CN116130140A - 多层膜劳厄透镜 - Google Patents

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CN116130140A CN202310183673.4A CN202310183673A CN116130140A CN 116130140 A CN116130140 A CN 116130140A CN 202310183673 A CN202310183673 A CN 202310183673A CN 116130140 A CN116130140 A CN 116130140A
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冀斌
常广才
岳帅鹏
李明
刘鹏
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    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
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Abstract

本申请公开了一种多层膜劳厄透镜，包括层叠设置的多层功能膜层，各所述功能膜层相对于所述多层膜劳厄透镜的透光轴倾斜设置，所述功能膜层包括层叠设置的吸收层和间隔层，相邻所述功能膜层的所述吸收层和所述间隔层交替设置；至少部分层数区间内的所述功能膜层的梯度呈线性变化。上述方案，由于至少部分层数区间内的所述功能膜层的梯度呈线性变化，也即相邻功能膜层的梯度增量是恒定的，这样，仅需要对梯度呈线性变化的所述功能膜层进行统一的标定，也即在这些层进行制备时，采用统一的制备工艺及参数，因此，降低了楔形多层膜劳厄透镜的制备难度。

Description

多层膜劳厄透镜
技术领域
本发明一般涉及硬X射线聚焦光学元件技术领域，具体涉及一种多层膜劳厄透镜。
背景技术
X射线显微可以实现复杂材料中纳米尺度的密度、元素组成、元素价态、应变、形貌、磁性、原子和电子结构、以及动力学的表征，是生物、医学、材料、物理与化学等研究领域重要的研究工具。X射线聚焦尺寸直接影响到X射线显微镜的表征能力，目前，多层膜劳厄透镜(Multilayer Laue Lens，MLL)是实现小于10nmX射线聚焦难度最小的光学元件。
多层膜劳厄透镜从结构上又可以分为倾斜型以及楔形，其中楔形相比于倾斜型拥有更高的衍射效率以及更大的数值孔径，可以实现更高分辨、高效的聚焦。但是楔形多层膜劳厄透镜制备工艺难度较大，因为楔形多层膜劳厄透镜由近万层梯度薄膜组成，每层薄膜梯度都不相同，且呈多项式关系变化，因此若制备理想的楔形多层膜劳厄透镜，需要对近万种梯度薄膜进行标定，这在工艺上几乎是不可能的。
发明内容
本申请期望提供一种多层膜劳厄透镜，至少用于降低楔形多层膜劳厄透镜的制备难度。
本发明提供一种多层膜劳厄透镜，包括层叠设置的多层功能膜层，各所述功能膜层相对于所述多层膜劳厄透镜的透光轴倾斜设置，所述功能膜层包括层叠设置的吸收层和间隔层，相邻所述功能膜层的所述吸收层和所述间隔层交替设置；至少部分层数区间内的所述功能膜层的梯度呈线性变化。
作为可实现方式，同一所述功能膜层中的所述吸收层与所述间隔层厚度相同。
作为可实现方式，所述吸收层的材料包括WSi2和Nb中的至少任一种，所述间隔层的材料包括Si和Al中的至少任一种。
作为可实现方式，至少部分层数区间内的各所述功能膜层的梯度采用如下方式获得：
rn＝fλ+n2λ2/4；
Dn＝fλ/rn；
thn＝rn/2；
对预定层数区间内各所述功能膜层的thn进行线性拟合，获得所述梯度；
其中，n为所述多层膜劳厄透镜自厚向薄方向所述功能膜层的层数，rn为第n层所述功能膜层的位置半径，λ为所述多层膜劳厄透镜的工作波长，f为所述多层膜劳厄透镜的焦距，Dn为第n层所述功能膜层的厚度，thn为未线性拟合的各所述功能膜层的理论梯度值。
作为可实现方式，根据以下关系式确定所述多层膜劳厄透镜的所述功能膜层的最大膜层数N；
DN＝2*drout；
其中，DN为第N层所述功能膜层的厚度；drout为最外层所述吸收层或所述间隔层的厚度。
作为可实现方式，对所有所述功能膜层中70％以上膜层的所述thn进行线性拟合。
作为可实现方式，对自预定层所述功能膜层至最外层所述功能膜层的所述thn进行线性拟合。
作为可实现方式，对所有所述功能膜层中80％的膜层的所述thn进行线性拟合。
上述方案，由于至少部分层数区间内的所述功能膜层的梯度呈线性变化，也即相邻功能膜层的梯度增量是恒定的，这样，仅需要对梯度呈线性变化的所述功能膜层进行统一的标定，也即在这些层进行制备时，采用统一的制备工艺及参数，因此，降低了楔形多层膜劳厄透镜的制备难度。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的多层膜劳厄透镜的结构示意图；
图2为本发明方案功能膜层的梯度呈线性变化的多层膜劳厄透镜，与功能膜层的梯度呈多项式关系变化的楔形多层膜劳厄透镜的每层功能膜层梯度与功能膜层层数的关系对比图；
图3为本发明方案功能膜层的梯度呈线性变化的多层膜劳厄透镜，与功能膜层的梯度呈多项式关系变化的楔形多层膜劳厄透镜的1维聚焦对比图；
图4为本发明方案功能膜层的梯度呈线性变化的多层膜劳厄透镜，与功能膜层的梯度呈多项式关系变化的楔形多层膜劳厄透镜在实现聚焦时焦点附近的强度分布对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所示，本发明提供一种多层膜劳厄透镜，该多层膜劳厄透镜例如但不限于为楔形(Wedged)结构的多层膜劳厄透镜，其包括层叠设置的多层功能膜层1，各所述功能膜层1相对于所述多层膜劳厄透镜的透光轴倾斜设置，所述功能膜层1包括层叠设置的吸收层11和间隔层12，相邻所述功能膜层1的所述吸收层11和所述间隔层12交替设置；至少部分层数区间内的所述功能膜层1的梯度呈线性变化。
这里所说的梯度可以认为是功能膜层1相对于所述多层膜劳厄透镜的透光轴的倾斜角度θ。
其中，图1中Z轴为该多层膜劳厄透镜的透光轴。
例如，第n层所述功能膜层1的梯度为m；第n-1层所述功能膜层1的梯度为m+i，第n+1层所述功能膜层1的梯度为m-i；第n-2层所述功能膜层1的梯度为m+2i，第n+2层所述功能膜层1的梯度为m-2i。其中，m和i的具体值可以根据实际情况确定。
该多层膜劳厄透镜例如可以在衬底2上依次交替沉积吸收层11和间隔层12，其中，可以是先沉积吸收层11然后再沉积间隔层12，随后再沉积一层厚度减薄的吸收层11和间隔层12，以此规律，直至沉积预定数量的吸收层11和间隔层12；也可以是先沉积间隔层12然后再沉积吸收层11，随后再沉积一层厚度减薄的间隔层12和吸收层11，以此规律，直至沉积预定数量的吸收层11和间隔层12。其中，吸收层11和间隔层12的沉积工艺可以通过采用化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition；CVD)、等离子体增强化学的气相沉积(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition；PECVD)、物理气相淀积(Physical VaporDeposition；PVD)、脉冲激光淀积(Pulsed Laser Deposition；PLD)、原子层淀积(AtomicLayer Deposition；ALD)、等离子体增强原子层淀积(PlasmaEnhanced Atomic LayerDeposition；PEALD)中的任一种。
上述方案，由于至少部分层数区间内的所述功能膜层1的梯度呈线性变化，也即相邻功能膜层1的梯度增量是恒定的，这样，仅需要对梯度呈线性变化的所述功能膜层1进行统一的标定，也即在这些层进行制备时，采用统一的制备工艺及参数，因此，降低了楔形多层膜劳厄透镜的制备难度，换句话说，本申请方案是对现有技术中楔形多层膜劳厄透镜的优化，将现有技术中相邻功能膜层的梯度呈多项式关系，优化为本申请方案中，至少部分相邻的功能膜层1的梯度呈线性变化，以降低加工难度，进而还可以降低制造成本。
作为可实现方式，为了进一步降低制备难度，可以在同一所述功能膜层1中沉积相同厚度的所述吸收层11与所述间隔层12，也即，同一所述功能膜层1中的所述吸收层11与所述间隔层12厚度相同。
作为可实现方式，所述吸收层11的材料包括WSi2和Nb中的至少任一种，所述间隔层12的材料包括Si和Al中的至少任一种。
例如，在其中一个示例中，所述吸收层11的材料采用WSi2，所述间隔层12的材料采用Si。
作为可实现方式，至少部分层数区间内的各所述功能膜层1的梯度采用如下方式获得：
rn＝nfλ+n2λ2/4；
Dn＝fλ/rn；
thetan＝rn/2f；
对预定层数区间内各所述功能膜层1的thetan进行线性拟合，获得所述梯度；
如图2所示，计算获得的功能膜层1的thetan为未线性拟合的各所述功能膜层1的理论梯度值，其曲线B呈多项式关系变化，也即，此时的thn与现有技术中相同，然后对thn进行线性拟合，获得本申请中线性变化的梯度，如直线A所示。
其中，n为所述多层膜劳厄透镜自厚向薄方向所述功能膜层1的层数(也可以认为是从所述多层膜劳厄透镜自衬底2向边缘，所述功能膜层1的层数)，rn为第n层所述功能膜层1的位置距离(也即图1中自衬底2至第n层所述功能膜层1在X轴方向的尺寸)，λ为所述多层膜劳厄透镜的工作波长，f为所述多层膜劳厄透镜的焦距，Dn为第n层所述功能膜层1的厚度，thn为未线性拟合的各所述功能膜层1的理论梯度值。
本文所说的厚薄仅是用于区别不同膜层的厚度关系，不涉及其具体的厚度数值。
这里的理论梯度值是指，在进行线性拟合前，多层膜劳厄透镜呈多项式变化的梯度。
作为可实现方式，根据以下关系式确定所述多层膜劳厄透镜的所述功能膜层1的最大膜层数N；
DN＝2*drout；
其中，DN为第N层所述功能膜层1的厚度；drout为最外层所述吸收层11或所述间隔层12的厚度。
作为可实现方式，对所有所述功能膜层1中70％以上膜层的所述thn进行线性拟合。
作为可实现方式，对自预定层所述功能膜层1至最外层所述功能膜层1的所述thn进行线性拟合。
具体自第几层开始进行线性拟合，可以根据实际情况确定，这里不对其进行唯一性的限定。
例如，但不限于，该多层膜劳厄透镜共有13750层所述功能膜层1，可以对第3000层到13750层的所述功能膜层1的所述thn进行线性拟合。
其中，多层膜劳厄透镜的功能膜层1的层数可以根据入射光能量，聚焦分辨率、焦距、总膜厚(所有吸收层11和间隔层12的厚度)以及最外层膜层(最外层吸收层11或最外层间隔层12)厚度来确定。例如，入射光能量E＝10keV，要求的聚焦分辨率为10nm，选定焦距为4mm，此时的总膜厚应为10μm，根据镀膜能力以及分辨率要求，选择最外层厚度为3nm，根据计算，总膜层数为13750层。
作为可实现方式，对所有所述功能膜层1中80％的膜层的所述thn进行线性拟合。
为了验证本方案功能膜层1的梯度呈线性变化的多层膜劳厄透镜的功能完全可以取代功能膜层1的梯度呈多项式关系变化的多层膜劳厄透镜，对本方案功能膜层1的梯度呈线性变化的多层膜劳厄透镜进行理论验证。
利用Takagi-Taupin理论，计算负1级衍射效率随深度z变化的衍射曲线η-1(z)；
根据衍射曲线η-1(z)选取效率最大的最佳深度Zopt＝10μm；
根据最佳深度Zopt，计算出射面的电场分布，利用基尔霍夫-菲涅尔衍射积分，得到像面上的光强分布，获得多层膜Laue透镜的聚焦分辨率为8nm。
根据上述理论验证，以获得本方案功能膜层1的梯度呈线性变化的多层膜劳厄透镜，与现有技术中功能膜层1的梯度呈多项式关系变化的楔形多层膜劳厄透镜的1维聚焦对比图，如图3所示；以及，本方案功能膜层1的梯度呈线性变化的多层膜劳厄透镜，与现有技术中功能膜层1的梯度呈多项式关系变化的楔形多层膜劳厄透镜在实现聚焦时焦点附近的强度分布对比图，如图4所示。
由图3可知，本方案功能膜层1的梯度呈线性变化的多层膜劳厄透镜，与现有技术中功能膜层的梯度呈多项式关系变化的楔形多层膜劳厄透镜的强度分布近似，且在焦距f(8nm)，以及二倍焦距2f(16nm)处的强度均最高，其中，曲线C为现有技术中功能膜层的梯度呈多项式关系变化的楔形多层膜劳厄透镜的强度分布曲线，曲线D为本方案功能膜层的梯度呈线性变化的多层膜劳厄透镜的强度分布曲线。此外，图4中(a)为现有技术中功能膜层1的梯度呈多项式关系变化的楔形多层膜劳厄透镜在实现聚焦时焦点附近的强度分布，(b)为本方案功能膜层1的梯度呈线性关系变化的多层膜劳厄透镜在实现聚焦时焦点附近的强度分布，由图不难看出，其二者强度分布几乎一致，且强度差值较小，本方案功能膜层1的梯度呈线性变化的多层膜劳厄透镜，在极大的降低制造难度的情况下，其功能完全可以取代现有技术中功能膜层1的梯度呈多项式关系变化的楔形多层膜劳厄透镜。
需要理解的是，上文如有涉及术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种多层膜劳厄透镜，包括层叠设置的多层功能膜层，各所述功能膜层相对于所述多层膜劳厄透镜的透光轴倾斜设置，所述功能膜层包括层叠设置的吸收层和间隔层，相邻所述功能膜层的所述吸收层和所述间隔层交替设置；其特征在于，至少部分层数区间内的所述功能膜层的梯度呈线性变化。
2.根据权利要求1所述的多层膜劳厄透镜，其特征在于，同一所述功能膜层中的所述吸收层与所述间隔层厚度相同。
3.根据权利要求1所述的多层膜劳厄透镜，其特征在于，所述吸收层的材料包括WSi2和Nb中的至少任一种，所述间隔层的材料包括Si和Al中的至少任一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的多层膜劳厄透镜，其特征在于，至少部分层数区间内的各所述功能膜层的梯度采用如下方式获得：
rn＝fλ+n2λ2/4；
Dn＝fλ/rn；
thn＝rn/2；
对预定层数区间内各所述功能膜层的thn进行线性拟合，获得所述梯度；
其中，n为所述多层膜劳厄透镜自厚向薄方向所述功能膜层的层数，rn为第n层所述功能膜层的位置半径，λ为所述多层膜劳厄透镜的工作波长，f为所述多层膜劳厄透镜的焦距，Dn为第n层所述功能膜层的厚度，thn为未线性拟合的各所述功能膜层的理论梯度值。
5.根据权利要求4所述的多层膜劳厄透镜，其特征在于，根据以下关系式确定所述多层膜劳厄透镜的所述功能膜层的最大膜层数N；
DN＝2*drout；
其中，DN为第N层所述功能膜层的厚度；drout为最外层所述吸收层或所述间隔层的厚度。
6.根据权利要求4所述的多层膜劳厄透镜，其特征在于，对所有所述功能膜层中70％以上膜层的所述thn进行线性拟合。
7.根据权利要求6所述的多层膜劳厄透镜，其特征在于，对自预定层所述功能膜层至最外层所述功能膜层的所述thn进行线性拟合。
8.根据权利要求6或7所述的多层膜劳厄透镜，其特征在于，对所有所述功能膜层中80％的膜层的所述thn进行线性拟合。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117575901A (zh) * 2024-01-11 2024-02-20 浙江大学杭州国际科创中心 基于多层膜劳厄透镜的x射线相衬显微拼接方法及系统
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