專利名稱：銻誘導(dǎo)碳60薄膜生長(zhǎng)方法及碳60薄膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及C60薄膜生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域。
自1990年W.Kratschmer等人發(fā)明了克量級(jí)的C60制備方法以來(lái)，C60作為一種新材料，一直受到人們的普遍關(guān)注和廣泛研究。但大尺寸C60單晶和高質(zhì)量C60薄膜的生長(zhǎng)困難限制著這一領(lǐng)域的深入研究和實(shí)際應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外已有人在金屬單晶襯底、半導(dǎo)體襯底、離子晶體以及層狀物質(zhì)襯底上進(jìn)行過C60薄膜的生長(zhǎng)，所用方法都是直接將C60沉積到襯底上。由于襯底的影響，C60薄膜中晶粒難以長(zhǎng)得很大，且往往有嚴(yán)重的缺陷。其中金屬和半導(dǎo)體襯底上生長(zhǎng)的C60薄膜中最大C60晶粒的線度只有幾十納米[1-9]；離子晶體襯底上生長(zhǎng)的C60薄膜中最大C60晶粒線度約0.4μm(在KI襯底上獲得)[10-14]；層狀物質(zhì)襯底上生長(zhǎng)的C60薄膜中最大C60晶粒線度約為1.5μm(在Ges襯底上獲得)[11,15-18]雖然Ges襯底上可以長(zhǎng)出較大的C60晶粒，但實(shí)驗(yàn)要求較高(尤其是真空度)且存在著C60薄膜難以從襯底上分離的問題。此外，采用上述方法C60薄膜中不能形成分形結(jié)構(gòu)的晶體，也不能生長(zhǎng)出C60單晶薄膜。
本發(fā)明的目的在于提供一種在普通真空設(shè)備中能生長(zhǎng)出大尺寸C60分形、枝晶和單晶的銻誘導(dǎo)C60薄膜(包括C60單晶薄膜)生長(zhǎng)方法。并提供生長(zhǎng)有大尺寸C60分形、枝晶或高質(zhì)量單晶的C60薄膜(包括C60單晶薄膜)。
本發(fā)明采用以下方式實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明包括常規(guī)的C60薄膜生長(zhǎng)方法(1)加熱襯底，保持溫度；(2)加熱C60源，使其向襯底沉積，達(dá)到預(yù)定厚度時(shí)，停止沉積。本發(fā)明的特征是在上述方法中引人表面活性劑銻(Sb)加熱襯底到預(yù)定溫度后，蒸發(fā)Sb，使襯底上沉積一層Sb膜，然后加熱C60源，使其向沉積有Sb膜的襯底上沉積，或同時(shí)加熱C60源和Sb，使其向沉積有Sb膜的襯底上共沉積，或加熱C60源，使襯底上沉積有C60后，蒸發(fā)Sb源，使沉積有C60的襯底上沉積一層Sb膜，然后再一次加熱C60源，使其向Sb膜上沉積。采用本發(fā)明方法生長(zhǎng)出的C60薄膜可以為分形晶體、枝晶或單晶構(gòu)成的多晶膜，也可以為[111]取向的單晶薄膜，晶體線度1.6～11.0μm。通過對(duì)襯底的選擇以及對(duì)襯底溫度、蒸發(fā)速率和薄膜厚度的控制，晶體線度還可增大。
本發(fā)明方法可有效地生長(zhǎng)出多種晶體薄膜1．大枝晶、大分形和大單晶的生長(zhǎng)①新鮮解理的NaCl襯底加熱并保持在150℃-185℃。
②真空度好于5.0×10-3Pa時(shí)，調(diào)整Sb蒸發(fā)源，以0.3-3.0nm/min的蒸發(fā)速率在襯底上沉積一層0.1～3nm的Sb膜。
③加熱C60源，以0.06-3.0nm/min的沉積速率向蒸有Sb的襯底開始沉積，隨后C60的沉積速率可逐漸增大，C60膜達(dá)到預(yù)定厚度時(shí)，停止蒸發(fā)。膜中即可形成線度約11μm的大枝晶、大分形和[111]取向的高質(zhì)量的C60大單晶。2．[111]取向準(zhǔn)六邊形大單晶的生長(zhǎng)①新鮮解理的NaCl襯底加熱并保持在150～185℃。
②真空度優(yōu)于5.0×10-3Pa時(shí)，加熱C60，以0.6nm/min左右的速率襯底上沉積一層約1nm厚的C60膜。
③調(diào)整Sb蒸發(fā)源，以0.3-3.0nm/min的蒸發(fā)速率在襯底上沉積一層0.1～3nm的Sb膜。
④加熱C60源，以0.06-3.0nm/min的沉積速率向蒸有Sb的襯底開始沉積，隨后C60的沉積速率可逐漸增大，C60膜達(dá)到預(yù)定厚度時(shí)，停止蒸發(fā)。薄膜中即可形成[111]取向、準(zhǔn)六邊形結(jié)構(gòu)的C60大單晶。3．[111]取向的大C60單晶的生長(zhǎng)①新鮮解理的NaCl襯底加熱并保持在150℃-185℃。
②真空度好于5.0×10-3Pa時(shí)，調(diào)整Sb蒸發(fā)源，以0.3-3.0nm/min的蒸發(fā)速率在襯底上沉積一層0.1～3nm的Sb膜。
③加熱C60源和Sb源，向蒸有Sb的襯底共蒸C60和Sb至預(yù)定厚度，其中Sb源以0.1-0.5nm/min的速率蒸發(fā)，C60以0.06-3.0nm/min的速率開始蒸發(fā)。薄膜中可形成C60大單晶，且沿[111]取向。4．Mica(001)襯底上Sb誘導(dǎo)下的C60單晶生長(zhǎng)①新鮮解理的Mica(001)襯底加熱并保持在200℃左右。
②加熱Sb源，以0.3-3.0nm/min蒸發(fā)速率向襯底沉積0.2nm-3nm厚的Sb膜。
③加熱C60，以大約0.06-3.0nm/min的蒸發(fā)速率開始向蒸有Sb的襯底沉積C60，在隨后的沉積過程中C60速率可逐漸加大，到預(yù)定厚度時(shí)，停止沉積。薄膜中可形成馬賽克狀的C60大單晶。
本發(fā)明方法同樣可用于其它襯底。
本發(fā)明能在普通真空設(shè)備中使C60薄膜內(nèi)生長(zhǎng)出C60分形晶體、枝晶和單晶，也能生長(zhǎng)出[111]取向的單晶薄膜。本發(fā)明方法生長(zhǎng)出的C60晶體尺寸大，質(zhì)量好。本發(fā)明制備的薄膜樣品襯底容易去掉，從而實(shí)現(xiàn)薄膜與襯底的有效分離。
本發(fā)明可用于普通鍍膜設(shè)備中高質(zhì)量C60薄膜(包括C60單晶薄膜)的制備，C60基新材料的制備，超薄C60晶體器件的研制以及C60薄膜(包括C60單晶薄膜)的特性研究和應(yīng)用。
實(shí)施例1．NaCl(001)單晶襯底上C60大枝晶和大分形的生長(zhǎng)。
襯底溫度160℃，真空度5.0×10-3Pa,Sb蒸發(fā)速率0.6nm/min，厚度0.1nm,C60蒸發(fā)速率從0.06nm/min開始并逐漸增加到18nm/min,C60薄膜厚度20nm。
上述方法制備的樣品在去離子水中溶NaCl襯底，撈膜于電鏡銅網(wǎng)，用H800透射電鏡可觀察到如

圖1(a)的大枝晶(約9μm)和1(b)的大分形(線度約5μm),1(a)的放大倍數(shù)為5千，1(b)的放大倍數(shù)為1萬(wàn)。2．NaCl(001)單晶襯底上準(zhǔn)六邊形C60單晶的生長(zhǎng)襯底溫度150℃，真空度2.0×10-3Pa，先以0.3nm/min的速率在襯底上沉積1nm厚的C60膜，然后以0.3nm/min的速率在蒸有C60的襯底上沉積3.0nm厚的Sb膜，再以0.3nm/min的速率開始向襯底上沉積C60(第二層)，并逐漸增加到24nm/min，當(dāng)?shù)诙覥60膜厚達(dá)到30nm時(shí)停止沉積。
在去離子水中去掉NaCl襯底，用透射電鏡可觀察到如圖2所示的C60單晶，準(zhǔn)六邊形狀的C60單晶線度約2.4×2.2μm2。圖中放大倍數(shù)為1萬(wàn)倍，電子衍射表明準(zhǔn)六邊形晶體為[111]取向。3．[111]取向的六邊形和長(zhǎng)棒狀C60大單晶的生長(zhǎng)。
真空度4.0×10-3Pa,Sb蒸發(fā)速率為1.2nm/min，厚度為3nm,NaCl(001)單晶襯底溫度185℃,C60蒸發(fā)率以0.9nm/min開始并逐漸增加到24nm/min,C60膜厚20nm。
在去離子水中溶去NaCl襯底，用H800透射電鏡觀察到如圖3(a)的六邊形[111]取向的C60單晶和如圖3(a)、3(b)的彎棒狀[111]取向的C60單晶。圖中放大倍數(shù)為1萬(wàn)，六邊形單晶尺寸約2.2×2.2μm2,3(b)中彎棒單晶線度約9×0.5μm2。此時(shí)薄膜為[111]取向的C60單晶薄膜。4．NaCl(001)單晶襯底上[111]取向大C60單晶生長(zhǎng)真空度2.2×10-3Pa，襯底溫度160℃，先以3.0nm/min的速率在襯底上沉積1nm厚的Sb膜，然后同時(shí)蒸發(fā)C60和Sb到60nm厚度，其中共蒸時(shí)Sb速率為0.3nm/min,C60從3.0nm/min起蒸發(fā)并逐漸增加到20nm/min。
溶去NaCl襯底，H800電鏡觀察可見如圖4所示[111]取向線度約4.5×5.0μm2的C60大單晶。圖中放大倍數(shù)為1萬(wàn)。5．Mica(001)襯底上C60大單晶的生長(zhǎng)
真空2.0×10-3Pa，襯底溫度210℃,Sb蒸發(fā)速率3.0nm/min,C60從0.3nm/min開始沉積并逐漸增加到3.0nm/min,C60膜厚為70nm。
在去離子水中小角度插入樣品，水的表面張力可使薄膜與Mica襯底分開，撈膜于電鏡銅網(wǎng)上，用H800可觀察到如圖5的馬賽克狀的C60單晶，線度約2.4×2.0μm2，取向有[111]、[112]、[100]等。圖中放大倍數(shù)為1萬(wàn)。
附圖1(a)-薄膜中的枝晶結(jié)構(gòu)，(b)-薄膜中的分形晶體結(jié)構(gòu)。
附圖2-薄膜中的準(zhǔn)六邊形C60單晶結(jié)構(gòu)。
附圖3(a)-薄膜中[111]取向的六邊形和棒狀C60單晶結(jié)構(gòu)，(b)-薄膜中[111]取向的棒狀C60單晶結(jié)構(gòu)。
附圖4-薄膜中[111]取向的C60大單晶結(jié)構(gòu)。
附圖5-Mica(001)襯底上馬賽克狀的C60單晶結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種銻(Sb)誘導(dǎo)C60薄膜生長(zhǎng)方法，包括常規(guī)的C60薄膜生長(zhǎng)方法(1)加熱襯底，保持溫度；(2)加熱C60源，使其向襯底沉積，達(dá)到預(yù)定厚度時(shí)，停止沉積，其特征在于在上述方法中引入表面活性劑銻(Sb)加熱襯底到預(yù)定溫度后，蒸發(fā)Sb源，使襯底上沉積一層Sb膜，然后加熱C60源，使其向沉積有Sb的襯底上沉積，或同時(shí)加熱C60和Sb源，使其向沉積有Sb的襯底上共沉積，或加熱C60源，使襯底上沉積有C60后，蒸發(fā)Sb源，使沉積有C60的襯底上沉積一層Sb膜，然后再一次加熱C60源，使其向Sb膜上沉積。
2.用銻(Sb)誘導(dǎo)C60薄膜生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)出的C60薄膜，其特征在于C60薄膜可以為分形晶體、枝晶或單晶構(gòu)成的多晶膜，也可以為[111]取向的單晶薄膜。
3.如權(quán)利要求2所述的C60薄膜，其特征在于C60薄膜中晶體線度為1.6-11.0μm。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種銻(Sb)誘導(dǎo)C
文檔編號(hào)C23C16/26GK1218849SQ9710722
公開日1999年6月9日 申請(qǐng)日期1997年12月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月4日
發(fā)明者徐文濤, 侯建國(guó) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)