一种碱金属薄膜、制备方法、应用及装置

1.本发明涉及薄膜材料技术领域，具体涉及一种碱金属薄膜、制备方法、应用及装置。


背景技术：

2.以石墨烯为代表的单原子层状薄膜材料具有优异的特性，如优良的导电导热性能，高的比表面积等，在吸附、催化、光电子等领域展现出很大应用潜能。以碱金属li、na电池为代表的电极薄膜材料也有很强的应用需求。因此，需要不断研发超超薄膜材料。
3.近年来，第三、四主族元素类石墨烯二维晶体材料被以不同方式制备。主要采用“自下而上”的分子束外延生长技术获得。而对于二维碱金属薄膜，目前还没有有效的制备方式。因此，研发一种
ꢀ“
自下而上”外延生长碱金属超薄膜的方法非常有必要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种碱金属薄膜、制备方法、应用及装置，以制备一种碱金属超薄膜，以拓宽碱金属薄膜的使用范围，提高性能。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种碱金属薄膜的制备方法，包括以下步骤：硅(111)-7
×
7衬底的制备：采用硅片制备获得单晶硅晶面指数[111]面的重构表面，即硅(111)-7
×
7衬底；镉(0001)薄膜的生长：在真空条件下，给镉源除气，然后加热使镉原子蒸镀到硅(111)-7
×
7衬底的表面，获得晶面指数(0001)面的镉金属薄膜，即镉(0001)薄膜；对三联苯分子(110)薄膜的生长：在真空条件下，给对三联苯分子除气，然后加热使对三联苯分子蒸镀到镉(0001)薄膜的表面，获得对三联苯晶面指数为(110)面的分子薄膜，即对三联苯分子(110)薄膜；碱金属掺杂对三联苯分子(110)薄膜的生长：在真空条件下，给碱金属源除气，然后加热使碱金属原子蒸镀到对三联苯分子(110)薄膜中，获得碱金属掺杂对三联苯分子薄膜；碱金属薄膜的生长：在真空条件下，对碱金属掺杂对三联苯分子薄膜进行退火处理，获得碱金属薄膜。在真空条件下，碱金属原子进入到对三联苯分子(110)薄膜的分子间隙位，形成混合物。为了获得高质量的碱金属薄膜，将碱金属掺杂对三联苯分子薄膜在室温下进行退火处理，形成偏析聚集的碱金属钾薄膜。
[0006]
给镉源、对三联苯分子和碱金属源除气的目的是为了获得高纯度的镉原子、对三联苯分子和碱金属源。
[0007]
其中，碱金属薄膜可用于太阳能电池领域，提高成膜质量。少缺陷和杂质影响的碱金属超薄膜可以有效调控太阳能电池的发光效率。同时也用于碱金属离子电池领域，提高负极材料表面活性，增强电池的使用效率。
[0008]
优选的，所述碱金属源选自锂源、钠源、钾源、铷源和铯源中的至少一种。
[0009]
优选的，所述钾源为含钾化合物。
[0010]
优选的，所述含钾化合物为铬酸钾和锆铝合金的混合物。
[0011]
优选的，所述锂源、钠源、铷源和铯源分别为包含有锂（li）、钠（na）、铷（rb）和铯（cs）金属离子的化合物。
[0012]
所述镉源为金属镉。金属镉的纯度为99.999%。
[0013]
优选的，所述硅(111)-7
×
7衬底的制备包括：依次对硅片进行清洗、除气和退火处理，获得硅(111)-7
×
7衬底；所述清洗为依次采用酒精和丙酮进行超声清洗；所述除气为在真空度为6.0
×
10-9
torr和温度为400~600℃的条件下保温处理8~12h，然后冷却至室温，以获得干净的硅表面；所述退火采用循环退火处理，循环退火处理为在5~20s内将温度从室温升至1000~1300℃，退火13~18s，降温至400℃，保持10~15s，再在5~20s内将温度从400℃升至1000~1300℃，退火13~18s，降温至400℃，保持10~15s，如此循环，共退火5~8次，获得硅(111)-7
×
7的重构表面。
[0014]
优选的，所述给镉源除气为在真空度高于6.0
×
10-10
torr的条件下，每间隔10min给镉源升温20℃，使镉源从室温升至60℃，并直至真空度稳定至6.0
×
10-10
torr后，加热25~35min，再在温度为50℃的条件下将镉原子蒸镀到硅(111)-7
×
7衬底的表面；在镉原子蒸镀到硅(111)-7
×
7衬底的表面的过程中，硅(111)-7
×
7衬底的温度保持在室温条件；镉原子蒸镀到硅(111)-7
×
7衬底的表面的蒸镀时间为25~30min。
[0015]
其中，在镉原子蒸镀到硅(111)-7
×
7衬底的表面的过程中，硅(111)-7
×
7衬底的温度保持在室温条件的目的在于使得在硅(111)-7
×
7衬底的表面生长出超过15个原子层厚度的镉(0001)薄膜，从而消除镉(0001)薄膜表面的量子阱态效应。
[0016]
优选的，所述给对三联苯分子除气为在真空度高于9.0
×
10-10
torr的条件下，给对三联苯分子加热，直至真空度稳定至9.0
×
10-10
torr；在对三联苯分子蒸镀到镉(0001)薄膜的表面的过程中，镉(0001)薄膜的温度保持在零下180℃~185℃之间。
[0017]
其中，在对三联苯分子蒸镀到镉(0001)薄膜的表面的过程中，镉(0001)薄膜的温度保持在零下180℃~185℃之间的目的在于使得镉(0001)薄膜的表面形成对三联苯分子的分子薄膜的高效吸附。
[0018]
优选的，所述给碱金属源除气为在真空度高于6.0
×
10-10
torr的条件下，给碱金属源加热，直至真空度稳定至6.0
×
10-10
torr；在碱金属原子蒸镀到对三联苯分子(110)薄膜中的过程中，对三联苯分子(110)薄膜的温度保持在零下150℃~155℃之间，为了获得有效的碱金属掺杂对三联苯分子薄膜混合物，碱金属原子在对三联苯分子(110)薄膜表面的覆盖度为0.6~1.2ml。
[0019]
其中，在碱金属原子蒸镀到对三联苯分子(110)薄膜中的过程中，对三联苯分子(110)薄膜的温度保持在零下150℃~155℃之间的目的在于使得碱金属原子与对三联苯分子(110)薄膜形成碱金属掺杂对三联苯分子薄膜的混合物。
[0020]
优选的，对碱金属掺杂对三联苯分子薄膜进行退火处理为将碱金属掺杂对三联苯分子薄膜置于真空中，放置20~40min，使温度得到上升。
[0021]
本发明还提供一种如本发明所述制备方法制得的碱金属薄膜。
[0022]
本发明还提供一种如本发明所述制备方法制得的碱金属薄膜的应用，所述碱金属薄膜用于太阳能电池和碱金属离子电池中。
[0023]
本发明还提供一种用于制备碱金属薄膜的装置，包括真空制备腔、样品架、横杆、磁力手柄、直流电源、镉源放置部件、水循环冷却装置、坩埚、加热炉和碱金属源放置部件；所述样品架位于所述真空制备腔的腔体内部，所述磁力手柄和直流电源位于所述真空制备腔的腔体外部，所述镉源放置部件位于所述真空制备腔的底部，且一部分位于所述真空制备腔的腔体内部，另一部分位于所述真空制备腔的腔体外部，所述加热炉位于所述真空制备腔的底部，且一部分位于所述真空制备腔的腔体内部，另一部分位于所述真空制备腔的腔体外部，所述碱金属源放置部件位于所述真空制备腔的侧壁上，且一部分位于所述真空制备腔的腔体内部，另一部分位于所述真空制备腔的腔体外部；所述横杆的一端连接所述样品架、另一端连接所述磁力手柄，所述样品架、碱金属源放置部件、镉源放置部件和水循环冷却装置均连接所述直流电源，所述坩埚位于所述加热炉中，且所述坩埚位于所述真空制备腔的腔体外部，所述加热炉内置于水循环冷却装置中，水循环冷却装置外接室温水源；在进行碱金属薄膜制备时，将硅片置于样品架上，通过磁力手柄吸附横杆于内管壁上，带动横杆移动，将装有硅片的样品架送入真空制备腔中，并使样品架位于加热炉的上方，采用直流电源对硅片加热制成硅(111)-7
×
7衬底；将镉源装入镉源放置部件中，采用直流电源对镉源加热除气并蒸镀到硅(111)-7
×
7衬底的表面，获得镉(0001)薄膜；将对三联苯分子装入坩埚中，再将坩埚置于加热炉中，通过加热炉给对三联苯分子除气并蒸镀到镉(0001)薄膜的表面，获得对三联苯分子(110)薄膜，并同时开启水循环冷却装置以保证对坩埚的稳定加热；将碱金属源装入碱金属源放置部件，采用直流电源对碱金属源除气并蒸镀到对三联苯分子(110)薄膜的表面，获得碱金属掺杂对三联苯分子薄膜；在真空制备腔中对碱金属掺杂对三联苯分子薄膜进行室温退火处理，获得碱金属薄膜。
[0024]
本发明的有益效果：本发明的制备碱金属薄膜的方法，通过利用分子束外延技术，在超高真空环境下，首先制备干净的硅(111)-7
×
7衬底；第二步制备原子级分辨的镉(0001)薄膜；第三步在镉(0001)薄膜表面生长对三联苯分子薄膜，制备表面干净的对三联苯分子(110)薄膜；第四步制备碱金属掺杂对三联苯(110)分子薄膜的混合物；第五步碱金属掺杂对三联苯分子薄膜在室温下进行退火处理，制备碱金属薄膜，从而“自下而上”使钾原子外延生长在对三联苯分子薄膜上，退火偏析形成碱金属(110)面结构。相对于其他方法，更加有利于获得清晰的微观结构和性质，有效拓展了碱金属薄膜的应用范围，在薄膜材料技术领域，具有推广应用价值。
附图说明
[0025]
图1为本发明的用于制备碱金属薄膜的装置的结构示意图；图2为实施例2制得的对三联苯分子(110)薄膜的stm图；图3为实施例3制得的对三联苯分子(110)薄膜的stm图；
图4为实施例2制得的碱金属钾掺杂对三联苯分子薄膜的stm图；图5为实施例3制得的碱金属钾掺杂对三联苯分子薄膜的stm图；图6为碱金属钾薄膜的stm图；其中，1-真空制备腔，2-样品架，3-横杆，4-磁力手柄，5-直流电源，6-镉源放置部件，7-水循环冷却装置，8-坩埚，9-加热炉，10-样品衬底，11-碱金属源放置部件。
具体实施方式
[0026]
以下将参照附图和优选实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0027]
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0028]
实施例1如图1所示，一种用于制备碱金属薄膜的装置，包括真空制备腔1、样品架2、横杆3、磁力手柄4、直流电源5、镉源放置部件6、水循环冷却装置7、坩埚8、加热炉9和碱金属源放置部件10；样品架2位于真空制备腔1的腔体内部，磁力手柄4和直流电源5位于真空制备腔1的腔体外部，镉源放置部件6位于真空制备腔1的底部，且一部分位于真空制备腔1的腔体内部，另一部分位于真空制备腔1的腔体外部，加热炉9位于真空制备腔1的底部，且一部分位于真空制备腔1的腔体内部，另一部分位于真空制备腔1的腔体外部，碱金属源放置部件10位于真空制备腔1的侧壁上，且一部分位于真空制备腔1的腔体内部，另一部分位于真空制备腔1的腔体外部；横杆3的一端连接样品架2、另一端连接磁力手柄4，样品架2、碱金属源放置部件10、镉源放置部件6和水循环冷却装置7均连接直流电源5，坩埚8位于加热炉9中，且坩埚8位于真空制备腔1的腔体外部，加热炉9内置于水循环冷却装置7中，水循环冷却装置7外接室温水源；在进行碱金属薄膜制备时，将硅片置于样品架2上，通过磁力手柄4吸附横杆3于内管壁上，带动横杆3移动，将装有硅片的样品架2送入真空制备腔1中，并使样品架2位于加热炉9的上方，采用直流电源5对硅片加热制成si(111)-7
×
7衬底，即样品衬底10；将镉源装入镉源放置部件6中，采用直流电源5对镉源加热除气并蒸镀到si(111)-7
×
7衬底的上表面，获得cd(0001)薄膜；将对三联苯分子装入坩埚8中，再将坩埚8置于加热炉9中，通过加热炉9给对三联苯分子除气并蒸镀到cd(0001)薄膜的上表面，获得对三联苯分子(110)薄膜，并同时开启水循环冷却装置7以保证对坩埚8的稳定加热；将碱金属源装入碱金属源放置部件10，采用直流电源5对碱金属源除气并蒸镀到对三联苯分子(110)薄膜的表面，获得碱金属掺杂对三联苯分子薄膜；在真空制备腔1中对碱金属掺杂对三联苯分子薄膜进行室温退火处理，获得碱金属薄膜。
[0029]
实施例2
一种采用实施例1中的装置用于制备碱金属钾薄膜的方法，包括以下步骤：s1、si(111)-7
×
7衬底的制备：采用硅片制备获得si(111)-7
×
7衬底，具体包括：s11、将硅片剪裁为3mm
×
15mm的规格，并放入酒精中进行超声清洗，然后放入丙酮中进行超声清洗，获得硅片衬底；s12、将清洗后的硅片衬底放到样品架2上，通过磁力手柄4带动横杆3移动将装有硅片衬底的样品架2送入真空制备腔1中，并使装有硅片衬底的样品架2位于加热炉9的上方；s13、在真空制备腔1中，采用直流电源5将硅片衬底加热至400℃，使得硅片衬底在400℃的条件下除气8h，然后冷却至室温；s14、采用直流电源5将除气后的硅片衬底从室温升至1200℃，升温时间为10s，退火15s，降温至400℃，保持12s，再将温度从400℃升至1200℃，升温时间为10s，退火15s，降温至400℃，保持12s，如此循环，共退火5次，获得si(111)-7
×
7衬底；s2、cd(0001)薄膜的生长：在真空条件下，对镉源除气，然后加热使镉原子蒸镀到si(111)-7
×
7衬底的表面，获得cd(0001)薄膜，具体包括：s21、将纯度为99.999%的金属镉装入镉源放置部件6中，在真空度高于6.0
×
10-10 torr的条件下，采用直流电源5给加热丝供电，每间隔10min给镉源升温20℃，使镉源从室温升至60℃，并直至真空度稳定至6.0
×
10-10 torr后再加热30min，使得镉源充分除气，本实施例中的镉源放置部件6为坩埚；s22、采用直流电源5加热除气后的镉源使镉原子蒸镀到si(111)-7
×
7衬底的上表面，蒸镀时间为28min，其中，加热的温度为50℃，同时保持si(111)-7
×
7衬底的温度为室温，以便生长出超过15个原子层厚度的cd(0001)薄膜，获得超过15个原子层厚度的cd(0001)薄膜；s3、分子薄膜的生长：在真空条件下，给对三联苯分子除气，然后加热使对三联苯分子蒸镀到cd(0001)薄膜的表面，获得对三联苯分子(110)薄膜，具体包括：s31、将对三联苯分子装入坩埚8中，再将坩埚8置于加热炉9中，在真空度高于9.0
×
10-10
torr的条件下通过加热炉9给对三联苯分子加热至40℃，使得对三联苯分子充分除气，在除气过程中同时开启水循环冷却装置7，直至真空度稳定至9.0
×
10-10
torr；s32、通过加热炉9加热除气后的对三联苯分子使对三联苯分子蒸镀到cd(0001)薄膜的表面，其中，加热的温度为32℃，同时保持cd(0001)薄膜在零下183℃左右，以便形成对三联苯分子(110)面的分子薄膜，获得三联苯分子(110)薄膜；s4、碱金属掺杂对三联苯分子薄膜的生长：在真空条件下，对碱金属源除气，然后加热使碱金属原子蒸镀到对三联苯分子(110)薄膜的表面，获得碱金属掺杂对三联苯分子薄膜，具体包括：s41、将钾源装入碱金属源放置部件10中，在真空度高于6.0
×
10-10torr的条件下，采用直流电源5给钾源加热至420℃，为了获得稳定的功率输出，将直流电源5的直流电流设置为5a，直至真空度稳定至6.0
×
10-10torr，使得钾源充分除气；s42、采用直流电源5给除气后的钾源加热，使钾原子蒸镀到对三联苯分子(110)薄膜的表面，其中，加热的温度为400℃，控制覆盖度在0.6 ml左右，同时保持对三联苯分子(110)薄膜在零下153℃左右，以获得钾掺杂对三联苯分子薄膜；
s5、碱金属薄膜的生长：在真空条件下，对碱金属掺杂对三联苯分子薄膜进行退火处理，获得碱金属薄膜，具体包括：s51、在真空度高于6.0
×
10-10torr的条件下，将钾掺杂对三联苯分子薄膜放置在处于室温环境的真空制备腔1中20min左右，完成室温退火过程，获得碱金属钾薄膜。
[0030]
实施例3一种采用实施例1中的装置用于制备碱金属钾薄膜的方法，包括以下步骤：s1、si(111)-7
×
7衬底的制备：采用硅片制备获得si(111)-7
×
7衬底，具体包括：s11、将硅片剪裁为3mm
×
15mm的规格，并放入酒精中进行超声清洗，然后放入丙酮中进行超声清洗，获得硅片衬底；s12、将清洗后的硅片衬底放到样品架2上，通过磁力手柄4带动横杆3移动将装有硅片衬底的样品架2送入真空制备腔1中，并使装有硅片衬底的样品架2位于加热炉9的上方；s13、在真空制备腔1中，采用直流电源5将硅片衬底加热至500℃，使得硅片衬底在500℃的条件下除气12h，然后冷却至室温；s14、采用直流电源5将除气后的硅片衬底从室温升至1300℃，升温时间为15s，退火15s，降温至400℃，保持12s，再将温度从400℃升至1300℃，升温时间为15s，退火15s，降温至400℃，保持12s，如此循环，共退火6次，获得si(111)-7
×
7衬底；s2、cd(0001)薄膜的生长：在真空条件下，对镉源除气，然后加热使镉原子蒸镀到si(111)-7
×
7衬底的表面，获得cd(0001)薄膜，具体包括：s21、将纯度为99.999%的金属镉装入镉源放置部件6中，在真空度高于6.0
×
10-10 torr的条件下，采用直流电源5给加热丝供电，每间隔10min给镉源升温20℃，使镉源从室温升至60℃，并直至真空度稳定至6.0
×
10-10 torr后再加热30min，使得镉源充分除气，本实施例中的镉源放置部件6为坩埚；s22、采用直流电源5加热除气后的镉源使镉原子蒸镀到si(111)-7
×
7衬底的上表面，蒸镀时间为30min，其中，加热的温度为55℃，同时保持si(111)-7
×
7衬底的温度为室温，以便生长出超过20个原子层厚度的cd(0001)薄膜，获得超过20个原子层厚度的cd(0001)薄膜；s3、分子薄膜的生长：在真空条件下，给对三联苯分子除气，然后加热使对三联苯分子蒸镀到cd(0001)薄膜的表面，获得对三联苯分子(110)薄膜，具体包括：s31、将对三联苯分子装入坩埚8中，再将坩埚8置于加热炉9中，在真空度高于9.0
×
10-10
torr的条件下通过加热炉9给对三联苯分子加热至40℃，使得对三联苯分子充分除气，在除气过程中同时开启水循环冷却装置7，直至真空度稳定至9.0
×
10-10
torr；s32、通过加热炉9加热除气后的对三联苯分子使对三联苯分子蒸镀到cd(0001)薄膜的上表面，其中，加热的温度为35℃，同时保持cd(0001)薄膜在零下183℃左右，以便形成对三联苯分子(110)面的分子薄膜，获得三联苯分子(110)薄膜；s4、碱金属掺杂对三联苯分子薄膜的生长：在真空条件下，对碱金属源除气，然后加热使碱金属原子蒸镀到对三联苯分子(110)薄膜的表面，获得碱金属掺杂对三联苯分子薄膜，具体包括：s41、将钾源装入碱金属源放置部件10中，在真空度高于6.0
×
10-10torr的条件
下，采用直流电源5给钾源加热至420℃，为了获得稳定的功率输出，将直流电源5的直流电流设置为5.2a，直至真空度稳定至6.0
×
10-10torr，使得钾源充分除气；s42、采用直流电源5给除气后的钾源加热，使钾原子蒸镀到对三联苯分子(110)薄膜的表面，其中，加热的温度为410℃，控制覆盖度在0.8 ml左右，同时保持对三联苯分子(110)薄膜在零下163℃左右，以获得钾掺杂对三联苯分子薄膜；s5、碱金属薄膜的生长：在真空条件下，对碱金属掺杂对三联苯分子薄膜进行退火处理，获得碱金属薄膜，具体包括：s51、在真空度高于6.0
×
10-10torr的条件下，将钾掺杂对三联苯分子薄膜放置在处于室温环境的真空制备腔1中放置25min左右，完成室温退火过程，获得碱金属钾薄膜。
[0031]
检测分析将实施例2和实施例3中制得的对三联苯分子(110)薄膜、碱金属掺杂对三联苯分子薄膜和碱金属薄膜分别送入扫描隧道显微镜(stm)腔扫描观察对三联苯分子(110)薄膜、碱金属掺杂对三联苯分子薄膜和碱金属钾薄膜的薄膜形态和微观结构，实施例2和实施例3中制得的对三联苯分子(110)薄膜的薄膜形态和微观结构如图2和图3所示，实施例2和实施例3中制得的碱金属掺杂对三联苯分子薄膜的薄膜形态和微观结构如图4和图5所示，实施例2和实施例3中制得的碱金属薄膜的薄膜形态和微观结构如图6所示。
[0032]
其中，图2a和3a表示对三联苯分子(110)薄膜的薄膜形态，图2b和3b表示对三联苯分子(110)薄膜的微观结构，图4a和5a表示碱金属掺杂对三联苯分子薄膜的薄膜形态，图4b和5b表示碱金属掺杂对三联苯分子薄膜的微观结构，图6a表示碱金属薄膜的薄膜形态，图6b表示碱金属薄膜的微观结构。
[0033]
从图2a和3a中对比观察可知，实施例2和实施例3中制得的对三联苯分子(110)薄膜表现出不同的薄膜形态。图2a中的分子薄膜可见为两个分子台阶，没有表面空位；图3a中的分子薄膜只有一个较高的台阶，并且存在表面空位。但都表现出层岛生长模式，即对三联苯分子首先完全覆盖镉(0001)薄膜表面，然后随着分子覆盖度的增加形成分子岛。从图2b和3b中对比观察可知，实施例2和实施例3中制得的对三联苯分子(110)薄膜表现出不同的微观结构。图2b中对三联苯分子表现为直立和平躺姿态，且相邻周期性分布的结构，且二维晶格取向沿着衬底的方向；图3b中的分子姿态与图2b中相同，但取向与图2b中成90度的夹角。
[0034]
从图4a和5a中对比观察可知，实施例2和实施例3中制得的碱金属掺杂对三联苯分子薄膜表现出不同的薄膜形态。图4a中的碱金属掺杂对三联苯分子薄膜可见两个台阶，表面光滑，无缺陷；图5a中的分子薄膜也有两个台阶，但表面存在缺陷，并且台阶边缘粗糙。说明随着碱金属原子覆盖度的增加，对三联苯分子(110)薄膜表面分子排布发生变化，同时部分分子迁移，脱附，从而形成缺陷。从图4b和5b中对比观察可知，实施例2和实施例3中制得的碱金属掺杂对三联苯分子薄膜表现出不同的微观结构。图4b中碱金属掺杂对三联苯分子表现为共边的类蜂窝结构；图5b中碱金属掺杂对三联苯分子表现为共边的类蜂窝结构被相邻的多聚体破环，周期性不明显。结果表明碱金属掺杂浓度影响混合物的表面形态。
[0035]
从图6a观察可知，实施例2和实施例3中制得的碱金属薄膜形态相似，呈现两层原子厚度的不规则钾岛；从图6b观察可知，实施例2和实施例3中制得的碱金属薄膜微观结构呈现钾(110) 面的表面形貌。
[0036]
综上所述，本发明的制备碱金属薄膜的方法，通过利用分子束外延技术，在超高真空环境下，，首先制备干净的硅(111)-7
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7衬底；第二步制备原子级分辨的镉(0001)薄膜；第三步在镉(0001)薄膜表面生长对三联苯分子薄膜，制备表面干净的对三联苯分子(110)薄膜；第四步制备碱金属掺杂对三联苯(110)分子薄膜的混合物；第五步碱金属掺杂对三联苯分子薄膜在室温下进行退火处理，制备碱金属薄膜，从而“自下而上”使钾原子外延生长在对三联苯分子薄膜上，退火偏析形成碱金属(110)面结构。相对于其他方法，更加有利于获得清晰的微观结构和性质，有效拓展了碱金属薄膜的应用范围，在薄膜材料技术领域，具有推广应用价值。
[0037]
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种碱金属薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：硅(111)-7
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7衬底的制备：采用硅片制备获得硅(111)-7
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7衬底；镉(0001)薄膜的生长：在真空条件下，给镉源除气，然后加热使镉原子蒸镀到硅(111)-7
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7衬底的表面，获得镉(0001)薄膜；对三联苯分子(110)薄膜的生长：在真空条件下，给对三联苯分子除气，然后加热使对三联苯分子蒸镀到镉(0001)薄膜的表面，获得对三联苯分子(110)薄膜；碱金属掺杂对三联苯分子(110)薄膜的生长：在真空条件下，给碱金属源除气，然后加热使碱金属原子蒸镀到对三联苯分子(110)薄膜中，获得碱金属掺杂对三联苯分子薄膜；碱金属薄膜的生长：在真空条件下，对碱金属掺杂对三联苯分子薄膜进行退火处理，获得碱金属薄膜。2.根据权利要求1所述的碱金属薄膜的制备方法，其特征在于，所述碱金属源选自锂源、钠源、钾源、铷源和铯源中的至少一种；所述钾源为铬酸钾和锆铝合金的混合物；所述镉源为金属镉。3.根据权利要求1所述的碱金属薄膜的制备方法，其特征在于，所述si(111)-7
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7衬底的制备包括：依次对硅片进行清洗、除气和退火处理，获得si(111)-7
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7衬底；所述清洗为依次采用酒精和丙酮进行超声清洗；所述除气为在真空度为6.0
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10-9torr和温度为400~600℃的条件下保温处理8~12h，然后冷却至室温；所述退火采用循环退火处理，循环退火处理为在5~20s内将温度从室温升至1000~1300℃，退火13~18s，降温至400℃，保持10~15s，再在5~20s内将温度从400℃升至1000~1300℃，退火13~18s，降温至400℃，保持10~15s，如此循环，共退火5~8次。4.根据权利要求1所述的碱金属薄膜的制备方法，其特征在于，所述给镉源除气为在真空度高于6.0
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10-10torr的条件下，每间隔10min给镉源升温20℃，使镉源从室温升至60℃，并直至真空度稳定至6.0
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10-10torr后，加热25~35min；再在温度为50℃的条件下将镉原子蒸镀到硅(111)-7
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7衬底的表面；在镉原子蒸镀到硅(111)-7
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7衬底的表面的过程中，硅(111)-7
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7衬底的温度保持在室温条件；镉原子蒸镀到硅(111)-7
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7衬底的表面的蒸镀时间为25~30min。5.根据权利要求1所述的碱金属薄膜的制备方法，其特征在于，所述给对三联苯分子除气为在真空度高于9.0
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10-10torr的条件下，给对三联苯分子加热至40℃，直至真空度稳定至9.0
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10-10torr；再在温度为35℃的条件下将对三联苯分子蒸镀到镉(0001)薄膜的表面；在对三联苯分子蒸镀到镉(0001)薄膜中的过程中，镉(0001)薄膜的温度保持在零下180℃~185℃之间。6.根据权利要求1所述的碱金属薄膜的制备方法，其特征在于，所述给碱金属源除气为在真空度高于6.0
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10-10torr的条件下，给碱金属源加热至420℃，直至真空度稳定至6.0
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10-10torr；再在温度为400℃的条件下将碱金属原子蒸镀到对三联苯(110)分子薄膜中；在碱金属原子蒸镀到对三联苯分子(110)薄膜中的过程中，对三联苯分子(110)薄膜的
温度保持在零下150℃~155℃之间，碱金属原子在对三联苯分子(110)薄膜的表面的覆盖度为0.6~1.2ml。7.根据权利要求1所述的碱金属薄膜的制备方法，其特征在于，对碱金属掺杂对三联苯分子薄膜进行退火处理为将碱金属掺杂对三联苯分子薄膜置于真空中，在室温下放置20~40min，使碱金属掺杂对三联苯分子薄膜温度从零下195℃上升到零下110℃，再传入扫描隧道显微镜(stm)中冷却到零下195℃，完成退火过程。8.一种如权利要求1至权利要求7任一所述制备方法制得的碱金属薄膜。9.一种如权利要求1至权利要求7任一所述制备方法制得的碱金属薄膜的应用，其特征在于，所述碱金属薄膜用于太阳能电池和碱金属离子电池中。10.一种用于制备碱金属薄膜的装置，其特征在于，包括真空制备腔（1）、样品架（2）、横杆（3）、磁力手柄（4）、直流电源（5）、镉源放置部件（6）、水循环冷却装置（7）、坩埚（8）、加热炉（9）和碱金属源放置部件（10）；所述样品架（2）位于所述真空制备腔（1）的腔体内部，所述磁力手柄（4）和直流电源（5）位于所述真空制备腔（1）的腔体外部，所述镉源放置部件（6）位于所述真空制备腔（1）的底部，且一部分位于所述真空制备腔（1）的腔体内部，另一部分位于所述真空制备腔（1）的腔体外部，所述加热炉（9）位于所述真空制备腔（1）的底部，且一部分位于所述真空制备腔（1）的腔体内部，另一部分位于所述真空制备腔（1）的腔体外部，所述碱金属源放置部件（10）位于所述真空制备腔（1）的侧壁上，且一部分位于所述真空制备腔（1）的腔体内部，另一部分位于所述真空制备腔（1）的腔体外部；所述横杆（3）的一端连接所述样品架（2）、另一端连接所述磁力手柄（4），所述样品架（2）、碱金属源放置部件（10）、镉源放置部件（6）和水循环冷却装置（7）均连接所述直流电源（5），所述坩埚（8）位于所述加热炉（9）中，且所述坩埚（8）位于所述真空制备腔（1）的腔体外部，所述加热炉（9）内置于水循环冷却装置（7）中；在进行碱金属薄膜制备时，将硅片置于样品架（2）上，通过磁力手柄（4）吸附横杆（3）于内管壁上，带动横杆（3）移动，将装有硅片的样品架（2）送入真空制备腔（1）中，并使样品架（2）位于加热炉（9）的上方，采用直流电源（5）对硅片加热制成硅(111)-7
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7衬底；将镉源装入镉源放置部件（6）中，采用直流电源（5）对镉源加热除气并蒸镀到硅(111)-7
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7衬底的表面，获得镉(0001)薄膜；将对三联苯分子装入坩埚（8）中，再将坩埚（8）置于加热炉（9）中，通过加热炉（9）给对三联苯分子除气并蒸镀到镉(0001)薄膜的表面，获得对三联苯分子(110)薄膜，并同时开启水循环冷却装置（7）；将碱金属源装入碱金属源放置部件（10），采用直流电源（5）对碱金属源除气并蒸镀到对三联苯分子(110)薄膜的表面，获得碱金属掺杂对三联苯分子薄膜；在真空制备腔（1）中对碱金属掺杂对三联苯分子薄膜进行室温退火处理，获得碱金属薄膜。

技术总结
本发明涉及一种碱金属薄膜、制备方法、应用及装置。碱金属薄膜的制备方法，包括以下步骤：采用硅片制备获得Si-7


技术研发人员：李佐 王俊忠
受保护的技术使用者：西南大学
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/9/11