CN108508047A - 一种原子束显微装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及对材料的显微技术领域，一种原子束显微装置，包括储气罐、气管、由腔体I和腔体II连接成的真空腔体、喷射头、分流器、气体透射窗片、原子衍射片、原子衍射片通孔种类I、原子衍射片通孔种类II、原子衍射片通孔种类III、探测器I、样品、样品台、计算机、探测器II、抽气口I、真空泵组I、抽气口II、真空泵组II，本发明原子衍射片采用一系列通孔代替波带片的环状结构，所述通孔比标准的菲涅尔波带片的无支撑的环结构更易于加工，并通过选择合适的通孔直径和通孔分布，优化了原子束流的聚焦效果，能够得到锐利的聚焦束斑，并抑制更高阶的衍射。
Description
技术领域
本发明涉及对材料的显微技术领域，尤其是一种利用原子束对样品表面进行扫描并具有特殊设计的原子衍射片的一种原子束显微装置。
背景技术
在显微技术领域，现有电子显微镜只能对导电样品进行成像，且其工作时发射出的电子束的能量较高，会使某些较为敏感的样品表面受到辐射损伤。原子束显微镜能够克服以上缺陷，对易损或绝缘样品进行成像，其通常采用惰性气体原子作为发射原子，惰性气体原子束能量很低，且化学性质非常稳定，这些因素使原子束显微镜能够非破坏性地得到样品表面图像。原子束显微镜的工作原理是：在高真空中，自由原子流通过喷嘴和孔径形成一束气体原子束射向样品表面，同时令样品或孔径在二维平面内扫描，采用质量过滤探测器探测被样品表面反射的原子，并根据气体分压输出图像密度信号。
现有技术存在的缺陷是在原子束显微镜的一种工作方式中，采用菲涅尔波带片将原子以德布罗意物质波的形式聚焦，终极的分辨率由菲涅尔区最外侧的波带的波长所决定，由于原子束流的能量较低，原子不会穿透固态材料，因此菲涅尔波带片上用于透射原子的环必须采用无支撑的结构，这在加工上具有较大难度，且原子束聚焦效果不够好，束斑会受到高阶的衍射的干涉，所述一种原子束显微装置能够解决问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明一种原子束显微装置具有特殊的原子聚焦结构，优点是原子衍射片仅由通孔构成，所述通孔比标准的菲涅尔波带片的无支撑的环结构更易于加工，聚焦效果佳，能够得到较为锐利的聚焦束斑。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种原子束显微装置主要包括储气罐、气管、由腔体I和腔体II连接成的真空腔体、喷射头、分流器、气体透射窗片、原子衍射片、原子衍射片通孔种类I、原子衍射片通孔种类II、原子衍射片通孔种类III、探测器I、样品、样品台、计算机、探测器II、抽气口I、真空泵组I、抽气口II、真空泵组II，所述腔体I和腔体II通过分流器连接，腔体II通过抽气口I连接真空泵组I，腔体I通过抽气口II连接真空泵组II；喷射头位于腔体I内，喷射头(4)通过气管与真空腔体外的储气罐连接，喷射头出口与分流器的入口相对，所述气体透射窗片、原子衍射片、探测器I、探测器II、样品和样品台均位于腔体II内，气体透射窗片位于分流器与原子衍射片之间，样品固定于样品台上且位于原子衍射片后方，样品表面垂直于喷射头出口与分流器的入口的连线，探测器I和探测器II分别位于样品表面两侧，样品台能够三维移动，样品台、探测器I和探测器II分别电缆连接计算机，探测器I对原子量较小的原子探测效率较高，探测器II对原子量较大的原子探测效率较高，当气体原子从储气罐通过气管传输至喷射头并以自由射流形式射入腔体I，原子束流的一部分进入分流器入口并通过分流器进入腔体II，能够依次通过气体透射窗片及原子衍射片后射到样品表面，从而形成原子束流的传输路径，在确定气体原子种类、原子束流的动能及显微装置所需的焦距后，能够计算出原子衍射片上相应的菲涅尔环带的透射区域和不透射区域，用于确定通孔的直径及中心位置，原子衍射片中心位于喷射头出口中心和分流器入口中心的连线的延长线上，原子衍射片为圆片状，直径为30微米，由厚度为50纳米的氮化硅片制成，原子衍射片上具有大量孔截面为圆形的通孔，所述通孔半随机分布，相邻所述通孔之间的间隙大于50纳米，所述通孔为以下三种通孔种类中的任意一种：原子衍射片通孔种类I、原子衍射片通孔种类II和原子衍射片通孔种类III，原子衍射片通孔种类I为通孔中心位于菲涅尔环带透射区域的某一个菲涅尔环带中，通孔直径d小于通孔中心所在的菲涅尔环带宽度w；原子衍射片通孔种类II为通孔中心位于菲涅尔环带透射区域，通孔直径d大于通孔中心所在的菲涅尔环带宽度w，且通孔横截面内菲涅尔环带透射区域对应的面积大于菲涅尔环带不透射区域对应的面积；原子衍射片通孔种类III为通孔中心位于菲涅尔环带不透射区域，通孔直径d大于通孔中心所在的菲涅尔环带宽度w，且通孔横截面内菲涅尔环带透射区域对应的面积小于菲涅尔环带不透射区域对应的面积。气体透射窗片中心位于喷射头出口中心和分流器入口中心的连线的延长线上，气体透射窗片的透射率分布为中心透射率高，边缘透射率低。
本发明原理是：装置的原子衍射片基于菲涅耳衍射原理，一般的原子衍射片或称为波带片采用半波带将原子对应的物质波的波面分割为若干相邻的且不同半径的同心圆环，每个圆环对应物质波的一个半波带，只让其中的奇数或偶数半波带透射，透过波带片的原子，在聚焦平面处光程差依次为物质波的波长，位相相同，振动方向也相同，合振动增强，衍射后的束流强度增强。
原子衍射片的制备方法步骤为：
一.确定波带，确定显微装置所采用的气体原子类型，可选择的原子种类有氦、氖、氩、氪；确定显微装置工作时原子束流的动能，范围从0.05eV到3.0eV；根据德布罗意波波长公式确定所采用的原子对应的物质波波长；确定显微装置所需的焦距，范围从8毫米到20毫米；根据菲涅耳半波带法计算出原子衍射片上相应的菲涅尔环的透射和不透射区域。
二.根据所需满足的条件，模拟出通孔的直径和位置分布，此步骤全部在计算机中模拟，最终得到的是通孔的分布，通孔所需满足的一般条件是，通孔横截面为圆形，通孔半随机分布，相邻通孔之间的间隙大于50纳米；通孔是能够满足以下三个条件之一的任意一种：原子衍射片通孔种类I的通孔中心位于菲涅尔环带透射区域的某一个菲涅尔环带中，通孔直径d小于该菲涅尔环带宽度w，原子衍射片通孔种类II的通孔中心位于菲涅尔环带透射区域，通孔直径d大于该菲涅尔环带宽度w且通孔横截面内菲涅尔环透射区域对应的面积大于菲涅尔环不透射区域对应的面积，原子衍射片通孔种类III的通孔中心位于菲涅尔环带不透射区域，通孔直径d大于该菲涅尔环带宽度w且通孔横截面内菲涅尔环透射区域对应的面积小于菲涅尔环不透射区域对应的面积；通孔直径的典型值：在或3.5或5.5时，原子束的聚焦振幅有较大值，分别对应于焦点处的第一阶、第三阶、第五阶衍射，d为通孔直径，w为该通孔位于的菲涅尔环带的宽度；在此基础上，能够通过调整通孔的位置和分布来修正像差，当为了获得n阶聚焦时，通孔需要满足的位置关系为：从喷射头开始并通过通孔中心到达样品表面的光路长度是原子对应的物质波长的整数倍，其结果是，通孔中心位于离光轴rn处，rn满足公式其中λ是原子对应的物质波的波长，p为喷射头到原子衍射片平面的距离，q为原子衍射片平面到样品平面的距离，n为菲涅尔衍射阶数是正整数，假设以原子衍射片所处平面为二维坐标系，菲涅尔环带的圆心为坐标系原点，设通孔中心的极坐标为则通过选择n和能够得到一个不规则的通孔分布。
三.微加工技术打孔，将上述步骤二中得到的通孔分布结果输入微加工设备，通过微加工技术，在氮化硅片制成的原子衍射片的对应区域打孔，孔的直径能够达到的最小值是根据所采用的微加工技术来确定，采用电子束刻蚀技术，孔的直径最小值为50纳米。
利用所述一种原子束显微装置进行测量的方法步骤为：
一.开启真空泵组II和真空泵组I，分别对腔体I和腔体II抽真空，使得腔体I内真空优于10-1Pa，腔体II内真空优于10-2Pa；
二.储气罐通过气管输出气体至喷射头，气体原子以自由射流形式进入腔体I，并通过分流器后，以原子束流形式进入腔体II；
三.原子束流依次通过气体透射窗片和原子衍射片后射到样品表面；
四.样品台在2×2微米范围内平移，以使得样品表面2×2微米范围内能够被原子束直接照射；
五.探测器I对原子量较小的原子探测效率较高，探测器II对原子量较大的原子探测效率较高，当储气罐中的气体是氦气，开启探测器I，当储气罐中的气体是氖气或氩气或氪气，开启探测器II；
六.被样品表面反射的部分原子进入探测器I或探测器II，探测器I或探测器II所得数据输入计算机；
七.计算机处理数据，得到样品表面的相关信息。
本发明的有益效果是：
本发明采用具有通孔的原子衍射片，原子衍射片采用一系列通孔代替波带片的环状结构，并通过选择合适的通孔直径和通孔分布，优化了原子束流的聚焦效果，能够得到锐利的聚焦束斑，并抑制更高阶的衍射。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明：
图1是本发明示意图；
图2是原子衍射片上的菲涅尔区放大示意图；
图3是原子衍射片上通孔放大示意图。
图中，1.储气罐，2.气管，3.真空腔体，3-1.腔体I，3-2.腔体II，4.喷射头，5.分流器，6.气体透射窗片，7.原子衍射片，7-1.原子衍射片通孔种类I，7-2.原子衍射片通孔种类II，7-3.原子衍射片通孔种类III，8.探测器I，9.样品，10.样品台，11.计算机，12.探测器II，13.抽气口I，14.真空泵组I，15.抽气口II，16.真空泵组II。
具体实施方式
如图1是本发明示意图，主要包括储气罐(1)、气管(2)、由腔体I(3-1)和腔体II(3-2)连接成的真空腔体(3)、喷射头(4)、分流器(5)、气体透射窗片(6)、原子衍射片(7)、原子衍射片通孔种类I(7-1)、原子衍射片通孔种类II(7-2)、原子衍射片通孔种类III(7-3)、探测器I(8)、样品(9)、样品台(10)、计算机(11)、探测器II(12)、抽气口I(13)、真空泵组I(14)、抽气口II(15)、真空泵组II(16)，所述腔体I(3-1)和腔体II(3-2)通过分流器(5)连接，腔体II(3-2)通过抽气口I(13)连接真空泵组I(14)，腔体I(3-1)通过抽气口II(15)连接真空泵组II(16)；喷射头(4)位于腔体I(3-1)内，喷射头(4)通过气管(2)与真空腔体(3)外的储气罐(1)连接，喷射头(4)出口与分流器(5)的入口相对，所述气体透射窗片(6)、原子衍射片(7)、探测器I(8)、探测器II(12)、样品(9)和样品台(10)均位于腔体II(3-2)内，气体透射窗片(6)位于分流器(5)与原子衍射片(7)之间，样品(9)固定于样品台(10)上且位于原子衍射片(7)后方，样品(9)表面垂直于喷射头(4)出口与分流器(5)的入口的连线，探测器I(8)和探测器II(12)分别位于样品(9)表面两侧，样品台(10)能够三维移动，样品台(10)、探测器I(8)和探测器II(12)分别电缆连接计算机(11)，探测器I(8)对原子量较小的原子探测效率较高，探测器II(12)对原子量较大的原子探测效率较高，当气体原子从储气罐(1)通过气管(2)传输至喷射头(4)并以自由射流形式射入腔体I(3-1)，原子束流的一部分进入分流器(5)入口并通过分流器(5)进入腔体II(3-2)，能够依次通过气体透射窗片(6)及原子衍射片(7)后射到样品(9)表面，从而形成原子束流的传输路径，原子衍射片(7)中心位于喷射头(4)出口中心和分流器(5)入口中心的连线的延长线上，原子衍射片(7)为圆片状，直径30微米，由厚度50纳米的氮化硅片制成，原子衍射片(7)上具有大量孔截面为圆形的通孔，所述通孔半随机分布，相邻所述通孔之间的间隙大于50纳米，气体透射窗片(6)中心位于喷射头(4)出口中心和分流器(5)入口中心的连线的延长线上，气体透射窗片(6)的透射率分布为中心透射率高，边缘透射率低。
如图2是原子衍射片上的菲涅尔区放大示意图，在确定气体原子种类、原子束流的动能及显微装置所需的焦距后，能够计算出原子衍射片上相应的菲涅尔环带的透射区域和不透射区域，用于确定通孔的直径及中心位置，图2中同心圆环的中心为原子衍射片(7)中心，黑色圆环为菲涅尔环带不透射区域，白色圆环为菲涅尔环带透射区域。
如图3是原子衍射片上通孔放大示意图，是图2的局部区域示意图，所述通孔为以下三种通孔种类中的任意一种：原子衍射片通孔种类I(7-1)、原子衍射片通孔种类II(7-2)和原子衍射片通孔种类III(7-3)，原子衍射片通孔种类I(7-1)为通孔中心位于菲涅尔环带透射区域的某一个菲涅尔环带中，通孔直径d小于通孔中心所在的菲涅尔环带宽度w；原子衍射片通孔种类II(7-2)为通孔中心位于菲涅尔环带透射区域，通孔直径d大于通孔中心所在的菲涅尔环带宽度w，且通孔横截面内菲涅尔环带透射区域对应的面积大于菲涅尔环带不透射区域对应的面积；原子衍射片通孔种类III(7-3)为通孔中心位于菲涅尔环带不透射区域，通孔直径d大于通孔中心所在的菲涅尔环带宽度w，且通孔横截面内菲涅尔环带透射区域对应的面积小于菲涅尔环带不透射区域对应的面积。
所述一种原子束显微装置主要包括储气罐(1)、气管(2)、由腔体I(3-1)和腔体II(3-2)连接成的真空腔体(3)、喷射头(4)、分流器(5)、气体透射窗片(6)、原子衍射片(7)、原子衍射片通孔种类I(7-1)、原子衍射片通孔种类II(7-2)、原子衍射片通孔种类III(7-3)、探测器I(8)、样品(9)、样品台(10)、计算机(11)、探测器II(12)、抽气口I(13)、真空泵组I(14)、抽气口II(15)、真空泵组II(16)，所述腔体I(3-1)和腔体II(3-2)通过分流器(5)连接，腔体II(3-2)通过抽气口I(13)连接真空泵组I(14)，腔体I(3-1)通过抽气口II(15)连接真空泵组II(16)；喷射头(4)位于腔体I(3-1)内，喷射头(4)通过气管(2)与真空腔体(3)外的储气罐(1)连接，喷射头(4)出口与分流器(5)的入口相对，所述气体透射窗片(6)、原子衍射片(7)、探测器I(8)、探测器II(12)、样品(9)和样品台(10)均位于腔体II(3-2)内，气体透射窗片(6)位于分流器(5)与原子衍射片(7)之间，样品(9)固定于样品台(10)上且位于原子衍射片(7)后方，样品(9)表面垂直于喷射头(4)出口与分流器(5)的入口的连线，探测器I(8)和探测器II(12)分别位于样品(9)表面两侧，样品台(10)能够三维移动，样品台(10)、探测器I(8)和探测器II(12)分别电缆连接计算机(11)，探测器I(8)对原子量较小的原子探测效率较高，探测器II(12)对原子量较大的原子探测效率较高，当气体原子从储气罐(1)通过气管(2)传输至喷射头(4)并以自由射流形式射入腔体I(3-1)，原子束流的一部分进入分流器(5)入口并通过分流器(5)进入腔体II(3-2)，能够依次通过气体透射窗片(6)及原子衍射片(7)后射到样品(9)表面，从而形成原子束流的传输路径，在确定气体原子种类、原子束流的动能及显微装置所需的焦距后，能够计算出原子衍射片上相应的菲涅尔环带的透射区域和不透射区域，用于确定通孔的直径及中心位置，原子衍射片(7)中心位于喷射头(4)出口中心和分流器(5)入口中心的连线的延长线上，原子衍射片(7)为圆片状，直径30微米，由厚度50纳米的氮化硅片制成，原子衍射片(7)上具有大量孔截面为圆形的通孔，所述通孔半随机分布，相邻所述通孔之间的间隙大于50纳米，所述通孔为以下三种通孔种类中的任意一种：原子衍射片通孔种类I(7-1)、原子衍射片通孔种类II(7-2)和原子衍射片通孔种类III(7-3)，原子衍射片通孔种类I(7-1)为通孔中心位于菲涅尔环带透射区域的某一个菲涅尔环带中，通孔直径d小于通孔中心所在的菲涅尔环带宽度w；原子衍射片通孔种类II(7-2)为通孔中心位于菲涅尔环带透射区域，通孔直径d大于通孔中心所在的菲涅尔环带宽度w，且通孔横截面内菲涅尔环带透射区域对应的面积大于菲涅尔环带不透射区域对应的面积；原子衍射片通孔种类III(7-3)为通孔中心位于菲涅尔环带不透射区域，通孔直径d大于通孔中心所在的菲涅尔环带宽度w，且通孔横截面内菲涅尔环带透射区域对应的面积小于菲涅尔环带不透射区域对应的面积。气体透射窗片(6)中心位于喷射头(4)出口中心和分流器(5)入口中心的连线的延长线上，气体透射窗片(6)的透射率分布为中心透射率高，边缘透射率低。
本发明采用具有特殊通孔的原子衍射片，优点是原子衍射片易于加工且对原子束流聚焦效果好，能够得到锐利的聚焦束斑，并能够抑制更高阶的衍射。
Claims (2)
1.一种原子束显微装置，主要包括储气罐(1)、气管(2)、由腔体I(3-1)和腔体II(3-2)连接成的真空腔体(3)、喷射头(4)、分流器(5)、气体透射窗片(6)、原子衍射片(7)、原子衍射片通孔种类I(7-1)、原子衍射片通孔种类II(7-2)、原子衍射片通孔种类III(7-3)、探测器I(8)、样品(9)、样品台(10)、计算机(11)、探测器II(12)、抽气口I(13)、真空泵组I(14)、抽气口II(15)、真空泵组II(16)，所述腔体I(3-1)和腔体II(3-2)通过分流器(5)连接，腔体II(3-2)通过抽气口I(13)连接真空泵组I(14)，腔体I(3-1)通过抽气口II(15)连接真空泵组II(16)；喷射头(4)位于腔体I(3-1)内，喷射头(4)通过气管(2)与真空腔体(3)外的储气罐(1)连接，喷射头(4)出口与分流器(5)的入口相对，所述气体透射窗片(6)、原子衍射片(7)、探测器I(8)、探测器II(12)、样品(9)和样品台(10)均位于腔体II(3-2)内，气体透射窗片(6)位于分流器(5)与原子衍射片(7)之间，样品(9)固定于样品台(10)上且位于原子衍射片(7)后方，样品(9)表面垂直于喷射头(4)出口与分流器(5)的入口的连线，探测器I(8)和探测器II(12)分别位于样品(9)表面两侧，样品台(10)能够三维移动，样品台(10)、探测器I(8)和探测器II(12)分别电缆连接计算机(11)，探测器I(8)对原子量较小的原子探测效率较高，探测器II(12)对原子量较大的原子探测效率较高，当气体原子从储气罐(1)通过气管(2)传输至喷射头(4)并以自由射流形式射入腔体I(3-1)，原子束流的一部分进入分流器(5)入口并通过分流器(5)进入腔体II(3-2)，能够依次通过气体透射窗片(6)及原子衍射片(7)后射到样品(9)表面，从而形成原子束流的传输路径，在确定气体原子种类、原子束流的动能及显微装置所需的焦距后，能够计算出原子衍射片上相应的菲涅尔环带的透射区域和不透射区域，用于确定通孔的直径及中心位置，
其特征是：原子衍射片(7)中心位于喷射头(4)出口中心和分流器(5)入口中心的连线的延长线上，原子衍射片(7)为圆片状，直径为30微米，由厚度为50纳米的氮化硅片制成，原子衍射片(7)上具有大量孔截面为圆形的通孔，所述通孔半随机分布，相邻所述通孔之间的间隙大于50纳米，所述通孔为以下三种通孔种类中的任意一种：原子衍射片通孔种类I(7-1)、原子衍射片通孔种类II(7-2)和原子衍射片通孔种类III(7-3)，原子衍射片通孔种类I(7-1)为通孔中心位于菲涅尔环带透射区域的某一个菲涅尔环带中，通孔直径d小于通孔中心所在的菲涅尔环带宽度w；原子衍射片通孔种类II(7-2)为通孔中心位于菲涅尔环带透射区域，通孔直径d大于通孔中心所在的菲涅尔环带宽度w，且通孔横截面内菲涅尔环带透射区域对应的面积大于菲涅尔环带不透射区域对应的面积；原子衍射片通孔种类III(7-3)为通孔中心位于菲涅尔环带不透射区域，通孔直径d大于通孔中心所在的菲涅尔环带宽度w，且通孔横截面内菲涅尔环带透射区域对应的面积小于菲涅尔环带不透射区域对应的面积。
2.根据权利要求1所述的一种原子束显微装置，其特征是：气体透射窗片(6)中心位于喷射头(4)出口中心和分流器(5)入口中心的连线的延长线上，气体透射窗片(6)的透射率分布为中心透射率高，边缘透射率低。
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