CN110895287A - 一种真空互联的表面分析装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于实现超高真空条件下(<2x10^‑10mbar)互联的表面分析装置及其使用方法，以及用于表面分析装置的样品台。用于表面分析装置的样品台包括了：(1)程序升温夹持板：承接样品托，实现样品从低温端到高温端(100K～1000K)线性可控升温(3～4K/s)；(2)变温杆：对接样品托夹持板，通过液氮给样品台的降温；(3)样品托：适用于0.5mm～1.5mm厚度的单晶样品，对样品进行直流加热，兼容扫描隧道显微镜成像样品托要求；(4)高温夹持板：通过辐射、加热电子束加热或者直流加热方式对一般样品托进行升温。本发明适用于程序升温脱附仪与扫描隧道显微镜的真空互联系统，得到模型催化剂的形貌信息以及吸附分子的谱学、反应活性信息，在原子尺度上实现催化剂的结构与活性的关联。

Description

一种真空互联的表面分析装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种用于实现超高真空条件下(<2x10^-10mbar)互联的表面分析装置及其使用方法，属于表面化学领域。

背景技术

程序升温脱附仪是将待测样品在低温下暴露特定压力气氛下的探针分子，然后通过外置程序对样品进行线性升温得到的样品谱图信息的仪器。由于模型催化剂表面的不同位点的键合的探针分子的强度不同，对应的脱附温度点就不同，该分子就会在不同的温度发生脱附从而被质谱检测到，形成特定的脱附峰。除此之外通过共吸附可以进行模型催化剂的表面反应，结合反应产物以及反应发生位点，可以得到催化剂的相应的反应活性以及推断催化剂可能的反应机理。一般而言，为了减少背景吸附分子的干扰，待测单晶往往和样品杆通过加热灯丝(钨)或加热片(钽)直接固定一起，然后通过外置电源对样品进行直流加热。这样情况下，单晶样品由于没有样品托因而不能在不同的腔室之间进行传递，只能和低能电子衍射(LEED)和俄歇电子能谱(AES)等分析设备进行联合使用(无需样品传递)。可以借助于LEED得到表面结构的倒空间信息，以及俄歇电子能谱得到表面的洁净程度信息。

扫描隧道显微镜(STM)由于可以在实空间上直接提供原子尺度上模型催化剂表面的高分辨形貌信息受到了大量的关注。同时也可以在反应气氛下，原位观测模型催化剂表面的吸附的不同化学分子之间的反应，从而得到催化剂的结构与活性的关系。但是一般STM缺乏化学分辨，因而很难给出特定的结构的化学分辨，同时STM给出的是催化剂的电子态的信息而非直接的形貌信息，在结构图像的解析上也遇到了相应的困难。

扫描隧道显微镜的表面分析技术需要特定的样品托才能够对样品的形貌信息进行成像，Arhus近常压扫描隧道显微镜可以进行近常压下以及高温下对样品的形貌进行原位观测，但是对样品托(尤其是双层的高温样品托)的设计要求比较高。因此，扫描隧道显微镜成像系统与程序升温脱附谱学系统两者在样品托的不同需求，彼此难以兼容，使得难以同时得到催化剂的活性相结构形貌信息以及化学吸附、反应活性的谱学信息，这也就制约了模型催化剂的结构以及活性关联性研究。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有的程序升温脱附仪和扫描隧道显微镜由于样品托不能兼容，而不能实现互联使用的问题，提供了一种用于实现超高真空条件下(<2x10^{- 10}mbar)互联的表面分析装置及其使用方法，以及用于表面分析装置的样样品台。上述表面分析装置既可以实现在100K～1000K温度区间对样品实现线性升温，得到探针分子的脱附信息；同时结合扫描隧道显微镜的作用得到催化剂的形貌结构。此外，上述用于表面分析装置的样品台也可以与多种超高真空分析仪器进行联结实现催化剂结构的其他表征的测试，例如低能电子衍射(LEED)以及俄歇电子能谱(AES)。该部件与近常压扫描隧道显微镜成像系统相连，可以在扫描隧道显微镜成像室得到模型催化剂高分辨的形貌信息，同时也可以将样品吸附探针分子，通过程序升温谱来得到该模型催化剂表面的特定成键信息以及化学反应活性信息。所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。

本发明一方面提供了一种真空互联的表面分析装置，所述装置包括程序升温脱附仪，扫描隧道显微镜和传样机制；所述程序升温脱附仪的腔体与扫描隧道显微镜的腔体通过真空管道连接；所述程序升温脱附仪设置有有四维驱动装置，所述程序升温脱附仪的腔体内部设置有样品台，所述样品台包括样品托，所述传样机制包括传样杆，用于将样品托在程序升温脱附仪的样品台和扫描隧道显微镜腔体之间通过所述的真空管道传输；所述四维驱动装置用于驱动样品台从而带动样品托转换角度；变温杆置于四维驱动装置上，结合位于腔体上的传样杆可以实现样品托在扫描隧道显微镜腔室和程序升温脱附仪器腔室之间相互的转移，在实验时通过四维驱动装置实现样品托的位置在四个维度的调整，实现待测样品单晶面的位置与质谱采样头位置相互对准。

另一方面，本发明提供了一种用于上述表面分析装置的的样品台，所述样品台包括变温杆、样品托夹持板以及样品托；所述变温杆、样品托夹持板以及样品托的材质均为导热材质；所述样品托夹持板位于变温杆下方，所述样品托夹持板与变温杆底部绝缘导热连接，所述样品托与样品托夹持板可拆卸导热连接；所述变温杆为中空结构，通过向变温杆中接灌入或者差抽液氮方式调控样品托的温度。

基于以上技术方案，优选的，所述的样品托夹持板表面设置有一个凹槽和用于将样品托固定于凹槽的簧片，簧片也同时作为电极对样品进行直流加热，位于凹槽上方的簧片接入外置电压，位于凹槽下方的簧片接地，簧片上端与变温杆相连，可以实现通过接灌入或者差抽液氮方式是样品快速冷却所需温度。

基于以上技术方案，优选的，所述的样品托夹持板包括程序升温夹持板和/或高温夹持板，所述高温夹持板位于程序升温夹持板的下方，所述高温夹持板与程序升温夹持板的底部绝缘导热连接；所述的样品托与程序升温夹持板或高温夹持板可拆卸导热连接。

基于以上技术方案，优选的，所述变温杆与程序升温夹持板以及程序升温夹持板与高温夹持板之间均通过套在PEEK绝缘套中的螺杆连接，同时两者之间放置有长方体的蓝宝石绝缘体，实现高压绝缘；所述蓝宝石绝缘体上下面还设置有金属铟或者银箔，加快样品台与变温杆之间热传导，同时有利于样品台降温，样品托通过簧片固定到对应夹持板上通过直流加热实现程序升温。

基于以上技术方案，进一步优选的，所述样品托夹持板为高温夹持板时，凹槽内部设置有陶瓷罩，螺旋状灯丝以及直流电极板和高压接线头，通过高压接线头将高温夹持板接上正高压进行实现电子束轰击加热，通过直流电极板，可以通过外置电压对直流样品托进行直流加热方式，热偶信号导出后，通过高压隔离模块过滤掉高压，导入到欧陆表，输出样品温度。

基于以上技术方案，进一步优选的，所述样品托包含蚊香型灯丝、氮化硼绝缘陶瓷片、绝缘垫片、圆孔状的钼样品板、金属块，钽材质压片、以及热偶触头。

所述样品托根据样品厚度选择不同的装配方式，待测单晶样品厚度为0.5～1.0mm，装配方式为：从上至下依次设置一块圆孔状的钼样品板、钽材质压片、两块氮化硼绝缘陶瓷片、两块用于导电的金属块、两块用于连接簧片的金属块、绝缘垫片、一块圆孔状的钼样品板，所述待测单晶样品固定于两块氮化硼绝缘陶瓷片之间，所述蚊香型灯丝固定于两块导电金属块之间。

待测单晶样品厚度为1.0～1.5mm，装配方式为：从上至下依次设置一块圆孔状的钼样品板、钽材质压片、两块氮化硼绝缘陶瓷片、绝缘垫片、两块用于连接簧片的金属块、绝缘垫片、一块圆孔状的钼样品板，所述蚊香型灯丝固定于两块连接簧片的金属块之间，待测单晶样品固定于蚊香型灯丝和钽材质压片之间，所述蚊香型灯丝固定于两块导电金属块之间。

所述位于上下的圆孔状的钼样品板上有螺纹孔，通过钼螺纹杆将样品托装配固定，所述的位于最上面的圆孔状的钼样品板上设置热偶触头。圆孔状的钼样品板可以提供更大面积的可探测样品的可探测区域，同时可以减小样品板在程序升温过程中带来的背景干扰；蚊香型灯丝以及氮化硼绝缘陶瓷片可以起到支撑以及固定待测单晶样品的作用，所述样品托装配完成后的的总厚度是5.5mm，两侧有0.1mm深，0.2mm宽的的凹槽，其目的主要是兼容扫描隧道显微镜的样品台。

基于以上技术方案，进一步优选的，所述程序升温夹持板材质为金属铜，能够快速传热；所述高温夹持板的材质为铁铬镍合金，其导热系数低，可以有效降低高温夹持板与程序升温夹持板之间热量传递，降低高温加热时热量耗；所述样品托材质为金属钼，所述程序升温夹持板设置有圆形通孔，所述的圆形通孔与样品托的蚊香型灯丝正对，可以防止由于灯丝加热带来的样品台的背景脱附，同时在所述圆形通孔处包裹钽箔，通孔可以防止了样品台局部升温带来的杂质脱附，同时，防止周边导线被辐射加热，防止样品台上的导线受热辐射融化，蚊香型灯丝的材质为钨，直径是0.3mm。

基于以上技术方案，进一步优选的，所述样品托还包括两根K型热偶引线；所述两根K型热偶引线的一端与热偶触头连接，另一端通过点焊的方式焊接于待测单晶样品的同一位置，K型或着C型热偶引线可以实现样品温度的实时输出；通电加热时，样品将灯丝短接，辐射加热转为直流加热，实现样品的可控快速升温。

再一方面，本发明提供一种上述表面分析装置的使用方法，具体步骤包括：

(1)将待测样品固定到样品托上，样品托连接到样品台上；

(2)设置程序升温脱附仪的升温速率之后，通过外置控温软件，控制加热电压给样品台加热，实现样品升温；

(3)通过程序升温脱附仪实时记录小分子脱附信息，待升到所需温度后，停止加热，关联脱附分子的信号强度与样品温度，得到程序升温谱图；

(4)通过传样机制的设置，将待测样品传入扫描隧道显微镜腔室，进行进一步地结构表征。

基于以上技术方案，优选的，上述样品台用于上述表面分析装置的实施步骤：1.样品托的实施步骤

(1)测量样品的厚度，根据对应的厚度，选择特定的装配方式：厚样品(1.0mm～1.5mm)，蚊香型灯丝和程序升温夹持板簧片直接接触；薄样品(0.5mm～1.0mm)，蚊香型灯丝高于程序升温夹持板簧片，通过之间金属块实现间接接触，所述样品托的在装配完成之后保证样品正面距离样品托的上平面距离小于0.3mm，有利于方便扫描隧道显微镜成像，同时也利于有效质谱信号的采集，减弱背景信号干扰。

(2)分别将热偶触头的两根K型热偶引线与K型测温热偶刷接头连接，然后将热偶点焊到样品侧面。

2.表面分析装置的实施步骤

(1)将待测单晶样品按样品厚度以特定装配方式安装到样品托上，置于程序升温夹持板进行处理(氩刻/氧烧/退火/蒸镀)，制备出特定形貌的模型催化剂。

(2)通过传样机制，传到近常压扫描隧道显微镜腔室，进行原子尺度高分辨成像，得到相应模型催化剂的结构信息。

(3)通过传样机制，将样品传到程序升温脱附仪腔室，通过外置液氮冷却方式，将样品降至所需要的温度。

(4)打开程序升温脱附仪腔室上气体漏阀，通入一定暴露量的探针气体，记录通入时间以及压力，得到相应的气体暴露量。

(5)通过传样机制，将待测样品单晶面旋转至正对质谱探测仪，同时记录当前样品的温度。打开质谱软件、控温软件以及对应硬件开关。

(6)对样品进行程序升温(3～5K/s)，同时通过多通道模式记录质谱的的信号(关注的探针分子以及反应生成物分子)随着样品的温度的变化，待升到特定温度后，停止对样品加热以及关停采谱软件，待温度降至室温后，排空液氮。

(7)通过传样机制，将样品传入近常压扫描隧道显微镜腔室，进行进一步地结构表征。这有助于将得到的探针分子的反应活性数据与超高真空系统中的结构表征结果进行进一步关联。

3.高温夹持板的实施步骤

(1)将双层样品托或则单层样品托(市购)插入到高温夹持板上，连接好温度输出装置，读出此时样品的温度。

(2)根据样品所需要加热到的具体温度，分别选择灯丝辐射加热(300K～600K)，以及电子束加热方式(600K～1000K)，以及直流加热。

(3)辐射加热：直接将灯丝电流调到特定的值，欧陆表上显示的样品温度会逐渐升到起始设定温度，维持设定时间即可关闭。灯丝辐射加热直接将灯丝电流调到特定的值，然后观测样品的实时温度，到指定温度后，维持所需时间后即可以关闭。

(4)电子束加热方式首先是先将灯丝电流设置为1.0A，保持1min，然后对样品施加1kV的高压，稳定后，进一步继续提高灯丝电流至有所需束流，达到所需束流值并维持稳定，同时观测样品的实时温度，维持所需时间后即可以关闭。

(5)直流加热：对于金属以及半导体可以实现直流加热，通过直流电源对样品进行直流加热，首先设定电源的最大电流，然后缓慢提高电压，同时观察电流有缓慢上升趋势，待到特定电压，电流迅速变大，达到设定最大值，缓慢调小电压，直到电流到达设定值为止，维持一定时间即可关闭。

(6)装配完成之后，通过万用表测量样品与上下板之间的电阻，保证之间绝缘。

有益效果

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，因而可以同时得到样品的实空间的结构信息以及化学吸附以及化学反应等相关的谱学信息，实现了模型催化中的结构与活性的关联。

(2)本发明装置中样品托的巧妙设计，结合了近常压扫描隧道显微镜的双层托的基本特点，同时兼顾了程序升温夹持对于样品托的要求，设计出背景污染信号小，装样便捷，传样迅速的样品托，同时给出了两者不同的装配方式，可以兼容不同厚度的单晶样品。

(3)加热升温的时候，由于待测单晶样品短接了灯丝，实现了辐射加热转变为直流加热，可以避免常规辐射加热带来的背景污染，使得测得的脱附谱信息更加准确，同时达到的最高温度以及达到该所需要的时间相对于传统灯丝辐射加热都得到很大的改善，加热的效率更高。

(4)本发明装置中的同时具有程序升温使用的程序升温夹持板与处理一般样品的高温夹持，可以直接在程序升温夹持板上处理待测单晶样品；同时高温夹持板可以兼容其他分析设备所需的双层，单层样品托(市购)以及本发明的样品托，拓宽了该设备的兼容性。

(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，能在模型催化剂的制备、结构表征以及活性测试中发挥极大的作用。

附图说明

图1为本发明样品台的主结构示意图；

图2为样品托夹持板的正视图；

图3a、b和c分别为待测单晶样品厚度为0.5～1.0mm时样品托的俯视图、正视图和爆炸图；图3d、e和f分别为待测单晶样品厚度为1.0～1.5mm时样品托的俯视图、正视图和爆炸图；

图4为实施例1测试的样品升温曲线；

其中，1：变温杆；2：程序升温夹持板；3：高温夹持板；4：样品托；5：蓝宝石绝缘体；6：K型测温热偶刷；7：C型测温热偶刷；8：簧片；9：高压接线头；10：绝缘陶瓷孔；11：铂热电阻(Pt100)；12：螺旋状灯丝；13陶瓷罩 14：蚊香型灯丝；15：单晶样品；16：用于导电的金属块；17：绝缘垫片；18：氮化硼绝缘陶瓷片；19：热偶触头；20：钽材质压片；21：M1.2钼金属螺杆；22：圆孔状钼样品板；23：用于连接簧片的金属块。

具体实施方式

一种真空互联的表面分析装置，所述装置包括程序升温脱附仪，扫描隧道显微镜和传样机制；所述程序升温脱附仪的腔体与扫描隧道显微镜的腔体通过真空管道连接；所述程序升温脱附仪设置有有四维驱动装置，所述程序升温脱附仪的腔体内部设置有样品台，所述样品台包括样品托，所述传样机制包括传样杆，用于将样品托在程序升温脱附仪的样品台和扫描隧道显微镜腔体之间通过所述的真空管道传输；所述四维驱动装置用于驱动样品台从而带动样品托转换角度；变温杆置于四维驱动装置上，结合位于腔体上的传样杆可以实现样品托在扫描隧道显微镜腔室和程序升温脱附仪器腔室之间相互的转移，在实验时通过四维驱动装置实现样品托的位置在四个维度的调整，实现待测样品单晶面的位置与质谱采样头位置相互对准，待测单晶样品表面制备出来的结构规整的模型催化剂在扫描隧道显微镜下表征后，在超高真空下传递到程序升温脱附仪样品台进行表征，实现表面吸附的探针分子键合强度以及共吸附分子之间的反应活性的测定。变温杆通过四维移动台实现与腔体对接，腔体上配备有VAT微漏阀，可控向样品上通入特定暴露量的气体，实现样品表面气体的低温吸附。同时还有质谱，可以在实验过程中实时检测脱附产物。通过四维移动台以及传样杆可以实现样品在程序升温脱附仪腔室以及扫描隧道显微镜腔室之间得传递；同时通过调整高度以及角度，可以实现待测样品的正面正对质谱，减少背景信号。

本发明中用于上述表面分析装置的样品台包括：

变温杆1，程序升温夹持板2、高温夹持板3以及样品托4，变温杆1与程序升温夹持板2以及高温夹持板3从上至下依次通过套在PEEK绝缘套中的螺杆连接，同时两者之间放置有长方体的蓝宝石绝缘体5，蓝宝石绝缘体上下面还设置有银箔；变温杆中部设置有一个法兰盘，所述变温杆上部设置有5个CF16的法兰接口以及2个KF25的法兰接口，所述5个CF16法兰上方都设置有真空电极，用于实现控温部件的真空环境；程序升温夹持板包括K型热偶刷6、样品托4、簧片8和铂热电阻11；程序升温夹持板2中间设置有一个凹槽，凹槽上下设置的两个簧片8将样品托可拆卸连接于所述凹槽处，程序升温夹持板2设置圆形通孔，圆形通孔与样品托的蚊香型灯丝14正对，圆形通孔被钽箔包裹；K型测温热偶刷6位于程序升温夹持板2右侧，铂热电阻11位于程序升温夹持板的右侧面上方；K型测温热偶刷6与热偶触头19上的引线直接连接，可以输出样品实际温度，簧片8通过与样品托4上的连接簧片的金属块连接，实现样品托4与程序升温夹持板2的可拆卸连接；高温夹持板3包括：C型测温热偶刷7，陶瓷罩13，螺旋状灯丝12，直流电极板、簧片8、以及高压接线头9，螺旋状灯丝12的材质为钍钨合金，可以显著降低热电子的功函，提高电子束加热的发射效率高温，高温夹持板3中间设置有一个凹槽，凹槽上下设置有簧片8，凹槽内部设置有陶瓷罩13，螺旋状灯丝12以及直流电极板，高压接线头9位于样品台的右侧面上方，C型测温热偶刷7位于样品台的右侧，高温夹持板右下方设置有绝缘陶瓷孔10；根据所需要的温度，可以对单层以及双层样品托(市购)进行普通的辐射加热。高温夹持板3的热偶引线和高压线外侧都套有高压绝缘陶瓷，实现彼此之间的高压绝缘；所述高温夹持板3的螺旋状灯丝12以及直流电极连接的导线使用的是漆包线，可以实现彼此绝缘。

K型测温热偶刷6的正负极材料分别为：镍铬(+)，镍硅(—)；其使用的温度区间是78K～1500K；C型测温热偶刷7的正负极材料均为铼钨合金，正极优选含铼量5％，负极优选含铼量26％，其使用的温度区间是273K～2600K。通过热偶触头的2根K型热偶引线与K型测温热偶刷6的正负极连接：K型热偶引线材料为镍铬的一根连接K型测温热偶刷6的正极，K型热偶引线材料为镍铝的一根连接K型测温热偶刷6的负极。

样品托4包含蚊香型灯丝14、氮化硼绝缘陶瓷片18、绝缘垫片17、圆孔状的钼样品板22、金属块16，钽材质压片20、以及热偶触头19、M1.2钼金属螺杆21；

待测单晶样品15厚度为0.5～1.0mm，装配方式为：从上至下依次设置一块圆孔状的钼样品板22、钽材质压片20、两块氮化硼绝缘陶瓷片18、两块用于导电金属块16、两块用于连接簧片的金属块23、绝缘垫片17、一块圆孔状的钼样品板22，所述待测单晶样品15固定于两块氮化硼绝缘陶瓷片18之间，所述蚊香型灯丝14固定于两块用于导电的金属块16之间。

通过程序升温夹持板2上的K型测温热偶刷6，可以实时输出样品的温度，然后通过“比例-积分-微分(PID)”的软件控制，实现待测样品的程序升温。通过样品台上的铂热电阻(Pt100)11可以测量样品台的低温端的温度信息，样品冷却程度。高温夹持板3配备了C型测温热偶刷7，同时通过外置高压隔离模块可以实时输出正偏压电子束轰击条件下的样品表面的温度信息，便于可控处理样品。

本发明的样品台工作原理如下：通过程序升温脱附仪与近常压成像系统真空互联，实现超高真空样品无污染转移样品。首先通过扫描隧道显微镜观测模型催化剂的高分辨结构，然后通过程序升温脱附仪，得到对应模型催化剂下的探针小分子键合信息以及共吸附分子间的反应活性的信息。并且该操作由于在超高真空下进行的实验，所以可以很好地确定活性相的结构以及活性，实现结构与活性之间的关联。

样品托的装配过程如下：

(1)选择特定的装样方式，根据待测样品的厚度，相应地准备好该装配方式对应样品托的零配件。

(2)将K型热偶引线一端与热偶触头连接后，另外一端点焊到样品侧面，根据选择的装配方式图，从上到下组装好样品托零部件，保证单晶面低于上样品板平面约0.35mm，整个样品托的厚度(上下样品板之间的间距)5.5mm。

(3)装配完成之后，检查单晶样品与样品托之间的绝缘性，通过测量两者之间的电阻，判断是否绝缘，如果电阻小于10兆欧，需要重新调整组装过程中绝缘垫片以及裂解氮化硼陶瓷所在的位置，直到电阻达到100兆欧。

(4)将装配好的样品托插入程序升温夹持板上。

上述样品台用于表面分析装置的使用方法：

(1)将待测单晶样品固定到样品托上，将样品托插入程序升温夹持板，在超高真空腔室中，通过对待测单晶样品采取一定程序的步骤(氩离子刻蚀，退火，蒸镀等)制备出结构规整的模型催化剂。

(2)借助于传样机制将样品托传递到扫描隧道显微镜成像腔室，通过高分辨的扫描隧道显微技术，得到待测单晶样品的具体结构。

(3)再次借助于传样机制将表征后的样品传递到程序升温夹持上，通入液氮将其降至所需温度后并暴露一定压力下特定时间的探针小分子，然后对样品进行程序升温脱附实验；也可以让样品共吸附不同的探针小分子，然后研究一定温度下分子的反应，使用质谱记录该对应分子的脱附信息，对应的脱附温度即反应的温度。

实施例1

本装置可以测定金(Au)、铜(Cu)、铂(Pt)金属衬底上的FeO纳米岛的晶格氧的脱附温度，推断对应的Fe-O键的键能，研究金属衬底对这里的键能的调控。这种基于超高真空条件下真空互联程序升温脱附仪装置与超高真空系统相连接。

将Fe蒸发源升温到合适温度(～1300K)进行除气，超高真空系统中制备的干净衬底样品Pt(111)，通过传扬装置直接转移至该装置的程序升温样品台上，通过真空漏气阀通入高纯O₂(99.999％)至1×10-7mbar，打开蒸发源挡板，沉积FeO薄膜至合适覆盖度。然后关闭蒸发源挡板，关闭氧气。待腔体真空恢复之后，将所得薄膜样品固定于样品托上，将样品托传入扫描隧道显微镜腔腔室进行结构分析。然后再传到程序升温夹持行脱附实验，通过外置软件，设定升温温度为3K/s，进行程序升温，同时采集质量数位32的脱附分子气相峰，记录对应的温度，如图1所示。通过脱附峰的信息，结合脱附动力学，得到对应的FeO/Pt(111)中的金属O键的键能。同样将金属衬底换成Au(111)以及Cu(111)，将所得到的键能信息与金属衬底以及结构氧化物的结构信息进行关联。

实施例2

本装置可以测定金(Au)、铜(Cu)、铂(Pt)金属衬底上的亚稳态的FeO₂纳米岛的晶格氧的脱附温度，推断对应的Fe-O键的键能，研究金属衬底对这里的亚稳态的氧化物键能的调控。

采用和实施案例1同样的制备方法，制备出FeO/Pt(111)。待腔体真空恢复之后，将所得薄膜样品固定于样品托上，将样品托传入扫描隧道显微镜腔室进行结构分析，然后通入0.1mbar O₂，再次进行成像，得到FeO₂/Pt(111)。接着传到程序升温夹持板进行脱附实验，通过外置软件，设定升温温度为3K/s，进行程序升温，同时采集脱附的质量数为32的气相分子峰，记录对应的温度(出现两个脱附峰，低温端对应FeO₂，高温端对应FeO)。通过脱附峰的信息，结合脱附动力学，得到对应的FeO₂/Pt(111)中的金属O键的键能。同样将金属衬底换成Au(111)以及Cu(111)，将所得到的键能信息与金属衬底以及结构氧化物的结构信息进行关联。

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 (9)

1.一种真空互联的表面分析装置，其特征在于所述装置包括程序升温脱附仪，扫描隧道显微镜和传样机制；所述程序升温脱附仪的腔体与扫描隧道显微镜的腔体通过真空管道连接；所述程序升温脱附仪设置有四维驱动装置，所述程序升温脱附仪的腔体内部设置有样品台，所述样品台包括样品托，所述传样机制用于将样品托在程序升温脱附仪的样品台和扫描隧道显微镜腔体之间通过所述的真空管道传输；所述四维驱动装置用于驱动样品台从而带动样品托转换角度。

2.一种用于权利要求1所述表面分析装置的样品台，其特征在于所述样品台包括变温杆、样品托夹持板以及样品托；所述变温杆、样品托夹持板以及样品托的材质均为导热材质；所述样品托夹持板位于变温杆下方，所述样品托夹持板与变温杆底部绝缘导热连接，所述样品托与样品托夹持板可拆卸导热连接；所述变温杆为中空结构，通过向变温杆中接灌入或者差抽液氮方式调控样品托的温度。

3.根据权利要求2所述的样品台，其特征在于所述的样品托夹持板表面设置有一个凹槽和用于将样品托固定于凹槽的簧片。

4.根据权利要求2所述的样品台，其特征在于所述的样品托夹持板包括程序升温夹持板和/或高温夹持板，所述高温夹持板位于程序升温夹持板的下方，所述高温夹持板与程序升温夹持板的底部绝缘导热连接；所述的样品托与程序升温夹持板或高温夹持板可拆卸导热连接。

5.根据权利要求4所述的样品台，其特征在于，所述样品托夹持板为高温夹持板时，凹槽内部设置有陶瓷罩，螺旋状灯丝以及直流电极板。

6.根据权利要求5所述的样品台，其特征在于所述样品托包含蚊香型灯丝、氮化硼绝缘陶瓷片、绝缘垫片、圆孔状的钼样品板、金属块，钽材质压片、以及热偶触头；

所述样品托根据样品厚度选择不同的装配方式，待测单晶样品厚度为0.5～1.0mm，装配方式为：从上至下依次设置一块圆孔状的钼样品板、钽材质压片、两块氮化硼绝缘陶瓷片、两块用于导电金属块、两块用于连接簧片的金属块、绝缘垫片、一块圆孔状的钼样品板，所述待测单晶样品固定于两块氮化硼绝缘陶瓷片之间，所述蚊香型灯丝固定于两块导电金属块之间；

待测单晶样品厚度为1.0～1.5mm，装配方式为：从上至下依次设置一块圆孔状的钼样品板、钽材质压片、两块氮化硼绝缘陶瓷片、绝缘垫片、两块用于连接簧片的金属块、绝缘垫片、一块圆孔状的钼样品板，所述蚊香型灯丝固定于两块连接簧片的金属块之间，待测单晶样品固定于蚊香型灯丝和钽材质压片之间，所述蚊香型灯丝固定于两块导电金属块之间；

所述位于上下的圆孔状的钼样品板上有螺纹孔，通过钼螺纹杆将样品托装配固定，所述的位于最上面的圆孔状的钼样品板上设置热偶触头。

7.根据权利要求6所述的样品台，其特征在于：所述程序升温夹持板材质为金属铜；所述高温夹持板的材质为铁铬镍合金，所述样品托材质为金属钼，所述程序升温夹持板设置有圆形通孔，所述的圆形通孔与样品托的蚊香型灯丝正对；所述的圆形通孔用钽箔包裹。

8.根据权利要求7所述的样品台，其特征在于：所述样品托还包括两根K型热偶引线；所述两根K型热偶引线的一端与热偶触连接，另一端通过点焊的方式焊接于待测单晶样品的同一位置。

9.一种权利要求书1所述表面分析装置的使用方法，具体步骤包括：

(1)将待测样品固定到样品托上，样品托连接到样品台上；

(2)设置程序升温脱附仪的升温速率之后，通过外置控温软件，控制加热电压给样品台加热，实现样品升温；

(3)通过程序升温脱附仪实时记录小分子脱附信息，待升到所需温度后，停止加热，关联脱附分子的信号强度与样品温度，得到程序升温谱图；

(4)通过传样机制的设置，将样品托传入扫描隧道显微镜腔室，进行进一步地结构表征。

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