用于获得在固体表面上的纳米结构涂层的装置专利检索- 超微技术专利检索查询-专利查询网

用于获得在固体表面上的纳米结构涂层的装置
申请号	CN201490001534.X	申请日	2014-09-02	公开(公告)号	CN207430606U	公开(公告)日	2018-06-01
申请人	伊扎维克技术有限责任公司;			发明人	弗拉基米尔·杰科夫莱维奇·石里波夫; 海纳茨·康斯坦丁诺维奇·扎夫尼尔克;
摘要	本申请涉及用于形成表面活性化合物的单层和多层的Langmuir-Blodgett膜的仪器和设备，具体为用于获得在固体表面上的纳米结构涂层的装置，其被用在电子产品、分子电子学元件和其他装置的高科技生产中，其操作是基于量子尺寸效应。本实用新型的目的在于开发提供用于获得具有特殊物理和化学特征的功能性涂层的连续加工的装置，当产品在使用中该装置保证其长期稳定性和耐磨性。该设定的目的通过使该装置配备提供用于清洁工作液体和将所清洁的工作液体供应到加工槽的连续处理的单元；单层形成系统；输送系统和提供用于由于物理吸附和化学反应而自动活化基片表面以及稳定表面上的层的附加系统。该装置的开发设计提供用于在基片的连续改良工艺中获得高质量的功能性涂层。
权利要求	1.用于获得在固体表面上的纳米结构涂层的装置，包括：注入工作液体的加工槽，排液设施；至少一种用于将表面活性剂溶液以单层形式铺开到所述工作液体表面上的自动装置，用于将基片移动并以相对于水平面的一个角度存放基片通过所述单层的设施，沿着相对的槽侧面设置的具有在水平面中移动可能性的两个线性障碍物以及可旋转的圆柱形障碍物，所述圆柱形障碍物的轴平行于所述工作液体表面和所述线性障碍物，并且设置在所述线性障碍物之间；两个表面张力传感器，基片表面活化单元和电子控制单元，其特征在于，所述用于获得在固体表面上的纳米结构涂层的装置还包括至少一个热交换器，用于清洁所述工作液体并维持其特定水平的系统，和工作液体供应装置；并且所述圆柱形障碍物安置成具有竖直移动的可能性以致其轴位于所述工作液体水平面之下。 2.根据权利要求1所述的用于获得在固体表面上的纳米结构涂层的装置，其特征在于，所述加工槽的内部底表面是由斜面制成。 3.根据权利要求1所述的用于获得在固体表面上的纳米结构涂层的装置，其特征在于，所述线性障碍物安置成具有竖直移动的可能性。 4.根据权利要求1所述的用于获得在固体表面上的纳米结构涂层的装置，其特征在于，所述圆柱形障碍物由化学惰性材料制成。 5.根据权利要求1所述的用于获得在固体表面上的纳米结构涂层的装置，其特征在于，用于将表面活性剂溶液铺开到所述工作液体表面的装置被制成微型气溶胶分配器的形式。 6.根据权利要求1所述的用于获得在固体表面上的纳米结构涂层的装置，其特征在于，所述基片移动设施被制造为带式输送机。 7.根据权利要求1所述的用于获得在固体表面上的纳米结构涂层的装置，其特征在于，所述基片移动设施被制造为运输辊的至少两个部分，每个部分提供有自动步进电机。 8.根据权利要求1所述的用于获得在固体表面上的纳米结构涂层的装置，其特征在于，所述基片表面活化单元被制造为用于通过物理方法对所述基片表面进行活化的加工元件的组合。 9.根据权利要求1所述的用于获得在固体表面上的纳米结构涂层的装置，其特征在于，所述基片表面活化单元被制造为用于通过物理方法在低温等离子体中对所述基片表面进行活化的加工元件的组合。 10.根据权利要求1所述的用于获得在固体表面上的纳米结构涂层的装置，其特征在于，所述用于清洁所述工作液体并维持其在所述槽中的特定水平的系统包括液面传感器。 11.根据权利要求10所述的用于获得在固体表面上的纳米结构涂层的装置，其特征在于，所述用于清洁所述工作液体并维持其在所述槽中的特定水平的系统包括气密封口。
说明书全文	用于获得在固体表面上的纳米结构涂层的装置技术领域 [0001] 本实用新型涉及用于在固体表面上形成表面活性剂(SA)的单层和多层的 Langmuir-Blodgett膜的仪器和设备，其将被用在电子产品、分子电子学元件和其他装置的高科技制造中，其操作是基于量子尺寸效应。 [0002] 当制造耐磨涂层、光子晶体、超薄绝缘导电膜、钝化保护涂层、传感层、各向异性光学涂层、干扰和极化滤光器等时，该装置能够用于产生具有特殊结构和可控层数的功能性复合涂层。背景技术 [0003] 目前，存在一些熟知的用于形成Langmuir-Blodgett膜的装置。这样的装置由容纳液体(亚相)的称为LB槽的容器、沿着槽边缘安装的具有运动可能性的表面线性障碍、用于测量单层的表面张力(表面压力)的传感器和用于移动基片的支撑件组成[1]。通常，该装置安装在防振底座上。 [0004] Langmuir-Blodgett方法包括在界面上形成固体单分子层以及将该层转移到基片表面。 [0005] 为此目的，将一定体积的在挥发性溶剂中的膜形成基片溶液铺开(或分散，涂覆) 到亚相表面上。在溶剂挥发之后，在水表面上形成SA的薄单分子膜，通过压缩障碍物的方法使该膜中的分子定向直至获得分子密排的固体膜。 [0006] 在这样的装置中，由于基片穿过单层的竖直运动，单层被转移到基片(表面改性) 上，以致由于通过线性障碍物以与改性(modifying)基片面积成比例的值自动压缩单层表面，在沉积处理中膜的压力保持恒定。 [0007] 所描述的装置不能保证所改性层的无缺陷质量，其是由于化合物在液体的弯月面中的聚集(当后者与竖直定向的基片接触时)引起的；这里，适合于形成无缺陷涂层的SA 的选择是受限制的，并且待改性的表面积的大小不超过几十平方厘米，它是由基片浸区的大小决定的。 [0008] 此外，由于将形成膜的SA的新部分铺开到液体表面的方法的循环特性，通过所描述的装置来组织连续的沉积处理是不可能的。 [0009] 保证将单分子SA膜沉积到位于带基的基片上的连续处理的装置[2]也是已知的。所述装置由特氟龙贮液槽(cuvette)、将槽分成两个区间的旋转圆柱形形障碍物，两个表面压力传感器、自动化分配器以及由三个辊子(roll)组成的带状运输机械(柔性的带状聚合物基片紧固到其上)组成。这里，其中一个滚筒浸入亚相中。 [0010] 这个装置的操作原理包括用工作液体填充槽，以及来自分配器的SA铺开到没有带- 运输机械的区间(铺开区间)中。 [0011] 在溶剂从水表面挥发之后，两性分子转移到具有带-运输机械的区间(沉积区间)并且通过圆柱形障碍物的旋转组织成单层。一旦在物质沉积区间中的表面压力到达与单层的有序状态对应的值，带式运输机械允许待通过SA层的基片自动转换。 [0012] 通过使圆柱形障碍物的旋转伴随来自分配器的分子铺开与带-运输机械的操作(其运动通过表面张力传感器处于反馈控制下)的同步实现单层沉积方法(process)的连续性。 [0013] 已知装置的缺陷在于不可能在连续工艺(process，处理)中使大小超过几百平方厘米的固体平坦表面改性。此外，这个装置不提供固体基片以相对于液面的小角度的自动沉积，其同样不利地影响所沉积涂层的质量。 [0014] 用于形成两亲化合物的单层或多层膜的装置的描述[3]是所要求保护的本实用新型的技术要素的最接近的现有技术。 [0015] 该已知的装置具有组合式设计(modular design)以及包括允许通过标准LB技术和水平沉积方法在固体表面上形成涂层的单元。在后一个情况中，基片设置在特殊支撑件上进入具有工作液体的槽中，使得基片被水平固定，并且亚相通过特殊的排放设备 (draining facility)排出。该装置包括基片表面活化单元，基片表面活化单元设计为具有含有用于浸渍基片的工作溶液的容器的支撑件的旋转平台。 [0016] 在基片表面上形成LB膜之前通过竖直方法活化基片表面，包括交互吸附相反电荷的化合物，例如来自溶液的聚合物、聚合电解质、蛋白质和纳米颗粒。 [0017] 上述的装置还包括两个表面张力传感器和两个线性特氟龙障碍物，设计成具有对工作液体表面的运动的可能性，自动微型分配器，用于使物质溶液铺开到工作液体(亚相) 表面，履行基片移动设备功能的可移动的带-运输机械以及旋转圆柱形障碍物，其使得可能在基片上获得两亲化合物的单分子膜以及形成不同两亲物质的交替层。 [0018] 然而，所描述的装置具有以下缺陷：无法使显著尺寸的固体平坦表面改性；旋转圆柱形障碍物被固定使得当工作液体水平改变的情况下无法调节它的浸渍水平。圆柱形障碍物的固定是阻止连续涂覆-沉积步骤执行的一个关键的弱点。当执行该步骤时，组织SA分子从用于沉积化合物的区域转移到用于沉积单层的水表面是必要的，即，颗粒的分子或组合物将从沉积区间的一侧吸附到旋转圆柱形障碍的表面上并且容易地解吸到用于沉积的区间中的水表面上。 [0019] 然而，当圆柱形障碍物的旋转轴位于工作液面之上时，液体的弯月面能够从沉积区间的一侧变成负的。在这种情况下，分子将粘附到旋转障碍物上，其将导致在圆柱形障碍物表面上物质的额外吸附，并且从沉积区间的一侧携带(carry-over，遗留)单层物质。在这样的情况下，无法保证所获得涂层的特定性能的恒定性。实用新型内容 [0020] 本实用新型的目的在于开发一种提供用于连续形成功能性涂层的方法的装置，所述功能性涂层具有特定物理和化学特征，并且当该产品在使用中时能确保其长期稳定性和耐磨性。 [0021] 该设定的目的是通过用于获得在固体表面上的纳米结构涂层的装置的额外装备来达到的，其包括注入有工作液体的加工槽，排液设施；至少一种用于将SA溶液以单层形式铺开到工作液体表面上的自动装置，用于将基片移动并以相对于水平面的一个角度存放基片通过单层的设施；沿着相对的槽侧面设置的具有在水平面中移动可能性的两个线性障碍物以及可旋转的圆柱形障碍物，其轴平行于工作液体表面和所述的线性障碍物，并且设置在所述的线性障碍物之间；两个表面张力传感器，基片表面活化单元和电子控制单元以及至少一个热交换器，用于清洁工作液体和维持其特定水平的系统，和工作液体供应装置；而且，圆柱形障碍物安置成具有竖直移动的可能性以致其轴位于工作液体水平面之下。 [0022] 为了确保该装置的最佳操作，槽的底表面被制成具有斜面，并且线性障碍物安置成具有竖直移动的可能性。 [0023] 此外，圆柱形障碍物由化学惰性材料制成，该化学惰性材料选自，例如，由氟塑料、聚醚酮、聚氧甲烯(聚甲醛)组成的组，用于将SA溶液铺开到工作液体表面的装置被设计成微型气溶胶分配器。 [0024] 在此情况下，基片移动设施能够被设计成带式输送机或者运输辊的至少两个部分，每个部分提供有用于旋转所述辊的自动步进电机。 [0025] 在所提议的装置中，基片活化单元被设计为用于通过物理方法例如在低温等离子体中对基片表面进行活化的加工元件的组合，以及用于清洁工作液体和维持其在槽中的特定水平的系统包括液面传感器和气密封口。 [0026] 该装置所开发的设计提供用于在连续的基片改性工艺中获得高质量的功能性涂层。 [0027] 因此，所要求保护的装置使得可以改善所获得的涂层的平坦性和均匀性，显著改善了在使用中其物理和化学特征的稳定性以及其他性能，并且保证了高生产率。附图说明 [0028] 图1示意性地示出了本实用新型的装置。具体实施方式 [0029] 本实用新型的实质由装置的示意图来解释。 [0030] 该装置包括：具有工作液体2的加工槽1；用于从单层4清洁工作液体表面的两个线性障碍物3；设置成具有旋转和竖直移动的可能性的圆柱形障碍物5；位于单层之下的用于冷却工作液体的热交换器6；用于将SA溶液以单层形式铺开到工作液体表面的自动装置7；用于测量单层中的表面张力的两个传感器8；用于清洁工作液体并维持其在加工槽中的特定水平的系统9；用于移动基片并且将它们存放(deposition，沉积)通过单层的固定件(fixture)10；基片表面活化单元11；电子控制单元12；分别用于供应和排出工作液体的设施13和14；用于装载和卸载基片的模块15、16；用于卸载基片的区域17；液面传感器18；气密封口19和基片20。 [0031] 加工槽1的内部底表面由斜面制成，加工槽安装在防振底座(图中未示出)上并且填充有工作液体2(亚相)。沿着槽的相对侧面定位的两个线性障碍物3安装成可以在水平面中在工作液体表面上移动以清洁工作液体表面以及在竖直面上移动用于使基片畅通无阻地通过单层4。圆柱形障碍物5被安装在线性障碍物之间，具有旋转的可能性。圆柱形障碍物的设计不涉及其在竖直位置的刚性固定。圆柱形障碍物旋转轴平行于工作液体表面2以及上述的线性障碍物3。圆柱形障碍物由选自例如氟塑料、聚醚酮或聚氧甲烯类型的化学惰性材料制成。 [0032] 线性和圆柱形障碍物将加工槽中的工作表面分成三个功能区域：区域A，用于自动装载基片；区域B，用于将物质分散(铺开)以及区域C，用于形成并且沉积单层。 [0033] 区域C包括热交换器6，其使得工作液体2在单层4之下直接冷却。用于将SA溶液以单层4形式铺开到工作液体表面上的自动装置7位于区域B。用于测量表面张力的两个传感器8位于区域B和区域C以便当铺开化合物溶液并且沉积单层时确定表面张力的变化。 [0034] 用于清洁工作液体并且维持其特定水平的系统9借助于反馈系统通过液面传感器18和用于供应工作液体的装置13及用于排出工作液体的装置14与槽内的工作液体相连，其使得可以在浸渍基片和取出基片20的过程中维持工作液体2的特定水平。 [0035] 气密封口19用于在装载基片的时刻维持在区域B和区域C中的工作液体2的水平恒定。系统9包括用于预清洁工作液体的系统，之后液体通过用于供应工作液体的装置 13供应到加工槽。 [0036] 用于供应基片20并且使它们通过单层4的可控固定件10使得基片20从装载区A 移动进入区域C，用于以相对于水平面的一个角度沉积单层。 [0037] 该装置包括用于活化基片20以通过例如对其进行常压等离子体处理赋予其亲水性质的单元11。在单元11中，由于形成来自包括诸如-OH、-CHO、-COOH、-NH2、-NHNH2、 -N＝C＝O等的功能性基团的系列以及例如生物素的分子的反应层，能够对基片的表面活化。 [0038] 电子控制单元12具有PC和软件，其中借助于柔性模块组组织电子控制，电子控制单元12确保基片装载过程、单层的形成和沉积以及改性基片的转移和取出。 [0039] 用于供应基片20的固定件10使用已知的方案进行设计并且可以是例如带式输送机 (在支撑件中的基片或无支撑件的基片可以放置在其上)或者独立输送辊的部分系统，其由电动机驱动并且运载在基片支撑件中的基片。 [0040] 用于装载和卸载基片20的模块15和16提供用于从加工槽供应和取出基片进入用于卸载基片的区域17，从该区域基片还根据一般工艺流程图来运输。 [0041] 该装置使得可以保证所形成涂层的质量的改进，因为设计执行了利用自动倾斜取出基片对平坦表面的连续改进的方法，其使单层结构的变形最小化。以移动设施和负责形成密排的单层的单元为特征的设计使得可以不仅获得与使用原型获得的单层相比更均匀的涂层，而且以高生产率实现工业规模的生产和对功能性涂层的有序层的大面积的改进。 [0042] 所描述的装置操作如下。 [0043] 每个基片20首先放置在基片表面活化单元11中。在大气压力下，在介质阻挡(DB) 放电的低温等离子体中进行活化。用于活化基片表面的单元11由中频发电机、探针电极阵列、扁平电极和用于探针电极在被处理的基片表面上的线性运动的系统组成。 [0044] 将基片放置在扁平电极上、将来自发电机的交流电压施加到扁平电极和探针电极的阵列之间、开始介质阻挡(DB)放电、将水蒸气注入放电燃烧区域中、启动移动系统并且将探针电极的阵列移动到被处理的表面之上以活化所述表面。装置能够在交流频率f＝ 14kHz的情况下用功率系数Ws＝10W/cm2产生介质阻挡(DB)放电。因此，由于从 OH基团形成反应亚层，在单元11中活化基片表面。 [0045] 将带有活化表面的基片放置在设计为托盘的基片支撑件(托架)中，以便每个基片被固定至少四个点。 [0046] 在经过薄膜滤除机械杂质、固体颗粒以及生物源物体并且经过基于离子交换材料的去离子系统之后，将工作流体2(超纯去离子水)注入到工艺槽1的区域B中。过滤器和去离子系统构成用于清洁工作流体并且保持其特定水平的系统9的一部分。工艺槽1 通过用于供应工作流体进入工艺槽中的装置13来注入来自系统9的工作流体2，该系统是阀、流量计、注入和排出管以及连接有液面传感器18的一个系统。设计类似于装置 13的工作流体排出装置14连接有亚相温度和pH传感器(附图中未示出)，其还构成系统9的一部分。 [0047] 当传感器的读数超过由电子控制单元12 指定的范围时，装置14的排出阀打开以排出流体，并且通过装置13将具有指定pH值的去离子水注入到工艺槽1中以替换用过的流体。如有必要，通过热交换器6将工作流体冷却到指定温度。在本实用新型装置中的水循环继续，直到达到所需的温度和pH值。 [0048] 在用于施加物质溶液和释放单层同时减少用于预清洁后者(区域C)的水面面积的区域B和C中形成单层4的过程之前，将两个可移动的线性障碍物3移动到水面之上。然后，将障碍物3移动开并且提升到工作流体水平之上。 [0049] 然后，在区域B中通过自动装置7的四点分布系统的微型阀，将SA溶液以气溶胶 (或气雾剂)形式喷射到工作流体表面2上。在溶剂从工作流体表面蒸发之后，单层4 形成并且通过旋转圆柱形障碍物5从区域B移动到区域C中。由于将圆柱形障碍物5设计有竖直运动的可能性，能够选择突出到工作流体表面之上的障碍物部分的最佳高度。这样做，圆柱形障碍物旋转轴总是位于工作流体的下面，这在表面改性(改良)的连续过程中是至关重要的。在生产周期中，障碍物5应当连续地将SA从区域B移动到区域 C中。因此，在区域B的一侧上，将SA分子吸附到由化学惰性氟塑料制成的圆柱形障碍物的亲水性表面上，并且在区域C中容易地解附到水面上，由于亲水性表面确保圆柱形障碍物5的表面的充分润湿，这刚好造成分子从旋转圆柱形障碍物“分离”到单层释放区域C中，其中功能材料的有序层，单层4，以这样一种方式形成在工作流体表面上。 [0050] 通过基片装载模块15将具有活化表面的基片20从活化单元11移动到气-液界面进入加工槽1的区域A中。通过模块15将带有基片的基片支撑件(或基片座)浸入到工作流体2中，到达意在用于供应基片的固定件10上，以保持在分子水平上的活化表面的特性。 [0051] 用于供应基片的固定件10由驱动运输辊的四个单独部分组成。在每个部分中的辊被单独的步进电机驱动，这可以改变它们的每个部分的旋转速度并且以这种方式实现移动基片支撑件的过程。 [0052] 通过气密封口19将区域A从加工槽的主体积中分离，在装载基片的时刻，所述气密封口19以密封的方式关闭区域A的区间(或隔室)。通过意在用于排出工作流体并且位于在区域A中加工槽的侧壁中的装置14排出替换的工作流体，然后，打开区间并且将基片20移动到单层沉积区域C中。 [0053] 通过两个传感器8行使在单层4中的表面压力的连续监测。一旦表面压力对应于在区域C中的单层4的有序状态，装置就将信号从控制单元12接收到固定件10，并且带有基片的基片支撑件移动通过有序的单层。 [0054] 在“气-液”界面之下，以排除出现破坏单层4结构的表面波的可能性的距离和速度，转移基片。通过移动固定装置10经过在区域C中的“气-液”界面，取出基片。以相对于水平面3-30度的角度取出基片，这确保了从具有活化层的基片表面上流体的自由排出，以及由于单层与反应亚层的交互作用导致的沉积在基片表面上的单层的固定。 [0055] 在通过卸载模块16从加工槽中取出基片之后，将基片移动到卸载区域17中，根据一般工艺流程图从卸载区域17进一步运输基片。 [0056] 在单层的沉积过程中，由取出带有基片20的基片支撑件造成的工作流体2的水平面的下降，由通过用于注入工作流体的装置13从系统9将工作流体添加到区域B中来补偿。 [0057] 通过在区域B中SA的同步喷射、单层的材料借助于旋转圆柱形障碍物5以及从两个传感器8接收的在单层4中表面张力上的信息从区域B到区域C中的连续运输、以及基片供应固定件10的操作，提供单层4沉积的过程的连续性。 [0058] 通过电子控制单元12确保改良过程(改良工艺)的所有阶段的协调如下：基片20 的装载/卸载，单层4在流体2表面上的形成和沉积以及基片在加工槽1中的运动和在改良过程中基片的取出。 [0059] 因此，本实用新型装置能够在连续的基片改性工艺中，提供用于获得具有特定的物理和化学特性的高质量的功能性表面，并且当使用产品时，确保获得的涂层的长期稳定性和耐磨性。 [0060] 资料来源: [0061] 1.M.V.Kovalchuk,V.V.Klechkovskaya,L.A.Feigin Langmuir-Blodgett Molecular Constructor//Nature,No.11.–Moscow:2003.P.11-19； [0062] 2.专利SU873869，在1981年10月15日公布； [0063] 3.专利BY No.15411，在2010年8月30日公布。

意见反馈