[发明专利]制造亚临界尺寸的稳定原子簇的亚临界成核工艺及由这些簇制成的材料的结构、性质和应用

权利要求书

1.制造亚临界簇

一种制造亚临界尺寸的稳定原子簇的方法，其中蒸气云发生快速膨胀和快速冷却，其中控制蒸气条件或参数使得在亚临界成核过程中形成的多个亚临界稳定簇被冷凝。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过改变蒸气条件来控制蒸气云膨胀，使得在亚临界成核过程中形成的并且正常会被完全破坏的亚临界核得以保留并形成亚临界稳定簇。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中控制蒸气云膨胀，使之进入对具有亚临界尺寸的簇的破坏基本结束或缩减的状态。

4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中通过直接或间接控制随材料以及汽化和冷凝条件而变的一个或多个参数，来控制蒸气云膨胀。

5.根据任一前述权利要求所述的方法，使用了其中会发生所述蒸气的快速膨胀和快速冷却的激光蒸发，其中控制所述蒸气条件，使得多个稳定簇被冷凝，每个所述簇的尺寸小于临界尺寸。

6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中会发生所述蒸气云的快速膨胀和快速冷却，并且设置或控制在初始蒸气膨胀时刻的蒸气生成条件，使得稳定的原子簇被冷凝，每个所述簇的尺寸小于临界尺寸。

7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中会发生所述蒸气云的快速膨胀和快速冷却，并且设置或控制在初始蒸气膨胀时刻的蒸气生成条件以提供所述蒸气膨胀(i)不会发生得太快以至于任何尺寸的簇都没有足够的时间来形成，和(ii)不会发生得太慢以至于任何亚临界尺寸的簇通过与蒸气相原子交换而消失。

8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述蒸气云的快速膨胀和快速冷却在1到10微秒之间、优选在2到4微秒之间发生。

9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中亚临界尺寸的簇在处于碰撞模式的那些膨胀蒸气云体积和这些碰撞模式体积之外的不处于、或至少基本上不处于碰撞模式的区域之间的界面处形成。

10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，当所述膨胀蒸气云体积处于碰撞模式时，则其导致在所述膨胀蒸气云体积的外部存在无碰撞(即基本上无碰撞模式)带，其中云密度下降，并且在所述膨胀蒸气云的碰撞模式体积和无碰撞带之间的界面或边界处形成亚临界尺寸的簇。

11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中蒸气云发生快速膨胀和快速冷却，并且设置或控制所述蒸气生成条件以提供所述蒸气云膨胀处于碰撞模式，其中碰撞模式是指连续原子碰撞之间的平均距离比蒸气密度变化的特征长度更短)：

和

并且所述初始等离子体参数是其体积的初始半径R₀、温度T₀和等离子体体积中的原子总数N；并且所述材料参数是：σ是原子碰撞处的散射截面，T_s是材料凝固温度。

12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述簇由碳构成，并且所述簇的尺寸小于1nm。

13.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述簇由碳构成，并且所述簇的尺寸在0.3/0.4nm和0.7nm之间。

14.根据前述权利要求11所述的方法，其中对于碳，所述材料参数值基本上等同于：σ＝2·10^-16cm²，T_s≈3600K；并且以此，满足第一个关系，例如在N＝10¹⁶cm^-3和R₀＝1mm下，而第二个关系给出所需的初始等离子体温度T₀≈12500K。