纳米薄膜材料制备技术新进展！——牛津大学也在用的薄膜沉积系统，有什么独特之处？

发布日期：2022-05-27

一、纳米颗粒膜制备

日前，由英国的薄膜沉积设备制造商Moorfield Nanotechnology公司生产的首套纳米颗粒与磁控溅射综合系统在奥地利的莱奥本矿业大学Christian Mitterer教授课题组安装并交付使用。该设备由MiniLab125型磁控溅射系统与纳米颗粒溅射源共同组成，可以同时满足用户对普通薄膜和纳米颗粒膜制备的需求。

集成了纳米颗粒源的MiniLab125磁控溅射系统

传统薄膜材料的研究专注于制备表面平整、质地致密、晶格缺陷少的薄膜，很多时候更是需要制备沿衬底外延生长的薄膜。然而随着研究的深入，不同的应用方向对薄膜的需求是截然不同。在表面催化、过滤等研究方向，需要超大比表面积的纳米薄膜。在这种情况下，纳米颗粒膜具有不可比拟的优势。而传统的磁控溅射在制备纯颗粒膜方面对于粒径尺寸，颗粒均匀性方面无法实现精准控制。气相沉积法、电弧放电法、水热合成法等在适用性、操作便捷性、与传统样品处理的兼容性等方面不友好。在此情况下，Moorfield Nanotechnology推出了与传统磁控溅射和真空设备兼容的纳米颗粒制备系统。

不同条件制备的颗粒粒径分布（厂家测试数据）

不同颗粒密度样品（厂家测试数据）

纳米颗粒制备技术特点：

▪  纳米颗粒的大小1 nm-20 nm可调；

▪  多可达3重金属，可共沉积，可制备纯/合金颗粒；

▪  材料范围广泛，包括Au、Ag、Cu、Pt、Ir、Ni、Ti、Zr等

▪  拥有通过控制气氛制造复合纳米粒子的可能性（类似于反应溅射）

▪  的纳米颗粒层厚度控制，从亚单层到三维纳米孔

▪  纳米颗粒结构——结晶或非晶、形状可控

纳米颗粒膜的应用方向：

▪  生命科学和纳米医学： 癌症治疗、药物传输、抗菌、抗病毒、生物膜

▪  石墨烯研究方向：电子器件、能源、复合材料、传感器

▪  光电研究：光伏研究、光子俘获、表面增强拉曼

▪  催化：燃料电池、光催化、电化学、水/空气净化

▪  传感器：生物传感器、光学传感器、电学传感器、电化学传感器

二、无机无铅光伏材料

下一代太阳能电池的大部分研究都与铅-卤化物钙钛矿混合材料有关。然而，人们正不断努力寻找具有类似或更好特性的替代化合物，想要消除铅对环境的影响，而迄今为止，这种化合物一直难以获得。因此寻找具有适当带隙范围的无铅材料是很重要的，如果将它们结合起来，就可以利用太阳光谱的不同波长进行发电。这将是提高未来太阳能电池效率降低成本的关键。

近期，牛津大学的光电与光伏器件研究组的Henry Snaith教授与Benjamin Putland博士研究了具有A2BB’X6双钙钛矿结构的新型无机无铅光伏材料。经过计算该材料具有2 eV的带隙，可用做光伏电池的顶层吸光材料与传统Si基光伏材料很好的结合，使光电转换效率达到30%。与有机钙钛矿材料相比，无机钙钛矿材料具有结构稳定使用寿命更长的优势。而这种新材料的制备存在一个问题，由于前驱体组分的不溶性和复杂的结晶过程容易导致非目标性的晶体生长，因此难以通过传统的水溶液法制备均匀的薄膜。Benjamin Putland博士采用真空蒸发使这些问题得以解决。使用Moorfield Nanotechnology的高质量金属\有机物热蒸发系统，通过真空蒸发三种不同的前驱体，研究人员成功沉积制备出了所需要的薄膜。真空蒸发具有较高的控制水平和可扩展性，使得材料的工业化制备成为可能。

所制备的薄膜在150℃退火后，XRD图。

所制备的薄膜在150℃退火后，表面SEM图

三、Moorfield 薄膜制备与加工系统简介

Moorfield Nanotechnology是英国材料科学领域高性能仪器研发公司，成立二十多年来专注于高质量的薄膜生长与加工技术，拥有雄厚的技术实力，推出的多种高性能设备受到科研与工业领域的广泛好评。高精度薄膜制备与加工系统 – MiniLab旗舰系列和nanoPVD台式系列是英国Moorfield Nanotechnology公司经过多年技术积累与改进的结晶。产品的定位是配置灵活、模块化设计的PVD系统，可用于高质量的科学研究和中试生产。

设备的功能和特点：

▪  蒸发设备：热蒸发（金属）、低温热蒸发(有机物)、电子束蒸发

▪  磁控溅射：直流&射频溅射、共溅射、反应溅射

▪  兼容性：可与手套箱集成、满足特殊样品制备

▪  其他功能设备：二维材料精准软刻蚀、样品热处理

▪  设备的控制：触屏编程式全自动控制