CN102479652A - 采用紫外或深紫外激光源的高空间分辨光发射电子显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用紫外或深紫外激光源的高空间分辨光发射电子显微镜，包括紫外或深紫外激光器、光发射电子显微镜PEEM，紫外或深紫外激光器发射的激光光路垂直入射到PEEM的样品台。在于将能量高于5eV的固定波长或连续波长的(深)紫外激光施用于光发射电子显微镜；通过激光与PEEM连接系统将激光以一种独特的垂直入射样品表面的方式激发固体表面光电子；采用电子光学系统将表面光发射电子成像从而获得表面图像信息；应用深紫外激光研究固体表面上的动态过程，包括表面化学反应和表面生长过程，实现表面动态过程的高空间分辨、原位实时的研究和观察。

Description

采用紫外或深紫外激光源的高空间分辨光发射电子显微镜

技术领域

本发明涉及表面科学研究的新技术和新方法，具体地说是采用紫外及深紫外激光作为激发光源，利用紫外激光的高能量和高强度等特点来发展高空间分辨的光发射电子显微镜(PEEM)，应用于表面化学、表面物理、薄膜生长、集成电路等表面科学研究和应用领域。

背景技术

光发射电子显微镜(Photoemission Electron Microscopy，PEEM)是九十年代左右发展起来的一种全新的表面分析技术。它以紫外光或X射线光来激发固体表面原子中的电子，采用电子光学透镜系统记录光电子发射，并进行成像。相比较于扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧穿显微镜(STM)、扫描俄歇显微镜(SAM)等主要的表面成像技术而言，PEEM直接以表面光发射电子平行成像而无需表面扫描过程，因而它可以实时地观测固体表面上的动态过程。众所周知，表面过程例如表面生长、表面相变、表面反应等都是动态变化的，实现表面过程的实时动态观测一直是表面科学研究的一个重大挑战。PEEM作为一个全新的表面分析技术能够实现原位、实时、动态地对表面电子结构信息进行成像研究，在表面化学、表面磁学、薄膜生长、微电子学等研究等领域有着非常重要的应用。

现有PEEM的空间分辨率一般在20-50nm，但是许多表面过程发生在非常小的空间尺度上。例如，在多相催化体系中催化剂尺寸通常在10nm以下，而通常这些具有纳米尺寸的催化剂才表现出优异的催化性能；在许多受限的小尺寸量子体系中，包括量子点、量子线、量子阱、纳米团簇等，其空间尺度也都在10nm以内。现有PEEM空间分辨能力大大限制了PEEM技术的广泛应用，因此亟需发展新一代高空间分辨的PEEM技术。

PEEM主要由三部分组成：激发光源、透镜系统和记录系统。其中激发光源是PEEM的最关键部分之一，光源的强度直接决定了PEEM空间分辨率的高低。首先，在高空间分辨条件下PEEM成像系统上能够记录的光电子数目大大减少，如果空间分辨率提高一个数量级，比如从现有的50nm提高到5nm，记录成像的光电子数目会降低两个数量级。其次，提高空间分辨率需要将入射的光电子能量分布(ΔE₀)减小即提高电子的单色性，而电子的单色性提高一个数量级，记录成像的光电子数目会降低至少一个数量级。最后，提高空间分辨率需将入射的光电子准直，即减小接受角α，如果α减小一个数量级实际记录的光电子数目会降低约2个数量级。因此，如果将空间分辨率从现有的50nm提高到5nm(一个数量级)，考虑到以上因素用来成像的光电子数目会降低5个数量级甚至更多。因此，必须采用高强度的激发光源才能实现在高空间分辨条件下具有足够的成像强度。

现有的PEEM主要采用紫外光或X射线作为激发光源。实验室用紫外光源均为气体放电光源，包括高压汞灯(光子能量约为4.9eV)和氘灯(光子能量约为6.4eV)。以最常用的高压汞灯为例，它的功率为100W，光亮度为1.5×10⁵cd/cm²，光子能量分布很宽而且是不相干；氘灯光源也具有类似的性能。这类光源的亮度不高，如果提高成像的放大倍数那么PEEM图像的强度变得非常低。因此，采用气体放电光源作为PEEM的激发光源来实现高分辨PEEM是比较困难。另一方面，同步辐射光源具有高亮度、单色性、准直好等特点，并且光子能量连续可调，这些相比较于气体放电光源有着更大的优势。现有的第三代同步辐射光源所产生光束的亮度在10¹²～10¹³photons/s左右。例如，Berkley国家实验室的ALS光源在紫外波段的光亮度为5×10¹²photons/s·mrad·0.1％band。但是即使这样的亮度对发展高分辨PEEM技术而言也是不够的。将来下一代的同步辐射光源，即自由电子激光，具有更高的亮度，将是PEEM的理想激发光源。但是，同步辐射光源以及自由电子激光光源设备庞大、建造成本高，周期长。迄今为止，世界上只有为数不多的同步辐射光源实验室可以利用，其资源有限，适用性不广，难以作大规模的应用。因此，提高PEEM空间分辨率的关键之一是寻找到一种具有高亮度、高能量、方便使用的激发光源。

众所周知，激光通常具有很高的强度，并且其单色性高、准直性好。现有许多具有不同波长和频率的激光光源，能量从紫外到深紫外区间。这些高能量(＞5eV)、高强度的(深)紫外激光有可能作为PEEM的有效激发光源。本发明就是在这一背景下，采用一种高强度、高能量的紫外或深紫外激光作为PEEM的激发光源，结合改进的电子光学系统，发展高空间分辨的激光PEEM新技术。

发明内容

本发明的目的在于采用一种采用紫外或深紫外激光源的高空间分辨光发射电子显微镜。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

采用紫外或深紫外激光源的高空间分辨光发射电子显微镜，包括紫外或深紫外激光器、光发射电子显微镜(PEEM)，紫外或深紫外激光器发射的激光光路垂直入射到PEEM的样品台。

在于将能量高于5eV的固定波长或连续波长的(深)紫外激光施用于光发射电子显微镜；通过激光与PEEM连接系统将激光以一种独特的垂直入射样品表面的方式激发固体表面光电子；采用电子光学系统将表面光发射电子成像从而获得表面图像信息；应用深紫外激光研究固体表面上的动态过程，包括表面化学反应和表面生长过程，实现表面动态过程的高空间分辨、原位实时的研究和观察。

所述PEEM包括二个或三个以上的像镜，于光路传输方向的第一个与第二个像镜间设有能量分析器。

所述能量分析器为半球型或圆柱型电子能量分析器。

所述PEEM包括二个束分离器，二个束分离器于光路传输方向的依次设置，于光路传输方向的第二个束分离器的一个窗口设有像差矫正器。

于二个束分离器间沿光路传输方向同轴设置有4组透镜。

于所述紫外或深紫外激光器与PEEM的样品台间的激光光路上设置有与光路同轴的透镜。

本发明采用激发光垂直入射样品表面，实现激光光路、激光强度、激光光斑大小等可调；可实现高空间分辨(＜10纳米)；

所述激光激发源系统，包括固定波长和可变波长的紫外或深紫外激光器；包括相关的激光光路调节装置，施用于激光光路偏转、激光光束尺寸调节、激光能量调节；

所述的激发光源与PEEM连接系统，包括维持真空状态和无氧无水状态的抽空系统和进气系统，实现激光入射样品表面的光路系统，用于激光光路调节和激光聚焦的装置，激光光源与超高真空系统连接的特殊光学窗口，用于降低机械振动的减震装置；

本发明集成了能量分辨功能和像差矫正功能，提高成像的空间分辨率，同时增加电子的透过率。

本发明具有如下优点：

本发明采用紫外激光和深紫外激光作为光发射电子显微镜的激发光源，利用此类激光的高强度和高能量光子流激发固体表面的光电子发射，实现光发射电子显微镜的高空间分辨能力；由于常规的实验室气体放电紫外光源包括汞灯和氘灯的低强度以及同步辐射光源资源有限，发展高空间分辨的光发射电子显微镜面临许多挑战。利用紫外激光或深紫外激光作为光源能够实现采用实验室用激发光源来提高光发射电子显微镜的空间分辨率，这将大大推动光发射电子显微镜的广泛应用。此套深紫外激光光发射电子显微镜和紫外激光光发射电子显微镜能够实现在高空间分辨条件下进行表面反应、表面生长等过程的原位、动态研究。同时将激光以垂直入射的方式与PEEM系统相连接，与传统的激发光掠角入射相比提高了激发光的利用效率。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；包括激光器(1)、光发射电子显微镜(2)、激光器与PEEM连接透镜(3)，能量分析器(4)，像差矫正器(5)。

图2是激光激发PEEM的电子光路原理图。包括激光器(1)、激光器与PEEM连接透镜(2)，能量分析器(3)，像差矫正器(4)。

图3是分别采用Hg灯光源(a)和深紫外激光(177nm)(b)作为激发光源记录的PEEM图像。图像大小为10微米。样品为Ru(0001)表面上生长的单层石墨烯结构。

图4是在没有能量分辨(a)和有能量分辨(b)条件下采用深紫外激光激发的PEEM图像。图像大小为10微米。样品为Ru(0001)表面上生长的单层石墨烯结构。

图5是有像差矫正(a)和没有像差矫正(b)条件下以低能电子束激发的低能电子显微镜(LEEM)的图像。图像大小为0.6微米。样品为重构的Si(001)表面。

图6是利用深紫外激光激发石墨烯/Ru(0001)表面的PEEM图像。图像大小为2.5微米。白色区域为单层石墨烯结构，较暗区域是干净的Ru(0001)表面(左图)。利用石墨烯边界测得的深紫外激光PEEM的分辨率为6.3nm(右图)。

具体实施方式

采用紫外或深紫外激光源的高空间分辨光发射电子显微镜，包括紫外或深紫外激光器、光发射电子显微镜PEEM，紫外或深紫外激光器发射的激光光路垂直入射到PEEM的样品台；

所述PEEM包括沿光路传输方向依次设置的三个像镜，于光路传输方向的第一个与第二个像镜间设有能量分析器；所述能量器为半球型电子能量分析器；

所述PEEM包括二个束分离器，二个束分离器于光路传输方向的依次设置，于光路传输方向的第二个束分离器的一个窗口设有像差矫正器；于二个束分离器间沿光路传输方向同轴设置有四组透镜；

于所述紫外或深紫外激光器与PEEM的样品台间的激光光路上设置有与光路同轴的透镜。

具体包括：

一套激光光源用于PEEM的激发源，包括紫外或深紫外波段的激光器；重复频率从皮秒到飞秒；可包括固定波长的激光光源或可以调谐的激光光源；针对紫外光，特别是深紫外光在空气中吸收很强的特点，设计将所有激光光路处于真空系统保护之下，真空度在10^-2Pa以上；工作状态时激光光路在高纯N₂中保护。

一套光发射电子显微镜，包括实现和维持超高真空状态的抽空系统，用于表面光电子成像的电子光学系统；还含有表面化学反应的装置，包括反应气进气管路，高精度漏阀，必要的气体检测装置。PEEM系统包括样品室、物镜、第一束分离器、中间镜、第二束分离器、像差矫正器、场镜、能量分析器、投影镜、多通道板、CCD相机等。

一套像差矫正器，包括转移镜及镜面透镜；

一套电子能量分析器，其集成在光发射电子显微镜装置中，实现对紫外光或深紫外光激发的表面光电子的能量分析和过滤之目的和功能；

实施例1：

在Ru(0001)单晶表面上生长单层石墨烯结构。分别以Hg灯光源和深紫外激光(177nm)为激发光源对石墨烯/Ru(0001)表面进行PEEM成像研究。图3(a)和(b)分别为用Hg灯光源和深紫外激光(177nm)作为激发光源记录的PEEM图像。图像大小为10微米。Hg灯激发只有石墨烯结构表现出较高的灰度，Ru衬底表面光电子信号较弱，表现为暗的区域，并且其表面结构不可分辨。采用深紫外激光激发表面，因为其有较高的能量能够同时激发石墨烯和Ru表面区域的光电子发射。激光PEEM实现同时对两种结构具有表面结构分辨能力。此实施案例说明深紫外激光作为一种高能量激发光源能够激发大多数固体表面的光发射，使得PEEM的施用范围大大拓宽。

实施例2

在Ru(0001)单晶表面上生长单层石墨烯结构。以深紫外激光(177nm)为激发光源对石墨烯/Ru(0001)表面进行PEEM成像研究。图4是在没有能量分辨(a)和有能量分辨(b)条件下采用深紫外激光激发的PEEM图像。图像大小为10微米。采用能量分析器可以有选择性通过特定能量的光电子，这可以进一步提高PEEM图像的衬度和分辨率。此结果表明能量分辨的PEEM图像衬度大大提高(b)，而没有能量分辨的PEEM图像石墨烯和Ru区域的对比度变差。此实施案例说明带有能量分析器能够实现能量分辨，进一步改进PEEM成像的质量。

实施例3

具有表面重构的Si(001)为样品，以低能电子束为激发源，成LEEM像。图5是有像差矫正(a)和没有像差矫正(b)条件下以低能电子束激发的低能电子显微镜(LEEM)的图像。图像大小为0.6微米。此结果说明采用像差矫正功能的LEEM空间分辨率达到2.08nm，没有像差矫正功能分辨率为7.6nm。引入像差矫正器后，减小了因球差和色差所导致的空间分辨率降低。此实施案例说明在PEEM技术中像差矫正器对提高成像质量特别是提高空间分辨率的重要作用。

实施例4

在Ru(0001)单晶表面上生长单层石墨烯结构。以深紫外激光(177nm)为激发光源对石墨烯/Ru(0001)表面进行PEEM成像研究。测量得到的空间分辨率为6.3纳米。PEEM图像以及分辨率测试结果列于图6中。此实施案例说明利用深紫外激光能够实现高空间分辨(＜10nm)的PEEM成像。

Claims (6)

1.采用紫外或深紫外激光源的高空间分辨光发射电子显微镜，其特征在于：包括紫外或深紫外激光器、光发射电子显微镜PEEM，紫外或深紫外激光器发射的激光光路垂直入射到PEEM的样品台。

2.按照权利要求1所述的高空间分辨光发射电子显微镜，其特征在于：

所述PEEM包括二个或三个以上的像镜，于光路传输方向的第一个与第二个像镜间设有能量分析器。

3.按照权利要求2所述的高空间分辨光发射电子显微镜，其特征在于：

所述能量分析器为半球型或圆柱型电子能量分析器。

4.按照权利要求1所述的高空间分辨光发射电子显微镜，其特征在于：

所述PEEM包括二个束分离器，二个束分离器于光路传输方向的依次设置，于光路传输方向的第二个束分离器的一个窗口设有像差矫正器。

5.按照权利要求3所述的高空间分辨光发射电子显微镜，其特征在于：

于二个束分离器间沿光路传输方向同轴设置有四组透镜。

6.按照权利要求1所述的高空间分辨光发射电子显微镜，其特征在于：

于所述紫外或深紫外激光器与PEEM的样品台间的激光光路上设置有与光路同轴的透镜。

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