專利名稱：冷壁間歇式反應器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及化學流體氣相沉積金屬薄膜制備領域，具體涉及一種化學流體氣相沉 積金屬薄膜所用的反應器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)制備金屬薄膜的方法主要有氣相沉積法和基于水溶液鍍膜法包括電鍍和化 學鍍?；瘜W流體沉積技術(shù)(CFD，chemical fluid d印osition)，是近幾年國外發(fā)展的一種 制備高質(zhì)量金屬薄膜(鍍層、涂層)和金屬納米粒子的新技術(shù)。該技術(shù)以超臨界流體(SCFs) 為介質(zhì)，還原金屬有機化合物，得到金屬薄膜或納米材料?；瘜W流體沉積技術(shù)在許多方面可 以彌補傳統(tǒng)鍍層方法的不足，且具備一些獨特的性質(zhì)，正越來越多的受到重視和關注。超臨界流體是一種溫度和壓力同時高于其臨界值的流體。這類流體具有許多特 性，其物理化學性質(zhì)隨溫度和壓力變化十分敏感。因此，其性質(zhì)可以通過改變溫度和壓力進 行連續(xù)調(diào)節(jié)，特別是臨界點附近，溫度和壓力的微小變化會顯著地影響流體的性質(zhì)。典型 的超臨界流體選擇為超臨界二氧化碳(scC02)，這是因為二氧化碳成本低，對環(huán)境基本無危 害，臨界特性較適合(臨界溫度Tc=31°C，臨界壓力Pc=7. 38MPa)。CFD技術(shù)就是以超臨界二 氧化碳(ScCO2)為溶劑。進行超臨界狀態(tài)下的還原反應，制備出金屬薄膜。實現(xiàn)化學流體氣 相沉積需要一套特殊的反應器，通常對反應器裝置主要要求為(1)能形成二氧化碳超臨 界流體；(2)襯底表面與反應腔體有溫度差；(3)襯底周圍有較高的溫度和壓力要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了 一種實現(xiàn)化學流體氣相沉積的冷壁間歇式反應器。其特征在于含有反應腔體和與之相連接的氣路和水冷系統(tǒng)。反應腔體包含反應 腔、樣品加熱控溫座、豎直視鏡窗、左視鏡窗和右進料口。反應腔體為水平的空心圓柱體雙 層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層空心圓柱體為反應腔，反應腔設置有進氣端口和出氣端口 ；壁上設有水冷套夾 層并配上進出水端口 ；左端為左視鏡窗，右端為進料口，樣品加熱控溫座由反應腔體底部伸 入反應腔內(nèi)，樣品加熱控溫座上端設有一凹形的樣品平臺，在樣品平臺的正上方設有豎直 視鏡窗；水冷套夾層進出水端口與油浴裝置連接，通過它進行溫度設定和控制；左視鏡窗 和豎直視鏡窗均采用采用螺紋壓頭配合橡膠墊圈將石英玻璃固定的結(jié)構(gòu)；進料口通過螺紋 壓頭將密封塊與反應腔封密。樣品加熱控溫座以一空心的金屬圓柱體作為骨架，加熱絲環(huán)繞在一根豎直的空心 瓷管上，加熱絲一端與金屬圓柱體的內(nèi)壁相連，一端通過引線由樣品加熱控溫座下端引出； 溫度傳感器通過空心瓷管的中空部分穿過與凹形的樣品平臺的底面接觸，引線由樣品加熱 控溫座下端引出，內(nèi)部通過耐高溫膠(可耐1600°C )膠合形成一個實心的整體。密封圈緊 套在加熱控溫座外殼上，穿過固定座內(nèi)置孔，通過隔熱環(huán)套和固定螺帽將加熱控溫座固定 在固定座上。樣品加熱控溫座的引出線與它所配接的溫度測控儀連接，通過它進行溫度設 定和控制。
反應腔進氣端口通過一個四通和三個閥門分別與真空泵、氫氣源、二氧化碳氣源 相連接，氫氣源是指通過質(zhì)量流量計和氫氣減壓閥與氫氣瓶相連接，二氧化碳氣源是指通 過配備壓力傳感器的二氧化碳增壓器和一個閥門與二氧化碳氣瓶相連接，通過三個閥門的 開關控制可分別實現(xiàn)反應腔的抽真空和工作氣體的引入。反應腔出氣端口通過一個四通分 為三路分別是通過一個閥門直接通入室外的排氣管、接有一個安全爆破閥再通入室外的 排氣管和通過配接端口連接一個壓力傳感器。它們分別用以反應腔氣體的正常排出和腔內(nèi) 壓力過高的保護性排放以及腔內(nèi)壓力的測量。反應腔內(nèi)化學反應的原料為有機金屬化合物如六氟乙酰丙酮鈀，還原劑為氫氣 (純度> 99. 99%)，反應介質(zhì)為二氧化碳(純度> 99. 99%)。反應器工作時，其操作流程如下 a.放樣品；打開右進料口將待沉積的樣品放在樣品平臺上，金屬有機化合物放入反應腔 內(nèi)，通?？芍苯臃旁跇悠飞?，并將右進料口安裝密封好。b.對反應腔抽真空；c.夾層水冷套 冷卻；通過連接的油浴裝置進行溫度設定和控制，使溫度控制在5°C左右。d.通入工作氣 體；目的是控制反應腔內(nèi)的溫度和壓力使二氧化碳變?yōu)槌R界狀態(tài)形成超臨界流體，并通 入一定數(shù)量的氫氣。具體操作是先通入二氧化碳氣體，此時增壓裝置暫不工作，輸出較低 壓力的二氧化碳氣體，二氧化碳氣體進入反應腔后會變成液體，當反應腔內(nèi)壓力在4MPa 5MPa，從左視鏡窗觀察液面通常在一半附近位置時，關閉二氧化碳氣體，通入氫氣，此時必 須保持氫氣減壓閥的出口壓力大于腔內(nèi)壓力，氫氣才可被充入反應腔，由質(zhì)量流量計控制， 通入一定的數(shù)量約200ml 300ml后，關閉氫氣，充完氫氣反應腔內(nèi)壓力增加不大仍為 4MPa 5MPa，因為此時必須保持二氧化碳氣體出口壓力大于腔內(nèi)壓力，二氧化碳氣體才可 被充入反應腔，利用增壓泵獲得高壓二氧化碳氣體，通入高壓二氧化碳氣體，當反應腔內(nèi)壓 力在7MPa 8MPa，從左視鏡窗觀察反應腔液體應接近加滿時，關閉高壓二氧化碳氣體，此 時反應腔處于一個全密閉狀態(tài)。e.樣品升溫；通過樣品加熱控溫座所配接的溫度測控儀進 行溫度設定和控制，使溫度控制在100°C 120°C，到達設定溫度后，反應腔內(nèi)壓力通常在 14 MPa 20MPa。f.反應制備金屬薄膜；反應腔內(nèi)發(fā)生超臨界狀態(tài)下的還原反應，經(jīng)過10 小時 20小時的反應時間后在樣品表面制備出金屬薄膜。以制備金屬Pd薄膜為例，反應 方程式為
權(quán)利要求
1.冷壁間歇式反應器，其特征在于所述的反應器含有反應腔體和與之相連接的氣路 和水冷系統(tǒng)；反應腔體包含反應腔、樣品加熱控溫座、豎直視鏡窗、左視鏡窗和右進料口 ； 反應腔體為水平的空心圓柱體雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層空心圓柱體為反應腔(14)，反應腔(14)設置 有進氣端口(7)和出氣端口(8)；壁上設有水冷套夾層(1)并配上進出水端口 ；左端為左視 鏡窗(2)，右端為進料口(3)，樣品加熱控溫座(4)由反應腔體底部伸入反應腔內(nèi)，樣品加熱 控溫座(4)上端設有一凹形的樣品平臺(5)，在樣品平臺(5)的正上方設有豎直視鏡窗(6);水冷套夾層(1)進出水端口與油浴裝置連接；左視鏡窗(2)采用螺紋壓頭(17)配合橡 膠墊圈將石英玻璃(20)固定；豎直視鏡窗(6)采用螺紋壓頭(23)配合橡膠墊圈將石英玻璃 (26)固定；進料口(3)通過螺紋壓頭(21)將密封塊(22)與反應腔(14)封密；樣品加熱控溫座(4)以一空心的金屬圓柱體(9)作為骨架，加熱絲(10)環(huán)繞在一根豎 直的空心瓷管(11)上，加熱絲(10)—端與金屬圓柱體(9)的內(nèi)壁相連，一端通過引線由樣 品加熱控溫座(4)下端引出；溫度傳感器(12)通過空心瓷管(11)的中空部分穿過與凹形的 樣品平臺(5)的底面接觸，引線由樣品加熱控溫座(4)下端引出，內(nèi)部通過耐高溫膠膠合形 成一個實心的整體；密封圈(29)緊套在樣品加熱控溫座(4)外殼上，穿過固定座(27)內(nèi)置孔(31)，通過隔 熱環(huán)套(30)和固定螺帽(28)將加熱控溫座(4)固定在固定座(27)上；樣品加熱控溫座(4)的引出線與它所配接的溫度測控儀連接；所述的進氣端口(7)通過一個四通和三個閥門分別與真空泵(13)、氫氣源、二氧化碳 氣源相連接，氫氣源是指通過質(zhì)量流量計(32 )和氫氣減壓閥(33 )與氫氣瓶(34 )相連接，二 氧化碳氣源是指通過二氧化碳增壓器(36)配備壓力傳感器(35)和一個閥門與二氧化碳氣 瓶(37)相連接，所述的出氣端口(8)通過一個四通分為三路分別是通過一個閥門直接通 入室外的排氣管、接有一個安全爆破閥(15)再通入室外的排氣管和通過配接端口連接一個 壓力傳感器(16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷壁間歇式反應器，其特征在于所述的樣品平臺(5)上設置 有帶有溫度設定和控制的測控儀的加熱控溫座(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的冷壁間歇式反應器，其特征在于所述樣品平臺(5)的溫 度控制為100°C 200°C，反應腔內(nèi)其它位置的溫度控制為5°C 60°C。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種冷壁間歇式反應器，含有反應腔體和與之相連接的氣路和水冷系統(tǒng)。反應腔體為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為反應腔，外層為水冷套。樣品加熱控溫座由反應腔體底部伸入反應腔內(nèi)，其上設有一個凹形樣品平臺，反應腔設有進氣和出氣端，進氣端通過一個四通和三個閥門分別與真空泵、氫氣源、二氧化碳氣源相連接，用于反應腔的抽真空和工作氣體的引入。出氣端通過一個四通分為三路分別是通過一個閥門直接通入室外的排氣管、接有一個安全爆破閥再通入室外的排氣管和通過配接端口連接一個測量反應腔內(nèi)壓力的傳感器。它們分別用以反應腔氣體的排放和腔內(nèi)壓力過高的保護性排放以及腔內(nèi)壓力的測量。本發(fā)明適用于超臨界狀態(tài)下的還原反應，制備出金屬薄膜。
文檔編號C23C16/44GK102094183SQ20101059915
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者劉一楊, 張占文, 李波, 梅魯生, 漆小波, 陳素芬, 魏勝, 黃勇 申請人:中國工程物理研究院激光聚變研究中心