)用。
[0007]技術(shù)方案:本發(fā)明提供的一種制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置，包括沉積腔、電壓源、遮蔽屏支撐和控制裝置、真空泵以及依次平行設(shè)于沉積腔內(nèi)的磁控管、遮蔽屏、襯底傳輸軌道；所述電壓源與磁控管連接；所述遮蔽屏支撐和控制裝置與遮蔽屏連接；所述真空泵與沉積腔連接；所述磁控管上固定有濺射靶。
[0008]作為改進(jìn)，所述遮蔽屏為L(zhǎng)型遮蔽屏或T型遮蔽屏。
[0009]作為另一種改進(jìn)，所述濺射靶為平面靶或旋轉(zhuǎn)靶。
[0010]本發(fā)明還提供了上述制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置在納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜制備中的應(yīng)用，包括以下步驟:
[0011 ] 步驟一，利用電壓源、磁控管和濺射靶，在沉積腔產(chǎn)生等離子體粒子流；
[0012]步驟二，將襯底固定于襯底傳輸軌道上；襯底傳輸軌道將襯底緩慢移動(dòng)通過(guò)沉積腔；
[0013]步驟三，利用遮蔽屏控制粒子流方向，使步驟一中產(chǎn)生的等離子粒子流在襯底上以傾斜角沉積，形成納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜。
[0014]作為優(yōu)選，制得的納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜空隙率為0.05-0.50或0.10-0.80。
[0015]本發(fā)明還提供了上述制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置在太陽(yáng)能電池中防反射膜制備中的應(yīng)用，包括以下步驟:利用上述制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置在襯底上沉積納米多孔低折射率層，調(diào)節(jié)折射率至接近于空氣的折射率1.05，如1.05-2。
[0016]本發(fā)明還提供了上述制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置在電致變色智能窗制備中的應(yīng)用，包括以下步驟:
[0017](1)利用物理氣相沉積裝置在玻璃襯底上沉積第一透明導(dǎo)電層11 (TC0層)；
[0018](2)利用權(quán)利要求1至3所述的制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置在第一透明導(dǎo)電層11上沉積納米多孔結(jié)構(gòu)的電致變色層12 (EC層)；
[0019](3)利用現(xiàn)有物理氣相沉積裝置在電致變色層12上沉積離子傳導(dǎo)層13 (IC層)；
[0020](4)利用權(quán)利要求1至3所述的制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置在離子傳導(dǎo)層13上沉積納米多孔結(jié)構(gòu)的對(duì)電極層14 (CE層)；
[0021](5)利用物理氣相沉積裝置在對(duì)電極層14上沉積第二透明導(dǎo)電層。
[0022]有益效果:本發(fā)明提供的制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置通過(guò)將遮蔽屏設(shè)置于襯底和濺射靶之間，利用遮蔽屏阻斷部分沉積粒子流，控制沉積粒子流的沉積方向，從而調(diào)節(jié)薄膜生長(zhǎng)的空隙率，實(shí)現(xiàn)薄膜空隙率可控生長(zhǎng)。
[0023]現(xiàn)有物理氣相沉積裝置中的遮蔽屏通常用來(lái)阻斷粒子流沉積到真空腔上，本發(fā)明通過(guò)增加遮蔽屏和其支撐和控制系統(tǒng)，將其增設(shè)于襯底和濺射靶之間，利用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)遮蔽屏來(lái)阻斷垂直入射的沉積粒子流，僅容許粒子流以傾斜角沉積到襯底上，從而控制沉積粒子流的沉積方向，形成斜角或偏角沉積。斜角或偏角在沉積過(guò)程中由于原子遮蔽效應(yīng)，能夠得到具有納米多孔結(jié)構(gòu)的薄膜，從而調(diào)節(jié)生長(zhǎng)薄膜的空隙率，實(shí)現(xiàn)薄膜空隙率可控生長(zhǎng)。
[0024]本發(fā)明裝置和方法應(yīng)用范圍廣，在玻璃、太陽(yáng)能電池、低輻射節(jié)能玻璃、電致變色玻璃等均適用。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為包含平面靶和L型遮蔽屏系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為包含平面靶和L型遮蔽屏系統(tǒng)的裝置局部放大圖；
[0027]圖3為包含平面靶和T型遮蔽屏系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖4為包含旋轉(zhuǎn)靶和T型遮蔽屏系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖5為實(shí)施例4制得的電致變色智能窗的薄膜堆疊結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步說(shuō)明。
[0031]實(shí)施例1
[0032]制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置，見(jiàn)圖1，包括沉積腔(I)、電壓源(2)、遮蔽屏支撐和控制裝置(6)、真空泵(7)以及依次平行設(shè)于沉積腔(I)內(nèi)的磁控管(3)、遮蔽屏(4)、襯底傳輸軌道(5 );電壓源(2 )與磁控管(3 )連接；磁控管(3 )上固定有濺射靶(8 )。襯底傳輸軌道(5)用于負(fù)載襯底穿過(guò)沉積腔(I)。
[0033]遮蔽屏支撐和控制裝置(6)與遮蔽屏(4)連接，采用常用的機(jī)械控制技術(shù)以在沉積過(guò)程中控制改變遮蔽屏(4)的幾何形狀、尺寸和相對(duì)于濺射靶的物理位置。例如，控制遮蔽屏(4)在濺射靶(8)前平行移動(dòng)；阻斷一半沉積粒子流或三分之一粒子流。又如，在不需要遮蔽屏的時(shí)候?qū)⒄诒纹镣耆崎_。
[0034]真空泵(7)與沉積腔(I)連接，用來(lái)給沉積腔(I)抽真空，沉積氣壓的控制可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣體導(dǎo)入速率和抽真空速率來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常來(lái)說(shuō)，沉積氣壓在0.01mTorr到10mTorr之間。
[0035]遮蔽屏(5)為L(zhǎng)型遮蔽屏，可選地，遮蔽屏的形狀也可以為L(zhǎng)型、T型或其它平面型、圓柱形或它們的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。遮蔽屏可以為與靶材相同材料或其他材料制成，也可以設(shè)置合適的底紋防止產(chǎn)生碎片。
[0036]本發(fā)明所使用的磁控管(3 )可選用現(xiàn)有的裝置，通過(guò)磁鐵或電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)形成受限于濺射靶附近的高密度的等離子體。
[0037]本發(fā)明所使用的連接到濺射靶上電壓源(2)可以是直流、中頻或高頻的。
[0038]利用該裝置制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜，包括以下步驟:
[0039]步驟一，利用電壓源(2)、磁控管(3)和濺射靶(8)，在沉積腔(I)產(chǎn)生等離子體粒子流；
[0040]步驟二，將襯底固定于襯底傳輸軌道(5 )上；襯底傳輸軌道(5 )將襯底緩慢移動(dòng)通過(guò)沉積腔(I);
[0041]步驟三，利用遮蔽屏(5)控制粒子流方向，使步驟一中產(chǎn)生的等離子粒子流在襯底上以傾斜角沉積，形成納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜。
[0042]通常濺射靶靶材是由所需要的沉積的薄膜材料制成(如銀、鎢、鎳、金屬混合物或金屬氧化物);
[0043]所沉積的薄膜結(jié)構(gòu)主要取決于沉積粒子流相對(duì)于襯底的沉積方向；大角度傾斜角沉積時(shí)，由于原子遮蔽效應(yīng)，能夠形成低密度柱狀多孔薄膜結(jié)構(gòu)。具體而言，采用傳統(tǒng)物理氣相沉積，即不包括遮蔽屏，沉積粒子流直接沉積在襯底上，絕大部分粒子流沉積角度接近零度(也就是粒子流方向接近垂直于襯底)，所生長(zhǎng)薄膜致密，孔隙率一般在0.05以下，薄膜中孔隙主要由晶粒間界面或無(wú)定形薄膜中顆粒間空隙形成。然而利用本發(fā)明裝置，當(dāng)沉積粒子流沉積角度偏大時(shí)，如大于30度、60度或80度，由于原子遮蔽效應(yīng)，能夠生長(zhǎng)低密度多孔薄膜。
[0044]粒子流的沉積角度，可以通過(guò)遮蔽屏的尺寸和幾何形狀以及和濺射靶之間的相對(duì)位置來(lái)定義。
[0045]例如，當(dāng)遮蔽屏的尺寸和幾何形狀以及和濺射靶之間的相對(duì)位置固定時(shí)，見(jiàn)圖2，遮蔽屏的長(zhǎng)度根據(jù)需要增加或減少，粒子流的沉積角度Θ為:
[0046]沒(méi)tun —
[0047]其中為遮蔽屏的超過(guò)濺射靶軸線的長(zhǎng)度，d為遮蔽屏和濺射靶之間的距離。在沉積過(guò)程中，只有沉積角度大于Θ的粒子流才能到達(dá)襯底表面。
[0048]而遮蔽屏和濺射靶之間的相對(duì)距離d也可以根據(jù)需要調(diào)近或調(diào)遠(yuǎn)，從而控制沉積角度。
[0049]利用該裝置，通過(guò)控制不同的工藝參數(shù)制得批號(hào)為01-05的納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜樣品，其孔隙率在0.05到0.5之間，見(jiàn)表1。
[0050]表1批號(hào)01-05的五批次樣品實(shí)驗(yàn)條件和性能測(cè)定
[0051]

【權(quán)利要求】
1.一種制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置，包括沉積腔(I)、電壓源(2)、遮蔽屏支撐和控制裝置(6)、真空泵(7)以及依次平行設(shè)于沉積腔(I)內(nèi)的磁控管(3)、遮蔽屏(4)、襯底傳輸軌道(5);所述電壓源(2)與磁控管(3)連接；所述遮蔽屏(4)與遮蔽屏支撐和控制裝置(6)連接；所述真空泵(7)與沉積腔(I)連接；所述磁控管(3)上固定有濺射靶(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置，其特征在于:所述遮蔽屏(4)為L(zhǎng)型遮蔽屏或T型遮蔽屏。
3.權(quán)利要求1至2任一項(xiàng)所述的制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置在納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜制備中的應(yīng)用，其特征在于:包括以下步驟: 步驟一，利用電壓源(2)、磁控管(3)和濺射靶(8)，在沉積腔(I)產(chǎn)生等離子體粒子流； 步驟二，將襯底固定于襯底傳輸軌道(5 )上；襯底傳輸軌道(5 )將襯底緩慢移動(dòng)通過(guò)沉積腔(I); 步驟三，利用遮蔽屏(5)控制粒子流方向，使步驟一中產(chǎn)生的等離子粒子流在襯底上以傾斜角沉積生長(zhǎng)，形成納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜。
4.如權(quán)利要求3所述的應(yīng)用，其特征在于:所述濺射靶為平面靶或旋轉(zhuǎn)靶。
5.如權(quán)利要求3所述的應(yīng)用，其特征在于:制得的納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜空隙率為0.05-0.50 或 0.10-0.80。
6.權(quán)利要求1至2所述的制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置在太陽(yáng)能電池中防反射膜制備中的應(yīng)用，其特征在于:包括以下步驟:利用權(quán)利要求1至3所述的制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置在襯底上沉積納米多孔低折射率層，調(diào)節(jié)折射率至1.05-2.00。
7.權(quán)利要求1至2所述的制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置在電致變色智能窗制備中的應(yīng)用，其特征在于:包括以下步驟: (1)利用物理氣相沉積裝置在玻璃襯底上沉積第一透明導(dǎo)電層11; (2)利用權(quán)利要求1至3所述的制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置在第一透明導(dǎo)電層11上沉積納米多孔結(jié)構(gòu)的電致變色層12 ； (3)利用現(xiàn)有物理氣相沉積裝置在電致變色層12上沉積離子傳導(dǎo)層13； (4)利用權(quán)利要求1至3所述的制備納米多孔結(jié)構(gòu)薄膜的裝置在離子傳導(dǎo)層13上沉積納米多孔結(jié)構(gòu)的對(duì)電極層14 ； (5)利用物理氣相沉積裝置在對(duì)電極層14上沉積第二透明導(dǎo)電層。
【文檔編號(hào)】B82Y40/00GK104073774SQ201410124431
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】周春明, 陳偉, 管永鋒, 徐源 申請(qǐng)人:能源X控股有限公司