CN109643626A - 可调式带电粒子涡旋束发生器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于产生具有可调式轨道角动量的带电粒子束的装置。所述装置首先包括用于提供带电粒子束的一个或多个组件。所述装置的特征进一步在于用于在操作期间对带电粒子束给予可调式轨道角动量的电布置。通过调整电流的量，所生成的带电粒子涡旋束的轨道角动量是可调的。通过使电流的方向反转，所生成的带电粒子涡旋束的手性是可切换的。通过本发明的带电粒子涡旋束的产生不依赖于带电粒子束的能量。通过本发明的带电粒子涡旋束的产生是可预测的且可再现的。

Description

可调式带电粒子涡旋束发生器及方法
技术领域
本发明涉及一种可以对带电粒子束给予轨道角动量的带电粒子涡旋束发生器和用于产生带电粒子涡旋束的方法。所述装置包括用于提供带电粒子束的一个或多个组件。所述装置进一步包括用于对带电粒子束给予轨道角动量的部件。这样的装置产生带电粒子涡旋束。
背景技术
带电粒子是具有电荷的粒子。基本粒子(比如电子、质子、正电子)是带电粒子。带电粒子可以是其中电子相对于质子盈余或亏空的分子或原子。进一步的例子是阿尔法粒子。
术语带电粒子涡旋束是指具有围绕其传播轴的轨道角动量不同于零并且可能被量化的性质的自由束。光学涡旋已经铺平了道路，显示许多不同的应用，比如用于各种应用(包括显微操作、相衬成像、经典的量子通信)的光镊和扳手[David L Andrews和MohamedBabiker.The angular momentum of light,Cambridge University Press,2012年]。类似的成功可以在电镜术中达到，在电镜术中，可以使用电子涡旋束来调查材料在原子分辨率或接近原子的分辨率上的磁性行为，以操纵纳米粒子或者测量显微镜光学参数[Ondrej LKrivanek、Jan Rusz、Juan-Carlos Idrobo、Tracy J Lovejoy和Niklas Dellby.Towardsingle mode,atomic size electron vortex beams.Microscopy and Microanalysis,20(03):832–836,2014年]。类似于光学器件[Alexander Jesacher、Severin Fürhapter、Stefan Bernet和Monika Ritsch-Marte.Shadow effects in spiral phase contrastmicroscopy,Physical Review Letters,94(23):233902,2005年；Stefan Bernet、Alexander Jesacher、Severin Fürhapter、Christian Maurer,和Monika Ritsch-Marte.Quantitative imaging of complex samples by spiral phase contrastmicroscopy.Optics Express,14(9):3792–3805,2006年；Severin Fürhapter、AlexanderJesacher、Christian Maurer、Stefan Bernet和Monika Ritsch-Marte.Spiral phasemicroscopy.Advances in Imaging and Electron Physics,146:1–56,2007年]，还设想能够改进具有低吸收衬度的生物样品的衬度的相位板的制作[A.M.Blackburn和J.C.Loudon.Vortex beam production and contrast enhancement from a magneticspiral phase plate.Ultramicroscopy,136(0):127–143,1 2014年]。
电子涡旋束的生成可以以几种方式进行：通过压印在螺旋形增大相位的电子束上的厚度适当变化的薄膜[Masaya Uchida和Akira Tonomura.Generation of electronbeams carrying orbital angular momentum.Nature,464(7289):737–739,2010年]；通过全息叉形孔径[Johan Verbeeck、He Tian和Peter Schattschneider.Production andapplication of electron vortex beams.Nature,467(7313):301–304,2010年；BenjaminJ McMorran、Amit Agrawal、Ian M Anderson、Andrew A Herzing、Henri J Lezec、Jabez JMcClelland和John Unguris.Electron vortex beams with high quanta of orbitalangular momentum.Science,331(6014):192–195,2011年]；通过全息螺旋形孔径[JoVerbeeck、He Tian和Armand Béché.A new way of producing electron vortex probesfor STEM.Ultramicroscopy,113:83–87,2012年；Koh Saitoh、Yuya Hasegawa、NobuoTanaka和Masaya Uchida.Production of electron vortex beams carrying largeorbital angular momentum using spiral zone plates.Journal of ElectronMicroscopy,61:171–177,2012年]；通过操纵像差函数[L Clark、A Béché、G Guzzinati、ALubk,M Mazilu、R Van Boxem和J Verbeeck.Exploiting lens aberrations to createelectron-vortex beams.Physical review letters,111(6):064801,2013年]；或者通过使用围绕偶极磁体的尖头的磁场[A.M.Blackburn和J.C.Loudon.Vortex beam productionand contrast enhancement from a magnetic spiral phase plate.Ultramicroscopy,136(0):127–143,2014年；Armand Béché、Ruben Van Boxem、Gustaaf Van Tendeloo和JoVerbeeck.Magnetic monopole field exposed by electrons.Nature Physics,10(1):26–29,2014年]。后一种方法，两个专利的主题(作为涡旋波发生US 2014/0346354 A1或相位板US 20130193322 A1)，是基于磁性Aharonov-Bohm效应。然而，由于与改变磁化有关的困难，装置的可调性受到限制。自充电棒可以用于对电子束给予轨道角动量[A.M.Blackburn.Observation of an electron vortex beam created from a self-charging rod.Microsc.Microanal.22(S3):1710-1711,2016年]。这样的电子涡旋束可以在电镜术中用来表征材料的磁性性质和手性性质。
发明内容
从现有技术已知的带电粒子涡旋束发生器是不可调的，不可切换的，并且需要很大的制作工作和/或调整工作，例如由于对于带电粒子束的能量的依赖性而导致的制作工作和/或调整工作。本发明的主题是克服这些缺点中的至少一个。
本发明的目的通过包括权利要求1的特征的装置和包括独立权利要求的特征并且优选地包括从属权利要求中的一个或多个的特征的方法来解决。
为了解决本发明的目的，带电粒子涡旋束发生器包括用于提供带电粒子束的一个或多个组件。所述装置进一步包括用于在操作期间对带电粒子束给予轨道角动量的电布置。结果，将存在带电粒子涡旋束。
所述电布置提供在第一方向上流动的第一电流和在相反的第二方向上流动的第二电流。换句话说，第一方向与第二方向是反向平行的。存在用于第一电流和第二电流的一个或多个电导体。作为规则，电导体的(分别地对应的电导体部段的)末端位于彼此相邻。结果，第二电流的终点位于与第一电流的起点相邻，反之亦然。彼此相邻意味着至少在邻域中。带电粒子束和电流的所述第一电流方向形成锐角。因此，还存在由第二电流方向和带电粒子束形成的锐角。锐角是小于90°的角度。作为规则并且除了流动方向之外，第一电流等于第二电流。
在本发明的实施例中，带电粒子束照射区域限于两个电流的顶点。
在本发明的实施例中，第一电导体和第二电导体位于带电粒子束内。因此，在本发明的优选实施例中，带电粒子束(因此带电粒子束照射区域)的直径大于所述两个电导体的尺寸。
在本发明的实施例中，在操作期间，在第一方向上流动的一个电流布置在带电粒子束的中心的一侧，在第二方向上流动的另一个电流布置在带电粒子束的中心的另一侧。
在本发明的实施例中，在第一方向或第二方向上流动的电流在带电粒子束的中心处或者至少在带电粒子束的中心的附近结束。
在本发明的实施例中，在第一方向上流动的电流沿着直线流动，在第二方向上流动的电流也沿着直线流动。因此，在优选实施例中，对应的电导体或导体的对应部段是线性的。然而，这并不意味着，进一步的形状是排除的或不可能的。例如还可以使电流在沿着束的方向上适当地成形以便要么改进涡旋束的质量、要么创建更独特的束。
为了提供在第一方向和第二方向上流动的电流，存在至少一个电导体。因此，所述装置可以包括第一电导体和第二电导体，第一电导体用于提供在第一方向上流动的电流，第二电导体与第一电导体是分开的，用于提供在第二方向上流动的电流。电导体相对于带电粒子束倾斜。在所述电导体中的每个和带电粒子束之间形成有至少90度的角度。在本发明的优选实施例中，所述角度小于70°，优选地小于60°。在优选实施例中，所述角度大于20°，优选地大于30°。
通过改变电流，带电粒子涡旋束发生器的所得的涡旋束是可调的，因此是可以以非常容易的方式调谐的。换句话说，可以通过改变所述一个电流或多个电流来调整给予的角动量。
通过改变所述一个电流或多个电流的方向，带电粒子涡旋束发生器的生成的涡旋束的手性是可以以非常容易的方式切换的。
带电粒子涡旋束发生器的涡旋束不依赖于带电粒子束的能量。由于这个原因，调整工作很少。
制作工作很少。
此外，带电粒子束装置可以充当波矫平器。
带电粒子涡旋束发生器的涡旋束是可预测的且可再现的。
在本发明的简单的实施例中，所述电布置只包括一个用于提供在第一方向上流动的电流和在第二方向上流动的电流的电导体。所述电导体一侧的两个支脚或部段和另一侧的带电粒子束在操作期间形成小于90°的角度，例如，小于80°，优选地小于70°或60°，以用于提供可以对带电粒子束给予轨道动量的适当的电流。电流一流过所述电导体，所述电布置就可以对带电粒子束给予轨道角动量。该实施例进一步减轻了制造工作。
所述电导体一侧的两个支脚和另一侧的带电粒子束在操作期间形成大于20°的锐角，例如，大于30°，以用于提供可以对带电粒子束给予轨道动量的适当的电流。电流一流过所述电导体，所述电布置就可以对带电粒子束给予轨道角动量。该实施例进一步减轻了制造工作。
在本发明的简单的实施例中，所述电导体是U形的。
在本发明的优选实施例中，用于第一电流和第二电流的所述两个电导体或电导体的用于第一电流和第二电流的部段之间的距离小于1μm，优选地小于0.5μm。因此，U形电导体的两个支脚之间的距离小于1μm，优选地小于0.5μm。
在本发明的优选实施例中，用于第一电流和第二电流的所述两个电导体或电导体的用于第一电流和第二电流的部段的直径、宽度和/或高度小于1μm，优选地小于0.5μm。
在本发明的优选实施例中，第一电流和第二电流不大于50mA，优选地不大于10mA。
在本发明的简单的实施例中，所述一个电导体或多个电导体由金属形成，优选地由Pt、Au或Cu形成。
在本发明的优选实施例中，所述一个电导体或多个电导体由用于实现具有更大的轨道角动量的带电粒子涡旋束的半导材料形成。
在本发明的简单的实施例中，所述电导体设置在基板上和/或薄膜上。作为规则，基板的表面是平坦的以用于减轻制作工作。
在本发明的简单的实施例中，基板由Si形成。
在本发明的简单的实施例中，膜由SiN形成。
在本发明的优选实施例中，用于提供带电粒子束的组件包括产生带电粒子束的带电粒子束源。
在本发明的优选实施例中，用于提供带电粒子束的组件包括使带电粒子束聚焦到所述电布置上和/或样品上的聚焦透镜。
在本发明的优选实施例中，用于提供带电粒子束的组件包括用于限定用于带电粒子束的孔径的孔径系统。
在本发明的优选实施例中，用于提供带电粒子束的组件包括使带电粒子束成形的磁性组件和/或静电组件。
在本发明的优选实施例中，所述孔径系统包括阻挡带电粒子束的一个或多个部分的一个或多个构件。
在本发明的优选实施例中，所述孔径系统阻挡带电粒子束的在带电粒子束源和聚焦透镜之间的一个或多个部分。
在本发明的优选实施例中，带电粒子涡旋束发生器是用于在整个样品上扫描聚焦的带电粒子束以对样品进行检查的扫描粒子系统。
在本发明的优选实施例中，带电粒子涡旋束发生器是探测样品的扫描电子显微镜。
在本发明的优选实施例中，带电粒子涡旋束发生器是透射显微镜或扫描透射显微镜。
在本发明的优选实施例中，带电粒子涡旋束发生器包括用于夹持样品的支架。此外，所述电置布置在支架和用于提供带电粒子束的组件之间。该实施例使得可以以容易的方式表征样品。
在本发明的优选实施例中，所述装置或发生器包括用于检测带电粒子涡旋束和/或用于表征探头的性质的检测单元和/或评估单元。该实施例使得可以以自动的方式或者至少以半自动的方式表征样品。
为了解决本发明的目的，一种用于产生带电粒子涡旋束的方法包括以下步骤：
产生带电粒子束；
提供使得第一电流在第一方向上流动并且第二电流在相反的第二方向上流动的电布置，其中所述第一方向与所述第二方向是反向平行的；
引导带电粒子束通过第一电流和第二电流以使得所述电布置对带电粒子束给予轨道角动量。
在优选实施例中，第一电流和第二电流在带电粒子束内以相对于粒子束路径倾斜的方式流动。在实施例中，第一电流和第二电流完全布置在带电粒子束内。在这种情况下，带电粒子束的直径大于第一电流和第二电流的外边界之间的距离。优选地，电子束照射区域(1)应仅限于两个电流的顶点。
附图说明
从以下对说明性实施例的描述，本发明的这些及其他特征将变得更加明显。
图1示出第一实施例的带电粒子涡旋束发生器。
图2是图1所示的带电粒子涡旋束发生器的部分侧视图。
图3示出形成在用于带电粒子涡旋束发生器的基板的平坦表面上的电路路径。
图4是粒子涡旋束和用于对带电粒子束给予轨道动量的电布置的顶视图。
具体实施方式
图1例示说明在操作期间带电粒子束1朝向支架2及检测和评估单元3流动的路径，支架2用于夹持样品。在操作期间，存在沿着电导体的第一部段4在第一方向上流动的电流。存在沿着电导体的第二部段5在相反的第二方向上流动的电流。沿着第一部段4流动的电流流动方向因此与沿着第二部段5流动的电流流动方向是反向平行的。每个流动方向相对于带电粒子束1倾斜。因此，存在由于电导体的部段4和5而在操作期间对带电粒子束1给予轨道角动量的电布置。
第三部段6连接第一部段4和第二部段5。电导体的部段4、5和6是以类似于“U形”的方式成形的。结果，沿着第一部段4流动的第一电流的终点位于与沿着第二部段5流动的第二电流的起点相邻。第二电流的终点位于与第一电流的起点相邻。带电粒子束1的中心布置在电导体的部段6的附近，因此电导体的第一部段4和第二部段5的对应终点的附近。
带电粒子涡旋束发生器包括用于提供带电粒子束1的组件7。支脚的形式的第一电导体部段4布置在带电粒子束1的中心的一侧，支脚的形式的第二电导体部段5布置在带电粒子束1的中心的另一侧。存在与第三剬6相对的、与第一部段4和第二部段5的终点连接的电源供应器8。
这样的电布置在操作期间对对带电粒子束1给予轨道角动量。角动量取决于流过第一部段4和第二部段5的电流，而不取决于带电粒子束的能量。带电粒子涡旋束9将被产生。
小于90度的角度α形成在每个电导体部段4或5和带电粒子束1之间。由三个部段4、5和6组成的电导体连接到DC电压源8，以使得在操作期间在一侧存在与带电粒子束平行的电流流动的分量并且在另一侧存在与带电粒子束1反向平行的电流流动的分量。结果，将存在带电粒子涡旋束9。因此，所述装置可以通过设置两个平行导线4、5来实现，所述两个平行导线4、5具有相反方向上的流动电流并且具有相对于带电粒子束1的方向倾斜的角度。
图2是图1所示的粒子涡旋束发生器的部分上的侧视图。图2例示说明形成在电导体部段5和带电粒子束1之间的小于90度的锐角α的存在。电导体部段5和电导体部段5位于相同的高度处。此外，所述两个导体部段4和5是平行的。因此，存在形成在电导体部段4和带电粒子束1之间的小于90度的对应的锐角α。
通过改变电流，图1和图2例示说明的带电粒子涡旋束发生器的带电粒子涡旋束9是可调的。通过改变电流的方向，带电粒子涡旋束发生器的带电粒子涡旋束9是可切换的。带电粒子涡旋束发生器的涡旋束9不依赖于带电粒子束1的能量。
为了实现所述效果，如下构造带电粒子涡旋束发生器。在平坦表面上提供由Si形成的、包括薄膜15的基板14。如图3所示，通过沉积在平坦表面上形成电路路径。所述电路路径包括上述“U形”形式的部段4、5和6。所述电路路径由Pt形成。电导体的部段4和5之间的距离、因此部段6的长度为200nm。所述电路路径包括用于功率供应的两个管脚17。膜15上的部段4和5的宽度为200nm。
以倾斜的方式将基板放置在电子显微镜上以使得在部段4和5与电子显微镜的电子束1之间存在大约60°至70°的角度α，以用于提供不取决于电子显微镜的电子束的能量的、可调的且可预测的电子涡旋束。电子束的能量可以在50keV和300keV之间变化。几mA的电流足以提供电子涡旋束9。至少与电子显微镜有关地，60°至70°的角度α是优选的。
图4是粒子涡旋束和用于对带电粒子束给予轨道动量的电布置的顶视图。图4示出了带电粒子束1的截面。
第一电流和第二电流以相对于粒子束路径倾斜的方式在带电粒子束1内沿着部段4和5流动。图4例示说明带电粒子束(1)的直径大于第一电流和第二电流的外边界之间的距离。电子束照射区域1大致限于两个电流的顶点，分别是电导体的两个部段4和5的顶点。

Claims (20)

1.一种带电粒子涡旋束发生器，所述带电粒子涡旋束发生器包括用于提供带电粒子束(1)的一个或多个组件(7)，其特征在于，在操作期间对所述带电粒子束(1)给予轨道角动量的电布置。
2.根据前述权利要求所述的发生器，其中所述电布置包括用于提供在第一方向上流动的第一电流和在相反的第二方向上流动的第二电流的至少一个电导体，其中所述第一方向与所述第二方向是反向平行的。
3.根据前述权利要求所述的发生器，其中用于所述第一电流的所述电导体或电导体的用于所述第一电流的部段(4)与所述带电粒子束路径成锐角(α)，并且其中用于所述第二电流的所述电导体或电导体的用于所述第二电流的部段(5)与所述带电粒子束路径成锐角(α)。
4.根据前述两个权利要求之一所述的发生器，其中用于所述第一电流的所述电导体或电导体的用于所述第一电流的部段(4)和用于所述第二电流的所述电导体或电导体的用于所述第二电流的部段(5)都一直延伸到所述带电粒子束(1)的中心、或者在所述带电粒子束(1)的中心或至少在所述带电粒子束(1)的中心附近延伸。
5.根据前述三个权利要求之一所述的发生器，其中用于所述第一电流的第一电导体或电导体的用于所述第一电流的部段(4)布置在所述带电粒子束(1)的中心的一侧，并且第二电导体或电导体的部段(5)布置在所述带电粒子束(1)的中心的相对侧。
6.根据前述四个权利要求之一所述的发生器，其中在操作期间，在所述第一方向上流动的第一电流沿着直线流动，并且在所述第二方向上流动的第二电流也沿着直线流动。
7.根据前述权利要求之一所述的发生器，包括唯一一个单个电导体(4、5、6)，所述单个电导体(4、5、6)在操作期间提供对所述带电粒子束(1)给予轨道角动量的电流。
8.根据前述权利要求所述的发生器，其中所述单个电导体(4、5、6)是U形的。
9.根据前述两个权利要求之一所述的发生器，其中所述单个电导体(4、5、6)包括在带电电子束路径(1)的中心的一侧的第一支脚(4)和在所述带电电子束路径(1)的中心的另一侧的第二支脚(5)，所述第一支脚(4)和所述第二支脚(5)中的每个都与所述带电粒子束路径成小于90度的角度(α)。
10.根据前述权利要求之一所述的发生器，其中锐角(α)小于80°，优选地小于60°，和/或其中所述锐角(α)大于20°，优选地大于30°，并且其中，所述角度形成在所述电布置的电导体或电导体(4、5)的部段和所述带电粒子束(1)之间。
11.根据前述权利要求之一所述的发生器，其中所述电布置包括基板(14)和/或膜(15)以及设置在表面(14)和/或膜(15)上的至少一个电导体，其中所述带电粒子束(1)在操作期间在所述电导体的两个支脚(4、5)附近流动，并且其中所述表面在操作期间倾斜成与所述带电粒子束路径(1)成锐角。
12.根据前述权利要求所述的发生器，其中所述基板(14)由Si形成，和/或所述膜(15)由SiN形成。
13.根据前述两个权利要求之一所述的发生器，其中设置在所述膜(15)上的支脚(4、5)的长度小于100μm，优选地小于50μm，和/或其中所述两个支脚(4、5)之间的间隙小于1μm，优选地小于0.5μm，和/或其中所述支脚(4、5)的宽度小于1μm，优选地小于0.5μm。
14.根据前述三个权利要求之一所述的发生器，其中所述电布置包括一个或多个电导体(4、5、6)，所述一个或多个电导体(4、5、6)由金属形成，优选地由Pt或Au形成。
15.根据前述权利要求之一所述的发生器，其中所述发生器包括电子显微镜。
16.根据前述权利要求之一所述的发生器，包括样品架(2)，其中所述电布置布置在所述样品架(2)和用于提供带电粒子束(1)的组件(7)之间。
17.根据前述权利要求之一所述的发生器，包括检测和/或评估单元(3)，所述检测和/或评估单元(3)用于检测带电粒子涡旋束(9)和/或用于表征样品的性质。
18.一种用于产生带电粒子涡旋束的方法，包括以下步骤：
产生带电粒子束(1)；
提供使得第一电流在第一方向上流动并且第二电流在相反的第二方向上流动的电布置，其中所述第一方向与所述第二方向是反向平行的；
引导所述带电粒子束(1)通过所述第一电流和所述第二电流以使得所述电布置对所述带电粒子束(1)给予轨道角动量。
19.根据前述权利要求所述的方法，其中所述第一电流和所述第二电流以相对于所述带电粒子束(1)倾斜的方式在所述带电粒子束(1)内流动。
20.根据前述权利要求所述的方法，其中所述带电粒子束(1)的直径大于所述第一电流和所述第二电流的外边界之间的距离。
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