日本Advance-Riko APD系列电弧等离子体纳米粒子生成装置技术解析

1 产品概述

日本アドバンス理工株式会社（Advance Riko, Inc.，总部位于神奈川县横滨市都筑区）推出的APD系列电弧等离子体纳米粒子生成装置，是采用脉冲真空电弧放电（Pulse Vacuum Arc Discharge）技术的新一代纳米粒子形成设备，可同时进行薄膜镀覆与纳米粒子担持，适用于从实验室研究到产业开发的多层次材料制备需求。该装置通过简单工艺即可生成金属离子并形成极薄膜或纳米粒子，其薄膜平坦性与粒子微细度是其他蒸镀方法难以实现的。

APD系列提供APD-S（基板沉积型）与APD-P（粉体担持型）两种机型：APD-S面向2英寸基板，用于磁性金属薄膜、等离子体薄膜、保护膜及纳米粒子的制备；APD-P配备带搅拌机构的粉体容器，可将纳米粒子直接担持于催化剂粉体等载体上，用于燃料电池催化剂、排气催化剂、光催化剂、VOC分解催化剂、碳纳米管催化剂及等离子体材料的制备。两种机型共用脉冲电弧等离子体蒸镀源与真空系统，可在真空中以干燥工艺完成纳米级膜厚控制、纳米粒子粒径控制以及最多6种元素的多元素合金化。

2 工作原理

APD系列的核心是基于脉冲真空电弧放电的等离子体蒸镀原理。装置真空腔排气达到设定真空度后，由触发电源在靶棒（阴极）表面引发电弧放电，靶材在毫秒级脉冲电弧的高能量作用下瞬间离子化，无需任何放电气体即可从靶材表面产生高电离度的金属等离子体，等离子体在电场与动能作用下沉积于基板或粉体表面，形成各种薄膜与纳米粒子。

放电回路主要由触发电源、阳极、触发电极、靶材（阴极）、电容器与电弧电源构成，靶材与周围部件之间以绝缘体隔离。电容器存储的电能通过电弧电源释放，产生持续的脉冲放电；调节电容器容量即可改变单次脉冲的放电能量，从而控制等离子体中离子团簇的尺寸，最终实现对沉积纳米粒子粒径的精确调控。放电电压可在70V至400V范围内设定，脉冲速率1～5脉冲/秒可调，操作通过触摸屏完成。

3 主要技术特点

APD系列以脉冲真空电弧放电为核心，具备纳米粒径精确可控、材料适应性广、可制备新化合物等突出特点，主要技术特点如下表所示。

APD系列不依赖工艺气体，可在超高真空环境中运行，有效降低膜层中气氛气体成分的混入；结合最大400V的充电电压与高能量密度蒸镀，可获得平坦、致密且密着性高的膜层。

4 技术规格

APD系列APD-S与APD-P两机型共用真空腔、电弧等离子体蒸镀源与排气系统，试样承载方式与辅助机构按用途区分，主要规格如下表所示。

两机型共用系统规格：真空腔尺寸W400×D400×H300mm，排气采用450L/s涡轮分子泵单元；电弧等离子体蒸镀源标准配置1个、最多可装3个；靶材为导电材料（φ10×L17mm，圆柱形亦可），比电阻0.01Ωcm以下；冷凝器容量360μF×5个可选，放电电压70～400V（1800μF时最大150V），脉冲速率1～5脉冲/秒，触摸屏操作。沉积气氛为真空及低压工艺气体（N₂、H₂、Ar、O₂，气体为选件）。设备整体尺寸约W900×D1200×H1600mm（不含维护空间），重量约500kg，电源为φ3 AC200V 50/60Hz 10kVA，需A类接地1线与D类接地1线，压缩空气0.7MPa以上。

5 应用领域

APD系列已在催化剂、磁性材料、电子材料、热电材料与碳材料等领域形成大量应用成果，主要应用领域与典型用途如下表所示。

APD系列纳米粒子担持对象覆盖金属氧化物粉体、碳粉、基板等多种形态，其制备的贵金属催化剂以极低负载量即可获得与湿式法相当甚至更高的催化活性，在贵金属减量化与高性能催化剂开发方面具有明显优势。

6 纳米粒子尺寸控制与性能

粒径控制是APD系列的核心能力。实验结果表明，在电弧电压70V、室温、10⁻⁴Torr条件下，将金沉积于TiO₂(110)表面时，冷凝器容量为360μF、720μF、1440μF、2200μF时，所得金纳米粒子平均粒径分别为1.3±0.4nm、2.5±0.5nm、4.2±0.3nm与5.6±0.9nm，粒径分布窄、分散均匀，如图3所示。通过调节冷凝器容量，即可在约1.5nm至6nm范围内精确选择纳米粒子粒径，为催化剂活性位调控与等离激元特性设计提供了直接手段。

高能离子是APD法区别于溅射法等工艺的关键：电弧等离子体法产生的离子平均能量为30～45eV，而溅射法仅2～3eV，能量差异对纳米粒子的生成与功能特性有重要贡献。在催化性能方面，采用电弧等离子体法担载的0.4wt%Pt/CeO₂与0.4wt%Pd/CeO₂催化剂，其CO氧化活性明显高于传统湿式法制备的同类催化剂（反应条件：0.1%CO、1.25%O₂、He平衡、W/F=5.0×10⁻⁴g·min·cm⁻³）；金纳米粒子粒径对H₂消耗速率与H₂-D₂交换反应活性同样呈现显著相关性，表明粒径精确控制直接转化为催化性能的提升。

7 结语

日本Advance-Riko APD系列电弧等离子体纳米粒子生成装置以脉冲真空电弧放电为核心，实现了纳米级薄膜与纳米粒子的干式、可控制备：通过冷凝器容量调节可在1.5nm至6nm范围内精确控制粒径，支持最多6种靶材同时蒸镀与气氛变换合成氧化物、氮化物乃至超纳米晶金刚石，并通过APD-S基板沉积型与APD-P粉体担持型两种机型覆盖薄膜与粉体两大应用场景。其在燃料电池催化剂、排气催化剂、磁性薄膜、热电材料与碳纳米材料等领域的应用成果表明，APD系列是先进材料研发与功能纳米粒子批量制备的理想平台。