连续离子液相制备纳米薄膜的自动沉积方法及自动化设备与流程

1.本发明涉及纳米材料制备技术领域，尤其涉及连续离子液相制备纳米薄膜的自动沉积方法及自动化设备。背景技术：2.近年来，随着化石燃料的大量消耗，随之而来的环境问题和能源问题越来越严峻，寻找清洁、可再生的能源迫在眉睫。氢能，作为二次能源，具有清洁、高效、安全、可贮存、可运输等诸多优点，已普遍被人们认为是一种最理想的新世纪无污染的绿色能源，因此受到了各国的高度重视。目前的制氢手段有很多，其中太阳能光催化水解制氢被认为是最有应用前景的制氢方式之一。光解水制氢技术始自1972年，由日本东京大学fujishima a和honda k两位教授首次报告发现tio2单晶电极光催化分解水从而产生氢气这一现象，从而揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能性，开辟了利用太阳能光解水制氢的研究道路。3.在光催化材料中，半导体光催化材料的研究和应用最为广泛。光催化材料要廉价易得，效率高，最好能充分利用太阳光中所有波段的能量。一般的光催化材料为金属氧化物和金属硫化物，如cds、zno、tio2、fe2o3等。半导体光催化材料有多种制备工艺，主要包括磁控溅射、真空蒸镀、溶胶凝胶、ald、silar等方法。4.其中，silar法又称为连续离子层吸附反应法或连续离子液相方法，是上个世纪80年代中期由法国科学家y.n.nicolau首创，并应用于薄膜制备。它是在化学水浴沉积法(chemical bath deposition)和原子层外延生长(atomic layer epitaxy)的基础上发展起来的一种化学法成膜技术，连续离子液相方法集合上述两种制备方法的优点，在常温下，制备的薄膜品质好、厚度可控，且薄膜生长速率较快，更重要的是不需要昂贵的真空薄膜沉积设备。5.连续离子液相法薄膜制备属于液相化学沉积成膜，液相化学沉积成膜的机理包括均相生长机理和非均相生长机理。液相化学沉积成膜的机理包括均相生长机理和非均相生长机理。连续离子液相法采用了独立的离子前驱体，使得溶液中不能形成沉淀物的团簇体，从而避免均相沉积机理的影响，在非均相生长机理的控制下，得到均一性好，致密度高的薄膜。6.然而，传统的连续离子液相方法制备一片薄膜导电玻璃衬底需要多次循环沉积，有时甚至几十次循环沉积，每次循环沉积时间需要几分钟。沉积一片薄膜大概需要几个小时，非常耗费时间和人力，实验室制备效率非常低。技术实现要素：7.本发明的目的是提供连续离子液相制备纳米薄膜的自动沉积方法及自动化设备，可以有效提高制备纳米薄膜的实验效率、提高纳米薄膜沉积的精准度，具有极大的实用经济价值。8.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：9.连续离子液相制备纳米薄膜的自动沉积方法，包括以下步骤：s10、对密封舱抽真空并向密封舱内充入反应气体；s20、清洗导电玻璃衬底；s30、将清洗后的导电玻璃衬底安装于夹持器上，依次置入阳离子溶液、去离子水、阴离子溶液和去离子水中，进行自动沉积和清洗。10.进一步设置为：其中，s10步骤中抽真空并充入反应气体具体为：s11、封闭密封舱，检查密封舱的气密性良好，预抽泵的通气口与气阀连接，通过预抽泵将密封舱抽真空，直至真空计显示密封舱内的真空度达到10‑1～10‑2pa；s12、向密封舱内通入反应气体，直至压力计显示密封舱内气压达到1atm时，关闭气阀。11.进一步设置为：其中，s20步骤中清洗导电玻璃衬底具体为：s21、将导电玻璃衬底放入洗洁粉里，超声清洗15min；s22、将导电玻璃衬底放入蒸去离子水中进行超声清洗，换水3次，每次清洗15min；s23、将导电玻璃衬底放入异丙醇中进行超声清洗，至少清洗2次，每次清洗15min；s24、将导电玻璃衬底放入丙酮中进行超声清洗，至少清洗2次，每次清洗10min；s25、将导电玻璃衬底正面朝上，放在紫外臭氧清洗机里辐射30min。12.进一步设置为：其中，s30步骤中自动沉积和清洗具体为：s31、将阳离子溶液和阴离子溶液经磁力搅拌，调制成浓度均为0.05mol/l～1mol/l的均匀溶液；s32、依次将阳离子溶液、去离子水、阴离子溶液和去离子水各20ml放置于第一烧杯、第二烧杯、第三烧杯和第四烧杯中；s33、设置导电玻璃衬底在各个溶液中的浸润时间和浸润周期，夹持器带着导电玻璃衬底依次伸入第一烧杯、第二烧杯、第三烧杯和第四烧杯中，分别进行沉积和清洗,使得导电玻璃衬底的表面形成纳米薄膜。13.本发明还提供了一种连续离子液相制备纳米薄膜的自动化设备，包括密封舱，所述密封舱内依次设有第一烧杯、第二烧杯、第三烧杯和第四烧杯，所述密封舱内设有运行控制系统、环境控制系统和视频监控系统，其中，所述运行控制系统用于夹持和控制导电玻璃衬底的移动；所述环境控制系统包括温湿度传感器和与之控制连接的加热器、加湿器，用于实时监测和控制密封舱内的温度和湿度，以达到良好的反应环境；所述视频监控系统包括摄像头，用于沉积过程的可视化控制；所述密封舱外设有中央控制系统和数据采集系统，所述数据采集系统用于读取纳米薄膜的厚度、成分和sem形貌，所述运行控制系统、环境控制系统、视频监控系统和数据采集系统均与中央控制系统相连接，通过中央控制系统控制沉积时间和沉积循环周期。14.进一步设置为：所述运行控制系统包括支架，所述支架上滑动设置有横梁，所述支架上设有用于驱动横梁沿y轴往复移动的y轴驱动装置；所述横梁上滑动设置有滑座，所述横梁上设有用于驱动滑座沿x轴往复移动的x轴驱动装置；所述滑座上升降设置有连杆，所述连杆的底部可拆卸连接有夹持器。15.进一步设置为：所述y轴驱动装置包括y轴电机和与之传动连接的y轴丝杆，所述y轴丝杆贯穿设置于横梁上且y轴丝杆的两端分别转动连接有y轴支撑板，所述y轴电机和y轴支撑板均固设于支架上；所述横梁的两端分别固设有滑块，所述滑块上穿设有导向杆，所述导向杆的两端分别固设有与支架固定连接的限位板。16.进一步设置为：所述x轴驱动装置包括x轴电机和与之传动连接的x轴丝杆，所述x轴丝杆贯穿设置于滑座上且x轴丝杆的两端分别转动连接有x轴支撑板，所述x轴电机和x轴支撑板均固设于横梁上端面；所述横梁的上端面固设有导轨，所述滑座的底部与导轨滑动连接。17.进一步设置为：所述滑座上固设有z轴气缸，所述z轴气缸的活塞杆与连杆固定连接。18.进一步设置为：所述密封舱上设有气阀，所述密封舱内设有真空计和压力计。19.相比于现有技术，本发明的有益技术效果为：20.(1)本发明通过中央控制系统设置导电玻璃衬底在各个溶液中的沉积时间和沉积循环周期，可以调节纳米薄膜的成分和厚度，从而有效提高制备纳米薄膜的实验效率；同时通过环境监测系统可以实时监测和控制密封舱内的温度和湿度，以达到良好的反应环境，提高纳米薄膜沉积的精准度，具有极大的实用经济价值。21.(2)通过本发明制备的纳米薄膜材料均一性好，致密度高，可以作为半导体光催化材料应用于光解水制氢、环境污染物降解等多项新能源技术领域，具有环保意义。22.(3)数据采集系统采集的纳米薄膜的厚度、成分、sem形貌等数据可以上传至数据云平台，操作人员通过手机app、web实验平台即可方便地查询相关信息。附图说明23.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。24.图1为本发明提出的一种连续离子液相制备纳米薄膜的自动沉积方法的流程图；25.图2为本发明提出的一种连续离子液相制备纳米薄膜的自动化设备的系统结构框图；26.图3为本发明提出的一种连续离子液相制备纳米薄膜的自动化设备的整体结构示意图；27.图4为一种连续离子液相制备纳米薄膜的自动化设备中运行控制系统的结构示意图；28.图5为利用本发明制备的nio薄膜sem形貌。29.附图标记：30.100、密封舱ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ110、观察窗ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ120、急停控制按钮31.130、气阀ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ140、第一烧杯ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ150、第二烧杯32.160、第三烧杯ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ170、第四烧杯ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ200、运行控制系统33.210、支架ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ220、横梁ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ230、y轴驱动装置34.231、y轴电机ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ232、y轴丝杆ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ233、y轴支撑板35.234、滑块ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ235、导向杆ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ236、限位板36.240、滑座ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ250、x轴驱动装置ꢀꢀꢀꢀ251、x轴电机37.252、x轴丝杆ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ253、x轴支撑板ꢀꢀꢀꢀꢀ254、导轨38.260、z轴气缸ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ270、连杆ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ280、夹持器39.300、环境控制系统ꢀꢀꢀ310、温湿度传感器ꢀꢀ320、加热器40.330、加湿器ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ400、视频监控系统ꢀꢀ410、摄像头41.500、数据采集系统ꢀꢀꢀ510、薄膜厚度仪ꢀꢀꢀꢀ520、sem扫描电镜42.600、中央控制系统ꢀꢀꢀ610、plc触摸控制面板43.700、物联网网关ꢀꢀꢀꢀꢀ800、数据云平台具体实施方式44.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。45.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。46.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。47.下面首先对本申请文件涉及的技术术语进行简单介绍。48.导电玻璃衬底，为半导体材料制成的透明导电膜，不仅具有导电性，同时具有透光性。49.1atm：即1个标准大气压。50.实施例151.参照图1，为本发明公开的一种连续离子液相制备纳米薄膜的自动沉积方法，包括以下步骤：52.s10、对密封舱100抽真空并向密封舱100内充入反应气体；53.s20、清洗导电玻璃衬底，导电玻璃衬底包括ito(纳米铟锡金属氧化物)等半导体材料制成的透明导电膜，导电玻璃衬底的尺寸包括但不限于1cm×3cm；54.s30、将清洗后的导电玻璃衬底安装于夹持器280上，依次置入阳离子溶液、去离子水、阴离子溶液和去离子水中，进行自动沉积和清洗，通过plc控制面板控制沉积时间和循环次数，从而调节纳米薄膜的成分和厚度；55.其中，s10步骤中抽真空并充入反应气体具体为：56.s11、封闭密封舱100，检查密封舱100的气密性良好，预抽泵的通气口与气阀130连接，通过预抽泵将密封舱100抽真空，直至真空计显示密封舱100内的真空度达到10‑1～10‑2pa；57.s12、向密封舱100内通入反应气体，直至压力计显示密封舱100内气压达到1atm时，关闭气阀130。58.其中，s20步骤中清洗导电玻璃衬底具体为：59.s21、将导电玻璃衬底放入洗洁粉里，超声清洗15min；60.s22、将导电玻璃衬底放入去离子水中进行超声清洗，换水3次，每次清洗15min；61.s23、将导电玻璃衬底放入异丙醇中进行超声清洗，至少清洗2次，每次清洗15min；62.s24、将导电玻璃衬底放入丙酮中进行超声清洗，至少清洗2次，每次清洗10min；63.s25、将导电玻璃衬底正面朝上，放在紫外臭氧清洗机里辐射30min。64.其中，s30步骤中自动沉积和清洗具体为：65.s31、将阳离子溶液和阴离子溶液经磁力搅拌，调制成浓度均为0.05mol/l～1mol/l的均匀溶液，阳离子包括但不限于cd2+,ni2+,cu2+,na+,mg2+，阴离子包括但不限于s2‑,no3‑,te2‑,cl‑等；66.s32、依次将阳离子溶液、去离子水、阴离子溶液和去离子水各20ml放置于第一烧杯140、第二烧杯150、第三烧杯160和第四烧杯170中；67.s33、设置导电玻璃衬底在各个溶液中的浸润时间和浸润周期，夹持器280带着导电玻璃衬底依次伸入第一烧杯140、第二烧杯150、第三烧杯160和第四烧杯170中，分别进行沉积和清洗,使得导电玻璃衬底的表面形成纳米薄膜。68.参照图2和图3，为本发明公开的一种连续离子液相制备纳米薄膜的自动化设备，包括密封舱100，密封舱100内沿x轴方向依次设有第一烧杯140、第二烧杯150、第三烧杯160和第四烧杯170，第一烧杯140、第二烧杯150、第三烧杯160和第四烧杯170分别盛有阳离子溶液、去离子水、阴离子溶液和去离子水。密封舱100的一侧设有透明观察窗110，透明观察窗110可以打开和关闭，以便放置和取出第一烧杯140、第二烧杯150、第三烧杯160和第四烧杯170。69.密封舱100内设有运行控制系统200、环境控制系统300和视频监控系统400，其中，运行控制系统200用于夹持导电玻璃衬底，并控制导电玻璃衬底的移动和沉积时间；环境控制系统300包括温湿度传感器310和与之控制连接的加热器320、加湿器330，用于实时监测和控制密封舱100内的温度和湿度，温度的调节范围为0℃～80℃，湿度调节范围为0～70％，以达到良好的反应环境；视频监控系统400包括摄像头410，用于沉积过程的可视化控制。密封舱100外设有中央控制系统600和数据采集系统500，数据采集系统500包括薄膜厚度仪510、sem扫描电镜520，用于检测和读取纳米薄膜的厚度、成分和sem形貌。运行控制系统200、环境控制系统300、视频监控系统400和数据采集系统500均与中央控制系统600相连接，通过中央控制系统600控制沉积时间和沉积循环周期。70.参照图4，运行控制系统200包括支架210，支架210的顶部滑动设置有横梁220，支架210上设有用于驱动横梁220沿y轴往复移动的y轴驱动装置230。横梁220上滑动设置有滑座240，横梁220上设有用于驱动滑座240沿x轴往复移动的x轴驱动装置250。滑座240上升降设置有连杆270，连杆270的底部可拆卸连接有夹持器280。通过夹持器280夹持安装导电玻璃衬底，连杆270带动夹持器280沿z轴方向上下移动，x轴驱动装置250驱动滑座240沿x轴左右移动，y轴驱动装置230驱动横梁220沿y轴前后移动，从而实现导电玻璃衬底在空间上任意一点的移动，夹持器280带着导电玻璃衬底依次伸入第一烧杯140、第二烧杯150、第三烧杯160和第四烧杯170中，分别进行沉积和清洗，从而在导电玻璃衬底表面生成纳米薄膜。71.y轴驱动装置230包括y轴电机231和与之传动连接的y轴丝杆232，y轴丝杆232沿横梁220的宽度方向贯穿设置于横梁220上且y轴丝杆232的两端分别转动连接有y轴支撑板233，y轴电机231和y轴支撑板233均固设于支架210上。横梁220的两端分别固设有滑块234，滑块234沿y轴(即横梁的宽度方向)穿设有导向杆235，导向杆235的两端分别固设有与支架210固定连接的限位板236。y轴电机231驱动y轴丝杆232转动，带动滑块234沿导向杆235滑动，通过横梁220和滑座240的联动作用，从而实现夹持器280沿y轴方向的前后移动。72.x轴驱动装置250包括x轴电机251和与之传动连接的x轴丝杆252，x轴丝杆252沿横梁220的长度方向贯穿设置于滑座240上且x轴丝杆252的两端分别转动连接有x轴支撑板253，x轴电机251和x轴支撑板253均固设于横梁220上端面。横梁220的上端面沿x轴(即横梁的长度方向)固设有导轨254，滑座240的底部与导轨254滑动连接。x轴电机251驱动x轴丝杆252转动，带动滑座240沿导轨254滑动，通过滑座240和连杆270的联动作用，从而实现夹持器280沿x轴方向的左右移动。73.滑座240上固设有z轴气缸260，z轴气缸260的活塞杆与连杆270的顶部固定连接。z轴气缸260驱动连杆270上下移动，从而实现夹持器280沿z轴方向的上下移动。74.x轴电机251控制连接有x轴电机控制器，y轴电机231控制连接有y轴电机控制器，z轴气缸260控制连接有z轴气缸控制器，x轴电机控制器、y轴电机控制器和z轴气缸控制器均与中央控制系统600相连接。75.中央控制系统600包括plc触摸控制面板610，密封舱100的顶部设置有楔形面，楔形面和水平面呈夹角设置，以适应操作人员的操作视角，plc触摸控制面板610设置于密封舱100的楔形面上，plc触摸控制面板610提升了人机交互性能。76.密封舱100于plc触摸控制面板610的一侧设有急停控制按钮120，通过急停控制按钮120可以随时控制运行控制系统200的停止和启动。77.密封舱100的一侧设有气阀130，密封舱100内设有真空计和压力计。通过气阀130向外抽气形成负压，或者向内充入反应气体。78.中央控制系统600通过物联网网关700通信连接有数据云平台800，数据云平台800包括手机app、web实验平台。数据采集系统500采集的纳米薄膜的厚度、成分、sem形貌等数据可以上传至数据云平台800，操作人员通过手机app、web实验平台即可方便地查询相关信息。79.本自动化设备的工作原理及有益效果为：80.将阳离子溶液和阴离子溶液经磁力搅拌，调制成浓度均为0.05mol/l～1mol/l的均匀溶液，依次将阳离子溶液、去离子水、阴离子溶液和去离子水各20ml放置于第一烧杯140、第二烧杯150、第三烧杯160和第四烧杯170中。81.连杆270首先向下移动，载着导电玻璃衬底进入阳离子溶液中，并在阳离子溶液中浸润一定时间，在导电玻璃载体表面生成一层纳米薄膜；随后连杆270向上载着导电玻璃衬底离开阳离子溶液，并通过滑座240沿x轴向右移动一端距离，接着连杆270向下移动，载着导电玻璃衬底进入去离子水，并在去离子水中浸润一段时间，进行清洗；随后连杆270向上载着导电玻璃衬底离开溶液，并通过滑座240沿x轴移动一段距离，接着连杆270向下，载着导电玻璃衬底进入阴离子溶液，并在阴离子溶液中浸润一定时间，在导电玻璃载体表面生成另一层纳米薄膜；随后连杆270向上载着导电玻璃衬底离开溶液，并通过另外的工作轴水平移动一段距离，随后连杆270向下，载着导电玻璃衬底进入去离子水，并在去离子水中浸润一段时间，进行清洗，至此完成一个沉积周期。82.通过中央控制系统600设置导电玻璃衬底在各个溶液中的沉积时间和沉积周期，调节纳米薄膜的成分和厚度。83.参照图5，为利用本发明制备的nio薄膜的sem形貌图，可以看出，纳米薄膜具有良好的形貌特征，薄膜致密性好，平均径粒达到0.2微米。84.本发明可以有效提高制备纳米薄膜的实验效率、提高纳米薄膜沉积的精准度，具有极大的实用经济价值。通过该设备制备的纳米薄膜材料可以应用光解水制氢、环境污染物降解等多项新能源技术领域，具有环保意义。85.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。