CN108660419B - 一种基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积与催化反应测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积与催化反应测试装置，基于超高真空条件下挥发性和腐蚀性物质薄膜沉积装置包含有主传样腔，生长腔，三维样品操纵台，蒸发源等可用于挥发性腐蚀性物质薄膜的沉积，腔体外置组件包含进气系统，通入沉积所需化学气氛以及反应测包含抽气机组；基于超高真空条件下催化反应测试装置包括反应腔和快速进样室，反应腔包括温控样品台，样品加热源较为局域可更换式，可减小反应中背景干扰，实现不同温度下的精确的催化反应活性测试，腔体外置组件包含进气系统，可通入发生化学反应气。本发明适用于多种挥发性、腐蚀性物质薄膜的制备，与多种超高真空分析仪器进行联结，实现催化剂反应活性的精确测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积与催化反应测试装置，属于薄膜沉积与催化活性测试的技术领域。
背景技术
一般而言，薄膜的生长与制备过程一般是利用分子束外延生长，需要将目的元素的前驱体蒸发至气态，然后再在一定的化学气氛中，以分子束溅射的方式沉积到样品表面，再进行表面结构分析。利用工作在超高真空条件下的精密表面仪器，如光电子能谱(XPS)，低能电子衍射(LEED)，俄歇电子能谱(AES)和扫描隧道显微镜(STM)，薄膜的原子结构可以得到清楚确切的表针，可以为材料的设计与性能的控制提供宝贵的信息。
而低熔点、挥发性以及有腐蚀性前躯体的物质在超高真空腔体中的蒸发与制备却是一个非常棘手的问题。原因在于，这些挥发性化合物在较低的温度就有着非常高的蒸气压，这将导致整个超高真空腔体都容易受到挥发性物质的污染，另一方面，需要通入的腐蚀性气体，对电子与金属元件有强腐蚀作用。两者共同作用导致超高真空的破坏与难以维持，也会使得真空精密仪器等出现电路短路与污染等不可逆的故障。这就使得易挥发性化合物的制备与表面结构的精确分析十分困难，也制约着材料表征与合成制备技术的进步。
另一方面，众多表面分析技术可以给出表面的精确结构信息，但是只能操作在超高真空范围，而常规的化学过程都处于接近大气压或更高压力。这使得超高真空体系内无法进行催化反应测试。而现有商用催化反应腔体，通常都是利用辐射源进行整体式加热，这样会导致腔体背景也一起被加热，带来严重的不可控的背景污染。这些背景污染很可能改变干净待测样品的反应活性，因而造成活性测试的不准确。这也使得得到的样品表面结构信息难以直接与催化反应的活性进行关联，这也制约着催化剂样品的结构—性能的确切关联。
发明内容
本发明技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积与催化反应测试装置，适用于多种挥发性、腐蚀性物质薄膜的制备，也可以与多种超高真空分析仪器进行联结，实现催化剂反应活性的测试。利用该装置可实现腐蚀性气氛下，挥发性物质薄膜样品的沉积，还可以实现常压下催化反应活性测试，而不影响到超高真空系统。
本发明技术解决方案为：一种基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积与催化反应测试装置，可以实现腐蚀性气氛下的挥发性物质薄膜沉积以及常压高温的催化反应活性测试，而不影响到超高真空系统。该装置可分为两个主要装置部分，一个是基于超高真空条件下挥发性和腐蚀性物质薄膜沉积装置，另一个是基于超高真空条件下催化反应测试装置。其中基于超高真空条件下挥发性和腐蚀性物质薄膜沉积装置，包含有主传样腔，生长腔，三维样品操纵台，蒸发源等可用于挥发性腐蚀性物质薄膜的沉积，腔体外置组件包含进气系统，可通入沉积所需化学气氛以及反应测包含抽气机组。基于超高真空条件下催化反应测试装置，包括反应腔和快速进样室，反应腔包括温控样品台，样品加热源较为局域可更换式，可减小反应中背景干扰，实现不同温度下的精确的催化反应活性测试，腔体外置组件包含进气系统，可通入发生化学反应气。装置内置组件包含传样杆，实现样品在两个装置之间与超高真空系统之间的转移；装置内置组件包括真空计，实现所有腔体真空度与反应腔反应压力的检测。
一种基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积装置，包括：
金属可密闭的生长腔体与主传样腔，主传样腔一端与超高真空系统相连接，另一端与生长腔体相接；
位于主传样腔内的样品转移系统，包括传样杆，实现样品在主传样腔、生长腔和超高真空系统之间的转移；
位于生长腔体上的样品沉积系统，包括三维驱动样品操纵台、加热片、视窗、蒸发源和真空漏阀；其中三维驱动样品操纵台位于腔体上，实现样品位置控制；加热片位于三维驱动样品操纵台上，实现控制样品的沉积温度；视窗位于腔体上，实现观察样品与蒸发源的角度确定；蒸发源位于腔体上，实现挥发性、腐蚀性物质的可控蒸发，真空漏阀可通入包含有腐蚀性化学气体，实现薄膜沉积要求；
生长腔体上包括可扩展的真空刀口法兰，可以进一步集成其他表面分析仪器；
主传样腔体内置红外加热灯，可实现腐蚀性与挥发性物质沉积之后的快速真空恢复；
位于主传样腔体上连接的离子规，实现腔体真空度的检测；
抽气及进气系统，位于腔体外，实现腔体的抽空及进气。
所述三维驱动样品操纵台中，通过三维驱动器实现样品位置在三个方向的调整，在沉积时可控制三维驱动样品台上衬底样品位置与蒸发源位置之间相互对准；加热片为陶瓷加热片，可控制样品沉积温度。
所述挥发性物质包括低熔点金属(如Zn，Pb，Cd等)、非金属(如S，Se，Te等)。腐蚀性气体包括(H2S，NH3，NO2等)
所述主传样腔内置红外加热灯，可实现腐蚀性与挥发性物质沉积之后的装置内快速真空恢复。
所述腔体与超高真空系统的对接是采用刀口法兰对接，并在法兰侧面附有闸板阀。
所述生长腔体上配有独立的样品刻蚀设备，能够独立进行样品刻蚀处理。
所述生长腔体上还留有可扩展法兰口，可以进一步集成其他表面化学分析仪器，如程序升温脱附仪(TPD)或者低能电子衍射/俄歇能谱分析(LEED/AES)。
一种基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积装置的具体实现方法和步骤为：
(1)将基于超高真空条件下催化反应测试装置中的主传样腔通过闸板阀与超高真空系统相连接。
(2)将蒸发源中放置待沉积薄膜样品的前躯体，装配至生长腔体腔体上。
(3)将超高真空系统中制备的干净样品通过传样杆转移至生长腔体中的样品台上，关闭闸板阀。
(4)调整好三维驱动样品台与蒸发源位置，两点一线。
(5)通入合适的气氛，控制三维驱动样品台温度与沉积时间，进行薄膜沉积。
(6)利用样品转移系统，将沉积后薄膜样品传入超高真空系统中，完成其他分析测试，如扫描隧道显微镜(STM)，光电子能谱仪(XPS)等。
一种基于超高真空条件下催化反应测试装置，包括：
金属可密闭的反应测试腔体，腔体一端与基于超高真空条件下挥发性和腐蚀性物质薄膜沉积装置，通过快速进样室腔体进行连接，实现与超高真空表面仪器的无污染连接；
位于主传样腔和快速进样室内的样品转移系统为传样杆，实现样品在反应测试腔体与生长腔体之间的转移；位于腔体内的反应测试系统，包括温控样品台，实现反应时样品的固定以及温度的控制；
位于反应腔体上连接的应力式压力计，实现反应腔体内反应压力的检测；位于反应腔上的出气口与进气口，实现反应腔内的化学反应压力的通入以及气体的导出分析；
抽气系统，位于快速进样室外，实现反应腔体和快速进样室的抽真空。
所述反应腔体内部为化学惰性，不会干扰反应测试结果，且没有焊接，一体成型，死体积少。
所述反应后产物气体可以导出至色谱或者质谱进行成分分析。
所述反应腔体可以通过快速进样室与超高真空设备连通，可以利用样品传送装置实现高压反应后的样品的表面分析。
所述温控样品台加热方式为局域式加热，通过绝缘陶瓷隔离加热源与温控样品台其它部分，将加热位置主要局域在样品附近，反应测试时，反应结果所受背景污染较小。
所述温控样品台加热源为可更换式加热片，可通过更换不同加热片种类适应催化反应中的300℃高温氧化/还原气氛。
一种基于超高真空条件下催化反应测试装置的具体实施方法和步骤为：
(1)将基于超高真空条件下将反应活性测试装置中的反应测试腔体通过主传样腔与超高真空系统相连接。
(2)将超高真空系统中制备的样品通过传样杆直接转移至快速进样室中，再通过传样杆传至反应测试腔体的样品台上，关闭闸板阀。
(3)通入所需反应气体，用压力计检测真空。
(4)控制样品台到所需反应温度，进行催化反应。
(5)反应结束，停止加热，将反应之后的反应气体导入到质谱或色谱中，进行成分分析。
(6)抽空反应测试腔体，可将样品通过快速进样室和主传样腔传入超高真空体系，进行结构分析表征，因此得到的反应数据可与超高真空系统中的结构表征结果进行确切的结构—活性关联。
本发明的优点在于：
(1)本发明装置可以与超高真空系统相连接，实现超高真空样品的无污染转移，从技术上完全避免了可挥发性物质薄膜沉积过程对超高真空的污染与负面影响。除此之外，还可以制备普通物质薄膜样品，因此能够实现所有物质薄膜的制备与沉积，与超高真空系统中的分析仪器联用。生长腔体上包括可扩展的真空刀口法兰，可以进一步集成其他表面分析仪器，实现多种超高真空表面分析系统相连接，可以不受薄膜样品前躯体的影响，实现多种结构参数的原位检测与分析。
(2)本发明装置可以与超高真空系统相连接，实现超高真空样品的无污染转移，可以实现超高真空样品的催化反应测试，从而避免了催化反应的高压气对超高真空体系与仪器的影响。因此能与超高真空中的结构分析结果结合，给出确切的催化剂样品结构—活性关联。
(3)本发明中，反应测试装置中利用局域式加热，可以避免常规辐射加热带来的背景污染，得到的催化活性数据仅来自局域热源附近，结果更为准确。
(4)本发明装置中，利用可更换式加热片，满足常压下不同反应性气体的加热要求。
(5)本发明设计简单，制作安装简便，易于实现，可扩展性强，能与现有的各种超高真空系统进行联结，能在挥发性、腐蚀性物质薄膜制备与催化反应测试中发挥极大的作用。
附图说明
图1为本发明的主结构示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为图1的前视图；
图4为图1的俯视图。
1生长腔；2主传样腔；3反应腔；4快速进样室；5六通真空腔；6闸板阀；7小传样杆；8磁力传样杆；9三维样品操纵台；10视窗；11超高真空体系连接法兰口；12分子泵；13VCR法兰口；14反应腔温控样品台；15蒸发源；16角阀；17离子规；18真空漏阀；19可扩展真空法兰口；20红外加热灯。
具体实施方式
如图1-4所示，本发明是一种基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积与催化反应测试装置，该装置与超高真空系统连接，超高真空系统中样品转移到该装置，在其表面实现挥发性、腐蚀性物质薄膜制备与沉积，也可实现超高真空系统中样品不同反应压力温度下的催化反应活性测试。使用的衬底样品要求能适应于超高真空系统、表面平整，如单晶、金属薄片等。
本发明中基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积装置，包括：
金属可密闭的生长腔1与主传样腔2，两者相通。其中主传样腔2一端通过刀口法兰11与超高真空体系连接，两者之间有闸板阀，用于实现沉积装置与超高真空系统之间的联通和隔绝，另一端与快速进样室4与反应测试装置相连。
样品转移系统，实现主传样腔2，快速进样室4，与超高真空系统之间的转移。磁力传样杆8用于主传样腔2、快速进样室4和超高真空系统之间的样品转移，三维样品操纵台9用于生长腔1和主传样腔2之间的样品转移。
生长腔1上的样品沉积系统，包括三维驱动样品操纵台9，可以控制样品位置，该操纵台还配有加热片，控制样品的沉积温度；配有蒸发源15，可以实现挥发性薄膜样品的沉积；视窗10，可确定样品与蒸发源的位置；
反应测试装置通过快速进样室4实现与主传样腔2连接，从而可与超高真空体系相接。
生长腔1上包括可扩展真空刀口法兰19，可以进一步集成其他表面分析仪器，如程序升温脱附仪(TPD)或者低能电子衍射/俄歇能谱分析(LEED/AES)。
主传样腔2上装有红外加热灯20，在通入挥发性、腐蚀性前躯体之后，可以加热腔体，实现挥发性物质的高温脱附，快速恢复较好真空状态。
主传样腔2上装有离子规17，实现主传样腔2和生长腔1的真空度检测。
进气系统，包括生长腔1上面的真空漏气阀18用于生长薄膜样品时化学气氛的控制。抽气系统包括主传样腔2的分子泵12，负责维持生长腔1和主传样腔2中的真空维持。
本超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积装置的工作原理如下：通过主传样腔2与超高真空系统相连接，实现超高真空样品无污染转移至主传样腔，关闭闸板阀，实现主传样腔2与超高真空系统的隔绝。再利用传样系统，在生长腔1中实现挥发性、腐蚀性薄膜样品的沉积，而不将薄膜样品沉积中的挥发性物质，以及腐蚀性前驱体引入超高真空体系，避免了污染。
基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积装置的挥发性、腐蚀性样品沉积方法和过程如下：
(1)基于超高真空条件下挥发性样品薄膜的沉积装置与超高真空系统相连接。蒸发源15中放入待沉积样品中的前躯体，如低熔点金属和非金属(低熔点金属包括Zn，Pb，Cd，非金属包括S，Se，Te)，进气真空漏阀充有待沉积样品的所需化学气体，包括腐蚀性气体包括H2S，NH3，NO2等以及非腐蚀性气体如O2。
(2)将蒸发源15中的待沉积样品源，进行所需蒸发温度的除气。
(3)超高真空系统中的干净衬底样品通过传样杆8转移至该装置的三维样品操纵台9上，关闭主传样腔2与超高真空的闸板阀。
(4)利用三维样品操纵台9调整至合适的衬底样品与蒸发源15位置，打开真空漏阀18，通入合适的沉积气氛至所需压力，控制样品台温度，进行薄膜样品的可控沉积；
(5)沉积完毕，打开红外加热灯20，加速腔体真空恢复。
(6)将所得样品传回主传样腔2，通过传样杆8和三维样品操纵台9传回超高真空体系进行结构分析。
本发明中基于超高真空条件下催化反应测试装置，包括：
金属可密闭腔体快速进样室4，六通真空腔5和反应腔3。其中快速进样室4一段与反应腔3相连，另一端通过闸板阀6与主传样腔2相连，通过传样杆8和小传样杆7可实现样品从反应腔3到超真空系统、与生长腔1的无污染传递。
位于反应腔3上的反应测试系统，包括反应腔3，内壁为化学惰性的材质，不会干扰待测样品的反应测试结果，且内部没有焊接，一体成型，死体积小；温控样品台14，实验待测样品的装载与反应温度控制；样品台上配有可更换式加热片，适合不同气体下的高温反应；通过绝缘陶瓷，实现温控样品台其他位置与加热片导热隔离，实现局域式加热，将加热位置局域在样品附近，反应测试时，反应结果所受背景污染较小。
位于反应腔3上的VCR法兰口13连接有应力式压力计，实现反应腔体3内部的反应压力的检测；位于反应腔3上的VCR法兰口13还接有进气管和出气管，可通入所需反应气体，进行催化反应活性测试。出气管可将反应后气体导出至色谱或质谱进行化学成分分析，得到定量催化反应活性数据。
六通真空腔5通过角阀16与分子泵相连，在反应后可用于恢复反应腔3的真空，也可维持反应腔3和快速进样室4的日常高真空状态。
本发明中基于超高真空条件下催化反应测试装置用于催化反应活性测试的方法和过程如下：
(1)超高真空系统中的干净待测样品通过传样杆8转移至快速进样室4中，关闭联结的闸板阀。
(2)利用小传样杆7将待测样品转移至反应腔3中，关闭联结闸板阀。
(3)通过VCR进气法兰口13通入反应气至所需反应压力。
(4)利用反应腔温控样品台14上的陶瓷加热片进行温度控制，开始进行催化反应。
(5)反应结束后，再通过VCR出气口13将反应后气体导入到色谱或质谱仪中进行产物气体的分析，得到反应活性数据。
(6)打开闸板阀6，联通六通真空腔5和快速进样室4，将反应腔压力恢复至高真空状态，将反应后的样品传回至超高真空体系，进行结构分析。
实施例1
基于超高真空条件下挥发性、腐蚀性物质薄膜沉积装置可以进行低熔点金属Zn的氧化物ZnO薄膜样品的沉积，再传入超高真空体系进行结构分析，而不对超高真空体系造成影响。
这种基于超高真空条件下挥发性样品薄膜的沉积装置与超高真空系统相连接。将Zn蒸发源升温到合适温度(～200)℃进行除气。超高真空系统中制备的干净衬底样品(如Pt(111)，Au(111)，Cu(111)等)通过传样杆可以直接转移至该装置的生长腔中，关闭该设备与超高真空系统的闸板阀。通过三维操作台，调整好衬底样品与蒸发源的位置。通过真空漏气阀通入高纯O2(99.999％)至1×10-7mbar，沉积ZnO薄膜至合适覆盖度。然后关闭氧气。待腔体真空恢复之后，将所得薄膜样品传入超高真空体系进行结构分析。
实施例2
基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积装置可以进行腐蚀性H2S气氛下的MoS2薄膜样品的沉积，再传入超高真空体系进行结构分析，而不对超高真空体系造成影响。
这种基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积装置与超高真空系统相连接。在生长腔可以利用离子源与Ar，进行原位刻蚀金单晶，得到符合要求的Au单晶衬底。将Mo源升至合适温度(～1800℃)进行除气。通过三维操作台，调整好衬底样品与蒸发源的位置。通过真空漏气阀通入高纯H2S(99.999％)至1×10-6mbar，沉积MoS2薄膜至合适覆盖度。然后关闭H2S气体。可以通过内置红外灯，进行腔体的加热除气，以实现腔体快速的超高真空恢复。
待腔体真空恢复之后，将所得薄膜样品传入超高真空体系进行结构分析。
实施例3
本发明中基于超高真空条件下催化反应测试装置可以进行超高真空体系中样品的接近大气压条件下的催化反应测试，反应后的样品再传入超高真空体系进行结构分析，而不对超高真空体系造成影响。这种基于超高真空条件下催化反应测试装置与超高真空系统相连接。超高真空系统中制备的干净衬底样品(如FeO/Pt(111)，FeO/Au(111))等)通过传样杆可以直接转移至反应腔中，关闭该装置与超高真空系统的闸板阀。打开反应腔体中进气口通入一个大气压的CO与O2的混合气，记录初始反应气体压力，将样品温度控制到反应温度(如350K-750K)，开始反应。反应结束后，记录反应后真空压力，并将产物气体导入色谱或质谱仪中进行分析，得到催化活性数据。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (15)
1.一种基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积装置，其特征在于包括：
金属可密闭腔体包含生长腔体与主传样腔体，主传样腔体一端与超高真空系统相连接，另一端与生长腔体相接；
位于主传样腔体内的样品转移系统，包括传样杆，实现样品在主传样腔、生长腔和超高真空系统之间的转移；
位于生长腔体上的样品沉积系统，样品沉积系统包括三维驱动样品操纵台、加热片、视窗、蒸发源和真空漏阀；其中三维驱动样品操纵台位于生长腔体上，实现样品位置控制；加热片位于三维驱动样品操纵台上，实现控制样品的沉积温度；视窗位于腔体上，实现观察样品与蒸发源的角度确定；蒸发源位于腔体上，实现挥发性、腐蚀性物质的可控蒸发，真空漏阀可通入包含有腐蚀性化学气体，实现薄膜沉积要求；
生长腔体上包括可扩展的真空刀口法兰，进一步集成其他表面分析仪器；
主传样腔体内置红外加热灯，可实现腐蚀性与挥发性物质沉积之后的快速真空恢复；
位于主传样腔体上连接的离子规，实现腔体真空度的检测；
抽气系统，位于主传样腔体外，实现抽气与真空维持。
2.根据权利要求1所述的基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积装置，其特征在于：所述三维驱动样品操纵台中，通过三维驱动器实现样品位置在三个方向的调整，在沉积时可控制三维驱动样品操纵台的位置与蒸发源位置之间相互对准。
3.根据权利要求1所述的基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积装置，其特征在于：所述加热片为陶瓷加热片。
4.根据权利要求1所述的基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积装置，其特征在于：位于主传样腔体内的样品转移系统为传样杆。
5.根据权利要求1所述的基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积装置，其特征在于：所述蒸发源包括坩埚与加热元件。
6.根据权利要求1所述的基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积装置，其特征在于：所述挥发性物质包括低熔点金属和非金属，低熔点金属包括Zn，Pb，Cd，非金属包括S，Se，Te，腐蚀性物质的前躯体包括H2S，NH3。
7.根据权利要求1所述的基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积装置，其特征在于：所述主传样腔体与超高真空系统的连接采用刀口法兰对接，并在法兰侧面附有闸板阀。
8.根据权利要求1所述的基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积装置，其特征在于：所述生长腔体上配有独立的样品刻蚀设备，能够独立进行样品刻蚀处理。
9.根据权利要求1所述的基于超高真空条件下挥发性腐蚀性物质薄膜沉积装置，其特征在于：所述生长腔体上还留有可扩展法兰口，能够进一步集成其他表面化学分析仪器。
10.一种基于超高真空条件下催化反应测试装置，其特征在于包括：
金属可密闭的反应腔体，反应腔体一端与权利要求1所述的基于超高真空条件下挥发性和腐蚀性物质薄膜沉积装置，通过快速进样室进行连接，实现与超高真空表面仪器的无污染连接；
位于反应腔、生长腔体、主传样腔体之间的样品转移系统，实现样品在反应腔体、生长腔体与主传样腔体之间的转移；
位于反应腔体内的反应测试系统，包括温控样品台，实现反应时样品的固定以及温度的控制；加热方式为可更换式加热片，适合不同气体下的高温反应；
位于反应腔体上连接的应力式压力计，实现腔体内反应压力的检测；位于反应腔体上的出气口与进气口，实现反应腔内的化学反应压力的通入以及气体的导出分析；
抽气系统，位于快速进样室外，实现反应腔体和快速进样室的抽真空。
11.根据权利要求10所述的基于超高真空条件下催化反应测试装置，其特征在于：所述反应腔体内部为化学惰性，不会干扰反应测试结果，且没有焊接，一体成型。
12.根据权利要求10所述的基于超高真空条件下催化反应测试装置，其特征在于：所述反应气体能够导出至色谱或者质谱进行成分分析。
13.根据权利要求10所述的基于超高真空条件下催化反应测试装置，其特征在于：所述快速进样室可与超高真空设备连通，利用样品传送装置实现催化反应活性测试后的样品的表面分析。
14.根据权利要求10所述的基于超高真空条件下催化反应测试装置，其特征在于：所述温控样品台加热方式为局域式加热，通过绝缘陶瓷隔离加热源与温控样品台其它部分，将加热位置主要局域在样品附近，反应测试时，反应结果所受背景污染较小。
15.根据权利要求10所述的基于超高真空条件下催化反应测试装置，其特征在于：所述温控样品台加热源为可更换式加热片，可通过更换不同加热片种类适应催化反应中的300℃高温氧化/还原气氛。
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Citations (5)
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Patent Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| US4605469A (en) * | 1983-11-10 | 1986-08-12 | Texas Instruments Incorporated | MBE system with in-situ mounting |
| CN2837831Y (zh) * | 2005-11-11 | 2006-11-15 | 中国科学院物理研究所 | 新型超高真空原位生长、表征和测试系统 |
| CN103808538A (zh) * | 2012-11-07 | 2014-05-21 | 马晖 | 一种全新的包含耐高温高压结构单元的超高真空系统 |
| CN203849265U (zh) * | 2014-04-28 | 2014-09-24 | 中国科学院物理研究所 | 一种超高真空样品转移设备 |
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