CN109862684B - 单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法 - Google Patents

单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法，所述方法选择单一尺寸的团簇沉积于基座表面，基座保持低温并喷射氙气，形成团簇嵌埋于固态氙气膜中的团簇靶；脉冲激光照射团簇靶，释放单一尺寸强流团簇脉冲束。本发明所述方法能够在保证束流中团簇尺寸高度均一的情况下，实现极强的瞬时束流强度；本发明所述方法产生的团簇束的品质不受团簇先驱物材料性质的影响，是一种简单、普适、高稳定的脉冲团簇束，能够应用于所有常温下为固体的物质；本发明所述脉冲团簇束的形成中不含团簇成核生长的过程，因此可以在团簇源尺寸、脉冲频率和脉冲宽度的选择上具有更大的自由度，满足更多的应用需求。

Description

单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法
技术领域
本发明属于原子分子物理、团簇物理的基础研究以及材料表面加工、分析等技术领域，涉及高强度、单一尺寸原子团簇脉冲束流产生技术，具体为单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法。
背景技术
团簇束流是粒子束(电子束、离子束、原子和分子束等)的一个新成员，是上世纪70年代以来发展起来的。粒子束在原子核物理、粒子物理、原子与分子物理、等离子体物理等众多现代学科被广泛应用，也已成为微电子、光电子、冶金、航空和航天等工业领域不可缺少的加工手段。所谓团簇(cluster)，是由几个至数千个原子组成的相对稳定的微观聚集体。与传统的离子束及原子/分子束比较，团簇束具有其显著的特点。团簇的性质不仅与构成团簇的原子有关，还与团簇的原子数和形状有关,已经成为原子分子物理、凝聚态物理及化学的重要研究对象。由团簇组装形成的纳米结构展现出不同寻常的优良特性。载能(数keV以上动能)团簇束流因团簇结构、离化及其与表面相互作用的独特性，展现出与传统粒子束迥异的性质。团簇离子由于具有大的质/荷比，在低能量下能够获得强得多的质量流。载能团簇束流与表面相互作用时在穿透深度、非晶化形成、溅射及能量沉积等方面可产生许多与单体离子轰击完全不同的新效应，轰击固体时可产生极高的溅射率以及局域高温高压的极端条件，也能够实现高效率的原子级超浅层注入。因此，载能团簇束在新一代电子器件制造及定向粒子束领域受到高度重视。
对于团簇基本性质研究及荷能团簇束应用，往往需要高强度的脉冲束流。目前，脉冲团簇束流的获得主要采用1980年前后由诺贝尔化学奖获得者Smalley教授发明的脉冲激光烧融法团簇源。这类团簇源由于激光源、团簇生长机制等方面的限制，瞬时束流强度有限，平均流强更低。特别是团簇源产生的团簇存在很宽的尺寸分布，而实际使用时常常需要获得单一尺寸的团簇，因此需要通过质量选择系统从团簇束流中进行选择，而高精度的质量选择导致单一尺寸团簇束强度极弱，难以满足团簇性质精密测量与应用研究的需要。
发明内容
解决的技术问题：对于团簇基本性质研究及荷能团簇束应用，往往需要高强度的脉冲束流。目前，脉冲团簇束流的获得主要采用脉冲激光烧融团簇源。这类团簇源由于激光源、团簇生长机制等方面的限制，瞬时束流强度有限，平均流强较低。特别是高精度的质量选择导致单一尺寸团簇束强度极弱，难以满足团簇性质精密测量与应用研究的需要。本发明提供了单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法，能够在保证束流中团簇尺寸高度均一的情况下，实现极强的瞬时束流强度和高稳定度，对于团簇性质精密测量与团簇束的应用具有重要价值。
技术方案：单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法，所述方法选择单一尺寸的团簇沉积于基座表面，基座保持低温并喷射氙气，形成团簇嵌埋于固态氙气膜中的团簇靶；脉冲激光照射团簇靶，释放单一尺寸强流团簇脉冲束。
优选的，所述方法具体包括以下步骤：
第1步、制备单一尺寸团簇靶
由常规团簇源产生连续团簇束，经团簇质量选择器选择出单一尺寸团簇，沉积到低温基座上，同时在低温基座表面通过氙气喷管喷射氙气，形成固态氙膜；低温基座绕垂直于团簇沉积方向的轴旋转，并沿轴平移扫描，以使团簇覆盖其全部表面，获得单一尺寸团簇嵌埋于固态氙的团簇靶；
第2步、发射单一尺寸强流团簇脉冲束
用脉冲激光照射团簇靶，使固态氙急剧气化，形成携带团簇的氙气喷流，通过喷嘴喷出到高真空区，获得高强度的单一尺寸的团簇脉冲束；激光照射的同时，使团簇靶绕轴旋转和沿轴平移扫描，以保证团簇靶上预制团簇被充分使用；上述过程全部在真空环境中进行，其中高真空区配置大抽速的真空泵，保证高效抽除气化形成的氙气。
优选的，常规团簇源为高温蒸发气体聚集团簇源、磁控等离子体气体聚集团簇源、电弧法气体聚集团簇源或脉冲激光烧融法团簇源。
优选的，团簇质量选择器为四极滤质器、或飞行时间质量选择器、或微分电迁移率分析器。
优选的，团簇为各种常温条件下为固态的金属团簇或非金属团簇，每个团簇包含的原子数为10-10000。
优选的，低温基座的材质为金属材料，基座的温度低于160K。
优选的，氙气喷管材质为不锈钢，其内径为0.5-3mm。
优选的，脉冲激光为紫外激光或红外激光，激光脉冲宽度为10ns-1ms，重复频率不大于100kHz。
优选的，喷嘴的中心孔径为0.5mm-10mm。
优选的，高真空区的气压低于10-2Pa。
本发明所述单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法的原理在于：本发明所述方法将单一尺寸团簇的制备过程与高强度脉冲团簇束的形成过程分为两个单独步骤，即：通过预先制备包含大量单一尺寸团簇(5)的团簇靶(11)，避免了团簇形成与生长过程及质量选择过程造成的对团簇束强度的削弱。固态氙沸点很低，在脉冲激光照射下能够急剧气化，形成喷流，同时又不会使嵌埋于其中的团簇温度过高。固态氙气化的同时，使嵌埋的团簇进入喷流中，通过喷嘴(7)发生气体动力学膨胀，形成团簇脉冲束(8)。由于固态氙沸点低，脉冲激光(10)照射能够造成大区域的固态氙气化；由于预先嵌埋的团簇已经过质量选择为单一尺寸，避免了尺寸选择造成的团簇束强度的急剧减小。综合两者的优势，可使本方法形成的单一尺寸团簇脉冲的瞬时流强提高2个数量级以上。
有益效果：(1)本发明所述方法将脉冲团簇束流的产生分成单一尺寸团簇沉积冻结于固态氙基底中的团簇靶制备及脉冲激光使固态氙急剧气化成携带团簇的氙气喷流并进一步形成团簇脉冲束两个过程实现，能够在保证束流中团簇尺寸高度均一的情况下，实现极强的瞬时束流强度；(2)本发明所述的脉冲团簇束产生于脉冲激光气化固态氙，而团簇产生于普通的团簇源及相应的质量选择，两个过程独立，因此所产生的团簇束的品质不受团簇先驱物材料性质的影响，是一种简单、普适、高稳定的脉冲团簇束，能够应用于所有常温下为固体的物质；(3)本发明所述脉冲团簇束的形成中不含团簇成核生长的过程，因此可以在团簇源尺寸、脉冲频率和脉冲宽度的选择上具有更大的自由度，满足更多的应用需求。
附图说明
图1是本发明所述单一尺寸强流团簇脉冲束产生过程示意图，其中a为单一尺寸团簇的制备过程，b为高强度脉冲团簇束的形成过程；
图2是实施例2构建的单一尺寸强流团簇脉冲束的系统图；
其中，1为连续团簇束，2为团簇质量选择器，3为低温基座，4为固态氙，5为单一尺寸团簇，6为氙气喷管，7为喷嘴，8为团簇脉冲束，9为氙气喷流，10为脉冲激光，11为团簇靶，12为高真空区，13为常规团簇源，14为石英晶体振荡器膜厚仪。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
如图1所示，单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法，包括以下步骤：
第1步、制备单一尺寸团簇靶
由常规团簇源产生连续团簇束1，经团簇质量选择器2选择出单一尺寸团簇，沉积到低温基座3上，同时在低温基座3表面通过氙气喷管6喷射氙气，形成固态氙4膜；低温基座3绕垂直于团簇沉积方向的轴旋转，并沿轴平移扫描，以使团簇覆盖其全部表面，获得单一尺寸团簇5嵌埋于固态氙4的团簇靶11；
第2步、发射单一尺寸强流团簇脉冲束
用脉冲激光10照射团簇靶11，使固态氙4急剧气化，形成携带团簇的氙气喷流9，通过喷嘴7喷出到高真空区12，获得高强度的单一尺寸的团簇脉冲束8；激光照射的同时，使团簇靶11绕轴旋转和沿轴平移扫描，以保证团簇靶11上预制团簇被充分使用；上述过程全部在真空环境中进行，其中高真空区12配置大抽速的真空泵，保证高效抽除气化形成的氙气。
常规团簇源为高温蒸发气体聚集团簇源。
团簇质量选择器2为四极滤质器。
团簇为金团簇，每个团簇包含的原子数为100。
低温基座3的材质为铜，基座的温度为10K。
氙气喷管6材质为不锈钢，其内径为1mm。
脉冲激光10波长为353nm，激光脉冲宽度为100ns，重复频率为10kHz。
喷嘴7的中心孔径为2mm。
高真空区12连接大抽速分子泵，工作时的气压为10-3Pa。
以上单一尺寸强流团簇脉冲束的产生过程如下：
(1)团簇源、团簇质量选择器2与安装低温基座3及喷嘴7的真空腔连接，构成脉冲团簇束流产生系统；
(2)对上述系统抽真空，达到1×10-4Pa真空度；
(3)团簇质量选择器2设定团簇质量选择窗口为100原子，团簇源按标准流程产生连续团簇束1。
(4)低温基座3连续旋转，氙气喷管6连续喷射氙气到低温基座3表面，团簇连续沉积到低温基座3上。沉积过程持续1小时。
(5)高温蒸发气体聚集团簇源停止工作，脉冲激光10照射团簇靶11，产生团簇脉冲束8。
在距离喷嘴7 30mm处，用石英晶体振荡器膜厚仪测量金团簇的等效沉积率，测得金团簇的等效沉积率为
Figure BDA0001915134900000051
计算得到每个团簇脉冲包含2.5×108个团簇。
实施例2
根据图1所示的单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法，建立的一套产生单一尺寸强流团簇脉冲束的系统如图2所示，其操作过程包括以下步骤：
第1步、制备单一尺寸团簇靶
由常规团簇源产生连续团簇束1，经团簇质量选择器2选择出单一尺寸团簇，沉积到低温基座3上，同时在低温基座3表面通过氙气喷管6喷射氙气，形成固态氙4膜；低温基座3绕垂直于团簇沉积方向的轴旋转，并沿轴平移扫描，以使团簇覆盖其全部表面，获得单一尺寸团簇5嵌埋于固态氙4的团簇靶11；
第2步、发射单一尺寸强流团簇脉冲束
用脉冲激光10照射团簇靶11，使固态氙4急剧气化，形成携带团簇的氙气喷流9，通过喷嘴7喷出到高真空区12，获得高强度的单一尺寸的团簇脉冲束8；激光照射的同时，使团簇靶11绕轴旋转和沿轴平移扫描，以保证团簇靶11上预制团簇被充分使用；上述过程全部在真空环境中进行，其中高真空区12配置大抽速的真空泵，保证高效抽除气化形成的氙气。
常规团簇源13为磁控等离子体气体聚集团簇源。
团簇质量选择器2为横向飞行时间质量选择器。
团簇为铜团簇，每个团簇包含的原子数为300。
低温基座3的材质为铜，基座的温度为77K。
氙气喷管6材质为不锈钢，其内径为1mm。
脉冲激光10波长为1065nm，激光脉冲宽度为100ns，重复频率为1kHz。
喷嘴7的中心孔径为3mm。
高真空区12连接大抽速分子泵，工作时的气压为10-3Pa。
以上单一尺寸强流团簇脉冲束的产生过程如下：
(1)团簇源、团簇质量选择器2与安装低温基座3及喷嘴7的真空腔连接，构成脉冲团簇束流产生系统；
(2)对上述系统抽真空，达到1×10-4Pa真空度；
(3)团簇质量选择器2设定团簇质量选择窗口为300原子，团簇源按标准流程产生连续团簇束1。
(4)低温基座3连续旋转，氙气喷管6连续喷射氙气到低温基座3表面，团簇连续沉积到低温基座3上。沉积过程持续1小时。
(5)高温蒸发气体聚集团簇源停止工作，脉冲激光10照射团簇靶11，产生团簇脉冲束8。
在距离喷嘴7 30mm处，用石英晶体振荡器膜厚仪14测量金团簇的等效沉积率，测得铜团簇的等效沉积率为
Figure BDA0001915134900000061
计算得到每个团簇脉冲包含4.2×107个团簇。

Claims (9)

1.单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法，其特征在于，所述方法选择单一尺寸的团簇沉积于基座表面，基座保持低温并喷射氙气，形成团簇嵌埋于固态氙气膜中的团簇靶；脉冲激光照射团簇靶，释放单一尺寸强流团簇脉冲束；所述方法具体包括以下步骤：
第1步、制备单一尺寸团簇靶
由常规团簇源产生连续团簇束（1），经团簇质量选择器（2）选择出单一尺寸团簇，沉积到低温基座（3）上，同时在低温基座（3）表面通过氙气喷管（6）喷射氙气，形成固态氙（4）膜；低温基座（3）绕垂直于团簇沉积方向的轴旋转，并沿轴平移扫描，以使团簇覆盖其全部表面，获得单一尺寸团簇（5）嵌埋于固态氙（4）的团簇靶（11）；
第2步、发射单一尺寸强流团簇脉冲束
用脉冲激光（10）照射团簇靶（11），使固态氙（4）急剧气化，形成携带团簇的氙气喷流（9），通过喷嘴（7）喷出到高真空区（12），获得高强度的单一尺寸的团簇脉冲束（8）；激光照射的同时，使团簇靶（11）绕轴旋转和沿轴平移扫描，以保证团簇靶（11）上预制团簇被充分使用；上述过程全部在真空环境中进行，其中高真空区（12）配置大抽速的真空泵，保证高效抽除气化形成的氙气。
2.根据权利要求1所述的单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法，其特征在于，常规团簇源为高温蒸发气体聚集团簇源、磁控等离子体气体聚集团簇源、电弧法气体聚集团簇源或脉冲激光烧融法团簇源。
3.根据权利要求1所述的单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法，其特征在于，团簇质量选择器（2）为四极滤质器、或飞行时间质量选择器、或微分电迁移率分析器。
4.根据权利要求1所述的单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法，其特征在于，团簇为各种常温条件下为固态的金属团簇或非金属团簇，每个团簇包含的原子数为10-10000。
5.根据权利要求1所述的单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法，其特征在于，低温基座（3）的材质为金属材料，基座的温度低于160K。
6.根据权利要求1所述的单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法，其特征在于，氙气喷管（6）材质为不锈钢，其内径为0.5-3mm。
7.根据权利要求1所述的单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法，其特征在于，脉冲激光（10）为紫外激光或红外激光，激光脉冲宽度为10ns-1ms，重复频率不大于100kHz。
8.根据权利要求1所述的单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法，其特征在于，喷嘴（7）的中心孔径为0.5mm-10mm。
9.根据权利要求1所述的单一尺寸强流团簇脉冲束产生方法，其特征在于，高真空区（12）的气压低于10-2Pa。
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