CN104282526A - 一种用于飞行时间质谱的磁控溅射团簇离子源 - Google Patents

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唐紫超
秦正波
张世宇
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    • H01J49/10—Ion sources; Ion guns
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Abstract

一种用于飞行时间质谱的磁控溅射团簇离子源，该离子源包括腔体、氩进气管、氦进气管、金属靶材和喷口。金属靶材位于靠近飞行时间质谱的一侧，氩进气管和氦进气管在金属靶材的两端，腔体与飞行时间质谱相邻的一侧有1个凸向腔体的喷口。本发明将磁控溅射离子源与飞行时间质谱相结合，测试样品时，氩气经进气管进入腔体后被电离，电离的氩气离子快速的轰击金属靶材表面，产生金属等离子体，金属等离子体由氦气载带，由喷口喷出形成团簇离子，进入高分辨飞行时间质谱，最后探测器探测得到尺寸范围很宽的离子团簇飞行时间质谱图。本发明可适用于各种金属大尺寸团簇离子的成分分析。

Description

一种用于飞行时间质谱的磁控溅射团簇离子源
技术领域
本发明属于离子源领域，具体涉及一种用于飞行时间质谱的磁控溅射团簇离子源。
背景技术
原子团簇或分子团簇是介于单个原子或分子与凝聚态之间的物质层次，研究不同尺寸团簇的物理和化学性质，具有重要的理论和实践意义。飞行时间质谱具有分析速度快、分析质量范围宽，分辨率高，无质量上限等优点，是研究团簇的有力手段，随着对团簇性质以及结构研究的深入，对团簇离子源的要求越来越高，急需一种具有稳定高效的离子源。
磁控溅射离子源可用于金属团簇离子的检测，其原理是在被溅射的靶极（阴极）与阳极之间加一个正交磁场和电场，在高真空室内充入惰性气体（氩气），磁铁在靶材表面形成磁场，同高压电场组成正交电磁场。在电场的作用下，氩气电离成正离子和电子，靶上加有一定的负高压，从靶极发出的电子受磁场的作用与工作气体的电离几率增大，在阴极附近形成高密度的等离子体，氩离子在洛伦兹力的作用下加速飞向靶面，以很高的速度轰击靶面，使靶上溅射出来的原子遵循动量转换原理以较高的动能脱离靶面，产生大量的团簇原子。但是对于这种连续源，传统的做法是利用四级杆分析器或者离子阱分析器，由于普通的四级杆分析器或者离子阱分析器的分辨能力和分析的质量上限有限（质量分辨小于1000，质量上限小于2000），分析团簇尺寸较小（一般0～20个原子），对于大尺寸团簇原子的分析还存在不足。要想获得高的分辨能力（大于2000）和特别高的质量（质量上限10000左右）的话，对于四级杆分析器或者离子阱分析器是非常困难，而且成本非常昂贵，不易得到广泛应用。在这里我们把这种磁控溅射离子源与飞行时间质谱相结合，充分利用了飞行时间质谱的分析速度快、分析质量范围宽，分辨率高（本发明的飞行时间质谱分辨约为2000），无质量上限的优点，可以精确分析大尺寸金属团簇离子的成分。更重要的一点是，飞行时间质谱结构简单，易操作，成本很低，易推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于飞行时间质谱的磁控溅射团簇离子源，解决了以往产生金属团簇尺寸较小的问题和同类型磁控溅射成分无法精确分析的不足，本发明可用于各种金属大尺寸团簇离子的成分分析。
本发明提供了一种用于飞行时间质谱的磁控溅射团簇离子源，该离子源包括腔体（1）、氩进气管（2）、氦进气管（3）、金属靶材（4）、喷口（5）；
金属靶材（4）位于靠近飞行时间质谱的一侧，氩进气管（2）和氦进气管（3）在金属靶材（4）的两端，腔体（1）与飞行时间质谱相邻的一侧有1个凸向腔体的喷口（5）。
本发明提供的用于飞行时间质谱的磁控溅射团簇离子源，所述离子源与飞行时间质谱的质量分析器紧密相连，测试时产生的金属团簇离子直接进入质谱仪器中，减少了离子在飞行过程中的损耗。
本发明提供的用于飞行时间质谱的磁控溅射团簇离子源，所述离子源可应用于尺寸可控的原子团簇的表面沉积。
本发明的优点：本发明把磁控溅射离子源和高分辨的飞行时间质谱相结合，可适用于各种大尺寸金属团簇离子成分的精确分析。为尺寸可控的原子团簇表面沉积提供精确的成分分析。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；其中，1——腔体，2——氩进气管，3——氦进气管，4——金属靶材，5——喷口；
图2是本发明与飞行时间质谱联用的连接示意图，其中，1——腔体，6——飞行时间质谱；
图3是利用本发明电离的Agn +和AgnO+（n=1-34）飞行时间质谱图；
图4是利用本发明电离的Agn +（n=10-120）飞行时间质谱图。
具体实施方式
下面结合图1和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明一种用于飞行时间质谱的磁控溅射团簇离子源，如图1所示，包括腔体（1）、冷却管（2）、氩进气管（3）、氦进气管（4）、金属靶材（5）和喷口（6）。
冷却管（2）位于腔体（1）中心，金属靶材（5）位于靠近飞行时间质谱的一侧，氩进气管（3）和氦进气管（4）在金属靶材（5）的两端，腔体（1）与飞行时间质谱相邻的一侧有1个凸向腔体的喷口（6）。
实施例1：
靶材为直径50.8毫米，厚度4毫米的银靶，磁控溅射头通上冷却水，通上30毫升每分钟的氩气，并且通上120毫升每分钟的氦气。打开磁控溅射的直流电源，电压300V，电流0.2A，产生的离子直接进入飞行时间质谱分析器，采集频率10000Hz,累加500秒得到Agn +和AgnO+（n=1-34）的飞行时间质谱（如图3所示），表明利用飞行时间质谱可以精确分析Ag1 +和Ag1O+到Ag12 +和Ag12O+同位素峰，精度达到1道尔顿（Da）。优化磁控溅射离子源条件，使之产生大尺寸的银团簇和银氧化物团簇，采集条件同上，如图4所示，飞行时间质谱测量范围达到10000以上，可以分析达到120个银原子团簇的质量，表明我们的磁控溅射源可以产生大于100以上的大尺寸的金属团簇，质谱的取样分析能力达到10000以上。总之，通过飞行时间质谱监测磁控溅射离子源产生的金属团簇，我们可以做到尺寸可控的金属团簇。

Claims (3)

1.一种用于飞行时间质谱的磁控溅射团簇离子源，其特征在于：该离子源包括腔体（1）、氩进气管（2）、氦进气管（3）、金属靶材（4）、喷口（5）；
金属靶材（4）位于靠近飞行时间质谱的一侧，氩进气管（2）和氦进气管（3）在金属靶材（4）的两端，腔体（1）与飞行时间质谱相邻的一侧有1个凸向腔体的喷口（5）。
2.按照权利要求1所述用于飞行时间质谱的磁控溅射团簇离子源，其特征在于：所述离子源与飞行时间质谱的质量分析器紧密相连，测试时产生的金属团簇离子直接进入质谱仪器中，减少了离子在飞行过程中的损耗。
3.按照权利要求1所述用于飞行时间质谱的磁控溅射团簇离子源，其特征在于：所述离子源可应用于尺寸可控的原子团簇的表面沉积。
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