CN117347408A - 薄层材料的缺陷检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄层材料的缺陷检测装置和方法，该缺陷检测装置包括扫描系统和探测器；扫描系统用于将H2+离子定向至薄层材料上；探测器用于检测该H2+离子从薄层材料经过后的H2+离子和/或产生的H+离子，以基于H2+离子和/或H+离子检测结果确定薄层材料是否存在缺陷。本发明通过扫描系统将H2+离子定向至薄层材料上；通过探测器检测薄层材料上的H2+离子和/或H+离子，以基于H2+离子和/或H+离子检测结果确定薄层材料是否存在缺陷，能够快速、简单的实现基于H2+离子对薄层材料缺陷的检测，提高了薄层材料缺陷检测的精确度。
Description
技术领域
本发明涉及薄层材料检测技术领域，特别涉及一种薄层材料的缺陷检测装置和方法。
背景技术
二维薄层材料有重要的应用，如石墨烯、过渡金属硫属化合物等，因其独特的物理和化学性质在许多领域显示出巨大的应用潜力。这些材料具有高的电导率、优异的热性能、高的强度和韧性等特点。因此，它们在电子、光子、能源存储和转换等领域都有广泛的应用。然而，这些应用的性能很大程度上取决于薄层材料的结构完整性和质量。缺陷、裂纹或其它结构不均匀性都可能严重影响其性能。
因此薄层材料缺陷检测是非常重要的应用环节。对于二维薄层材料，尤其是单层或几层的结构，其性能与其结构完整性和质量密切相关。因此，对这些薄层材料进行高精度、高分辨率的缺陷检测变得至关重要。只有确保了材料的高质量和完整性，才能确保其在实际应用中的最佳性能。
现有的薄层材料缺陷检测技术包括扫描电子显微镜(SEM)和光学显微镜。扫描电子显微镜提供了纳米级别的高分辨率图像，能够清晰地观察到薄层材料的表面和内部结构。然而，对于单层或几层的二维材料，其高透明性使得高能电子束难以检测其缺陷。此外，描电子显微镜操作复杂，需要在高真空环境下进行，可能会对样品造成损伤。光学显微镜操作简单，适用于大面积的样品观察。但其分辨率受到光波长的限制，难以检测微小缺陷。对于单层或几层的二维材料，其高透明性也限制了光学显微镜的检测能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中现有的薄层材料缺陷检测技术，存在检测的精确度低的缺陷，提供一种薄层材料的缺陷检测装置和方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明第一方面提供了一种薄层材料的缺陷检测装置，所述缺陷检测装置包括扫描系统和探测器；
所述扫描系统用于将H2+离子定向至薄层材料上；
所述探测器用于检测所述H2+离子从所述薄层材料经过后的H2+离子和/或产生的H+离子，以基于所述H2+离子和/或所述H+离子检测结果确定所述薄层材料是否存在缺陷。
较佳地，所述探测器包括下游探测器；
所述下游探测器用于检测所述H2+离子从所述薄层材料经过后的H2+离子和/或产生的H+离子，以基于所述H2+离子和/或所述H+离子检测结果确定所述薄层材料是否存在缺陷。
较佳地，所述下游探测器具体用于若检测出所述薄层材料上有H2+离子，则确定所述薄层材料存在缺陷。
较佳地，所述扫描系统具体用于将H2+离子定向至薄层材料上，并将所述H2+离子分解成所述H+离子。
较佳地，所述下游探测器具体还用于检测所述薄层材料上的H2+离子的射线强度值以及所述H+离子的射线强度值，基于H2+离子的射线强度值以及所述H+离子的射线强度值得到所述薄层材料的第一平面分布信息，并在检测出所述第一平面分布信息与预设平面分布信息不匹配时，确定所述薄层材料存在缺陷。
较佳地，所述缺陷检测装置还包括H2+离子源系统；
所述H2+离子源系统用于提供H2+离子。
较佳地，所述探测器还包括上游探测器；
所述上游探测器用于检测H2+离子与所述薄层材料碰撞后产生的电子，以基于所述电子确定入射光的照射在所述薄层材料上的位置信息。
较佳地，所述下游探测器具体还用于基于H2+离子的射线强度值、所述H+离子的射线强度值以及所述位置信息得到第二平面分布信息，并在检测出所述第二平面分布信息与所述预设平面分布信息不匹配时，确定所述薄层材料存在缺陷。
较佳地，所述H2+离子源系统包括电子回旋共振离子源、引出电极、分析磁铁、聚焦电极、加速电极和高压电源中的至少一种。
本发明第二方面提供了一种薄层材料的缺陷检测方法，所述缺陷检测方法应用于所述薄层材料的缺陷检测装置，所述缺陷检测方法包括：
将H2+离子定向至薄层材料上；
检测所述H2+离子从所述薄层材料经过后的H2+离子和/或产生的H+离子，以基于所述H2+离子和/或所述H+离子检测结果确定所述薄层材料是否存在缺陷。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
本发明通过扫描系统将H2+离子定向至薄层材料上；通过探测器检测该H2+离子从薄层材料经过后的H2+离子和/或产生的H+离子，以基于H2+离子和/或H+离子检测结果确定薄层材料是否存在缺陷，能够快速、简单的实现基于H2+离子对薄层材料缺陷的检测，提高了薄层材料缺陷检测的精确度。
附图说明
图1为本发明实施例1的薄层材料的缺陷检测装置的模块示意图。
图2为本发明实施例2的薄层材料的缺陷检测方法的流程图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本实施例提供的一种薄层材料的缺陷检测装置，如图1所示，该缺陷检测装置包括扫描系统1和探测器2；
扫描系统1用于将H2+离子定向至薄层材料上；
本实施例中，扫描系统可以是任何能够将H2+离子定向到薄层材料上的设备，例如，扫描系统可以包括电磁透镜或扫描线圈。
探测器2用于检测H2+离子从薄层材料经过后的H2+离子和/或产生的H+离子，以基于H2+离子和/或H+离子检测结果确定薄层材料是否存在缺陷。
需要说明的是，探测器检测从薄层材料过来的离子束，在整个检测过程中会对H2+离子及H+离子有反应。对于半导体探测器，是对入射粒子的能量有反应，能量高的粒子产生的二次电子倍增比较多，因此探测器检测到的计数比较多；能量较低的粒子检测到的计数比较少或者没有。根据接收到的粒子能量的不同(这个能量取决于入射粒子的能量和入射粒子在薄层上的能量损失)，选取不同的探测器，因为不同的半导体探测器对入射粒子的能量响应是不一样的。
本实施例通过扫描系统将H2+离子定向至薄层材料上；通过探测器检测该H2+离子从薄层材料经过后的H2+离子和/或产生的H+离子，以基于H2+离子和/或H+离子检测结果确定薄层材料是否存在缺陷，能够快速、简单的实现基于H2+离子对薄层材料缺陷的检测，提高了薄层材料缺陷检测的精确度。
在一可选的实施例中，如图1所示，探测器2包括下游探测器21；
下游探测器21用于检测H2+离子从薄层材料经过后的H2+离子和/或产生的H+离子，以基于H2+离子和/或H+离子检测结果确定薄层材料是否存在缺陷。
本实施例中，下游探测器21可以是任何能够检测到从薄层材料散射出来的射线的设备，例如，下游探测器21可以包括半导体探测器或闪烁探测器。
需要说明的是，下游探测器21主要用于探测和分析H+离子和H2+离子；下游探测器21的类型是二次电子倍增器；其工作原理是：当H+离子或H2+离子撞击下游探测器表面时，会产生二次电子，这些电子会被放大并转化为电信号；另外，下游探测器21的优点是高灵敏度，能够探测低能量的H+离子和H2+离子，具有宽的动态范围，能够探测不同能量的H+离子和H2+离子。
在一可选的实施例中，下游探测器21具体用于若检测出薄层材料上有H2+离子，则确定薄层材料存在缺陷。
在具体实施过程中，如果下游探测器21检测出薄层材料上有H2+离子，说明该薄层材料是空的，则确定该薄层材料存在空洞缺陷。
在一可选的实施例中，扫描系统1具体用于将H2+离子定向至薄层材料上，并将H2+离子分解成H+离子。
在具体实施过程中，当能量较高的H2+离子束与薄层材料发生碰撞时，H2+离子会分解为能量较低的两个H+离子，这种特性使得H2+离子方法可以直接探测到薄层材料的缺陷，而不受到光的波长或电子束能量的限制。另外，这些H+离子的能量、方向和数量都与H2+离子与薄层材料的相互作用方式有关，因此也与薄层材料的缺陷有关。
在一可选的实施例中，下游探测器21具体还用于检测薄层材料上的H2+离子的射线强度值以及H+离子的射线强度值，基于H2+离子的射线强度值以及H+离子的射线强度值得到薄层材料的第一平面分布信息，并在检测出第一平面分布信息与预设平面分布信息不匹配时，确定薄层材料存在缺陷。
本实施例中，H2+离子与薄层材料发生碰撞，产生的射线被下游探测器检测到，即下游探测器检测薄层材料上的H2+离子的射线强度值以及H+离子的射线强度值，而H2+离子的射线和H+离子的射线在薄层材料上形成明暗相间的分布，进而基于H2+离子的射线强度值以及H+离子的射线强度值能够得到薄层材料的第一平面分布信息，再将第一平面分布信息与预设平面分布信息进行匹配，若二者不匹配，则确定薄层材料存在缺陷；若二者匹配，则确定薄层材料没有缺陷。
需要说明的是，预设平面分布信息是预期的薄层材料平面分布信息，该预设平面分布信息可以根据实际情况进行设置，此处不做具体限定。
本实施例基于H2+离子具有更高的灵敏度和分辨率，并通过下游探测器能够准确的检测出薄层材料的缺陷。
在一可选的实施例中，如图1所示，该缺陷检测装置还包括H2+离子源系统3；
H2+离子源系统3用于提供H2+离子。
本实施例中，H2+离子源系统包括电子回旋共振(ECR)离子源、引出电极、分析磁铁、聚焦电极、加速电极和高压电源中的至少一种。H2+离子源系统产生H2+离子。
需要说明的是，H2+离子源系统可以是任何能够产生H2+离子的设备，例如，H2+离子源系统可以包括离子枪或离子加速器。
另外，本实施例中H2+离子源系统提供的离子源是微波或高频场驱动的离子源；H2+离子源系统的工作原理是：通过氢气离化，产生H2+离子。H2+离子源系统的优点是能够产生高纯度、具有较高能量的H2+离子，H2+离子的能量可以通过加速电极的电压来精确控制。
本实施例中，离子源的电离过程比较复杂，简单来说是电子在交变电场的作用下往复运动，该运动电子会将氢原子的电子打掉。在电离室的气体组分中，H2+离子，氢分子离子是其中一种组分，此外还有其他的粒子组分。引出后，需要通过分析磁铁筛选出H2+离子用于后面的探测。
在一可选的实施例中，如图1所示，探测器2还包括上游探测器22；
上游探测器22用于检测H2+离子与薄层材料碰撞后产生的电子，以基于电子确定入射粒子束的照射在薄层材料上的位置信息。
本实施例中，上游探测器22可以为上游多通道板探测器，进一步地，上游探测器22可以是任何能够检测到从薄层材料散射出来的射线的设备，例如，上游探测器22可以包括半导体探测器或闪烁探测器。
在具体实施过程中，上游探测器22用于检测H2+离子与薄层材料碰撞后产生的电子，而下游探测器21用于检测散射出来的射线。具体地，通过上游探测器22检测H2+离子与薄层材料碰撞后产生的电子，以基于电子确定入射光的照射在薄层材料上的位置信息。通过电机驱动，实现在精密XYZ三维移动台三个方向上的精确移动，能够实现纳米级的精确定位，结构稳定，移动精度高。
需要说明的是，上游多通道板探测器的类型是微通道板(MCP)探测器，其工作原理是：当散射电子撞击微通道板时，会在微通道板内部产生电子雪崩，从而放大电子信号。其优点是高灵敏度，能够探测低能量的散射电子。具有快速响应时间，能够实时探测散射电子的信息。
在一可选的实施例中，下游探测器21具体还用于基于H2+离子的射线强度值、H+离子的射线强度值以及位置信息得到第二平面分布信息，并在检测出第二平面分布信息与预设平面分布信息不匹配时，确定薄层材料存在缺陷。
为了提高薄层材料缺陷检测的准确性，本实施例通过上游探测器与下游探测器相结合能够更精确、更高效的确定薄层材料的缺陷位置、大小和深度，进一步地，通过分析H+离子、H2+离子和散射电子的信息，可以得到关于薄层材料缺陷的准确信息，与电子显微镜和光学显微镜相比，该技术是非破坏性的，不会对薄层材料造成任何损伤；不需要复杂的制备过程，可以快速、简单地进行薄层材料的缺陷检测。具有更高的灵敏度和精确度，能够在纳米尺度上检测薄层材料的缺陷，具有广泛的应用场景。
实施例2
本实施例提供的一种薄层材料的缺陷检测方法，该缺陷检测方法应用于实施例1中的薄层材料的缺陷检测装置，如图2所示，该缺陷检测方法包括：
步骤201、将H2+离子定向至薄层材料上；
本实施例中，通过缺陷检测装置中的扫描系统将H2+离子定向至薄层材料上；
需要说明的是，扫描系统可以是任何能够将H2+离子定向到薄层材料上的设备，例如，扫描系统可以包括电磁透镜或扫描线圈。
步骤202、检测H2+离子从薄层材料经过后的H2+离子和/或产生的H+离子，以基于H2+离子和/或H+离子检测结果确定薄层材料是否存在缺陷。
本实施例中，通过缺陷检测装置中的下游探测器检测H2+离子从薄层材料经过后的H2+离子和/或产生的H+离子，以基于H2+离子和/或H+离子检测结果确定薄层材料是否存在缺陷
需要说明的是，探测器检测从薄层材料过来的离子束，在整个检测过程中会对H2+离子及H+离子有反应。对于半导体探测器，是对入射粒子的能量有反应，能量高的粒子产生的二次电子倍增比较多，因此探测器检测到的计数比较多；能量较低的粒子检测到的计数比较少或者没有。根据接收到的粒子能量的不同(这个能量取决于入射粒子的能量和入射粒子在薄层上的能量损失)，选取不同的探测器，因为不同的半导体探测器对入射粒子的能量响应是不一样的。
本实施例通过扫描系统将H2+离子定向至薄层材料上；通过探测器检测该H2+离子从薄层材料经过后的H2+离子和/或产生的H+离子，以基于H2+离子和/或H+离子检测结果确定薄层材料是否存在缺陷，能够快速、简单的实现基于H2+离子对薄层材料缺陷的检测，提高了薄层材料缺陷检测的精确度。
在一可选的实施例中，步骤202包括：
步骤202-1、若检测出薄层材料上有H2+离子，则确定薄层材料存在缺陷。
在具体实施过程中，如果下游探测器21检测出薄层材料上有H2+离子，说明该薄层材料是空的，则确定该薄层材料存在空洞缺陷。
在一可选的实施例中，步骤201包括：
步骤201-1、将H2+离子定向至薄层材料上，并将H2+离子分解成H+离子。
在一可选的实施例中，步骤202还包括：
步骤202-11、检测薄层材料上的H2+离子的射线强度值以及H+离子的射线强度值；
步骤202-12、基于H2+离子的射线强度值以及H+离子的射线强度值得到薄层材料的第一平面分布信息；
步骤202-13、在检测出第一平面分布信息与预设平面分布信息不匹配时，确定薄层材料存在缺陷。
本实施例中，H2+离子与薄层材料发生碰撞，产生的射线被下游探测器检测到，即下游探测器检测薄层材料上的H2+离子的射线强度值以及H+离子的射线强度值，而H2+离子的射线和H+离子的射线在薄层材料上形成明暗相间的分布，进而基于H2+离子的射线强度值以及H+离子的射线强度值能够得到薄层材料的第一平面分布信息，再将第一平面分布信息与预设平面分布信息进行匹配，若二者不匹配，则确定薄层材料存在缺陷；若二者匹配，则确定薄层材料没有缺陷。
需要说明的是，预设平面分布信息是预期的薄层材料平面分布信息，该预设平面分布信息可以根据实际情况进行设置，此处不做具体限定。
本实施例基于H2+离子具有更高的灵敏度和分辨率，并通过下游探测器能够准确的检测出薄层材料的缺陷。
在一可选的实施例中，该缺陷检测方法还包括：
步骤200、获取H2+离子；
本实施例中，通过H2+离子源系统提供H2+离子。
在一可选的实施例中，步骤202还包括：
步骤202-21、检测H2+离子与薄层材料碰撞后产生的电子，以基于电子确定入射粒子束的照射在薄层材料上的位置信息。
步骤202-22、基于H2+离子的射线强度值、H+离子的射线强度值以及位置信息得到第二平面分布信息；
步骤202-23、在检测出第二平面分布信息与预设平面分布信息不匹配时，确定薄层材料存在缺陷。
为了提高薄层材料缺陷检测的准确性，本实施例通过上游探测器与下游探测器相结合能够更精确、更高效的确定薄层材料的缺陷位置、大小和深度，进一步地，通过分析H+离子、H2+离子和散射电子的信息，可以得到关于薄层材料缺陷的准确信息，与电子显微镜和光学显微镜相比，该技术是非破坏性的，不会对薄层材料造成任何损伤；不需要复杂的制备过程，可以快速、简单地进行薄层材料的缺陷检测。具有更高的灵敏度和精确度，能够在纳米尺度上检测薄层材料的缺陷，具有广泛的应用场景。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种薄层材料的缺陷检测装置，其特征在于，所述缺陷检测装置包括扫描系统和探测器；
所述扫描系统用于将H2+离子定向至薄层材料上；
所述探测器用于检测所述H2+离子从所述薄层材料经过后的H2+离子和/或产生的H+离子，以基于所述H2+离子和/或所述H+离子检测结果确定所述薄层材料是否存在缺陷。
2.如权利要求1所述的薄层材料的缺陷检测装置，其特征在于，所述探测器包括下游探测器；
所述下游探测器用于检测所述H2+离子从所述薄层材料经过后的H2+离子和/或产生的H+离子，以基于所述H2+离子和/或所述H+离子检测结果确定所述薄层材料是否存在缺陷。
3.如权利要求2所述的薄层材料的缺陷检测装置，其特征在于，所述下游探测器具体用于若检测出所述薄层材料上有H2+离子，则确定所述薄层材料存在缺陷。
4.如权利要求2所述的薄层材料的缺陷检测装置，其特征在于，所述扫描系统具体用于将H2+离子定向至薄层材料上，并将所述H2+离子分解成所述H+离子。
5.如权利要求4所述的薄层材料的缺陷检测装置，其特征在于，所述下游探测器具体还用于检测所述薄层材料上的H2+离子的射线强度值以及所述H+离子的射线强度值，基于H2+离子的射线强度值以及所述H+离子的射线强度值得到所述薄层材料的第一平面分布信息，并在检测出所述第一平面分布信息与预设平面分布信息不匹配时，确定所述薄层材料存在缺陷。
6.如权利要求1所述的薄层材料的缺陷检测装置，其特征在于，所述缺陷检测装置还包括H2+离子源系统；
所述H2+离子源系统用于提供H2+离子。
7.如权利要求5所述的薄层材料的缺陷检测装置，其特征在于，所述探测器还包括上游探测器；
所述上游探测器用于检测H2+离子与所述薄层材料碰撞后产生的电子，以基于所述电子确定入射光的照射在所述薄层材料上的位置信息。
8.如权利要求7所述的薄层材料的缺陷检测装置，其特征在于，所述下游探测器具体还用于基于H2+离子的射线强度值、所述H+离子的射线强度值以及所述位置信息得到第二平面分布信息，并在检测出所述第二平面分布信息与所述预设平面分布信息不匹配时，确定所述薄层材料存在缺陷。
9.如权利要求4所述的薄层材料的缺陷检测装置，其特征在于，所述H2+离子源系统包括电子回旋共振离子源、引出电极、分析磁铁、聚焦电极、加速电极和高压电源中的至少一种。
10.一种薄层材料的缺陷检测方法，其特征在于，所述缺陷检测方法应用于所述薄层材料的缺陷检测装置，所述缺陷检测方法包括：
将H2+离子定向至薄层材料上；
检测所述H2+离子从所述薄层材料经过后的H2+离子和/或产生的H+离子，以基于所述H2+离子和/或所述H+离子检测结果确定所述薄层材料是否存在缺陷。
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