CN211505285U - 一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置，其特征在于：包括真空腔体、真空抽气装置、电子产生发射装置、样品固定装置、光子收集和传输装置和高分辨率光栅光谱分析仪器；所述电子产生发射装置的一端插入所述真空腔体内；所述真空抽气装置连接所述真空腔体；所述样品固定装置的一端在所述真空腔体内；所述高分辨率光栅光谱分析仪器设置在所述光子收集和传输装置上。一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置，所述高分辨率光栅光谱分析仪器替换为深紫外窄带滤波片和光子能量探测器；所述深紫外窄带滤波片和光子能量探测器相连。本实用新型的有益效果是：能够更高效地收集反光电子效应产生的光子，有效地提高系统的分辨率。

Description

一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置

技术领域

本实用新型涉及材料物理能谱分析仪器领域，特别涉及一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置。

背景技术

材料的电子结构直接决定材料的热学、光学、电输运等物理性质，是材料科学、凝聚态物理等学科的重点研究对象，对材料应用也至关重要，特别是大量电子器件性能都与其材料的导带与价带结构息息相关。所以，精确测量材料的电子结构非常重要，合适的材料可以大幅提升电子器件的性能，拓宽仪器的应用范围。

光电子能谱是一种被广泛运用于精确测量材料电子结构的方式，取得了瞩目的成果。利用光电效应的原理，测量单色光辐射从样品上打出来的光电子的动能、光电子强度和电子的角分布，并应用这些信息来研究原子、分子、凝聚相，尤其是固体表面的电子结构的技术。大量的工作集中在使用X射线光电子能谱和紫外光电子能谱，用于研究价带电子能带结构以及功函数信息等等。然而，由于材料本身的电子一般都处于价带内，光电子能谱不能直接研究导带的能级结构，而导带的能级结构信息对整个电子器件性能至关重要，急需一种方式对导带结构进行实时直接测量。

反光电子能谱技术能够弥补光电子能谱的不足，可以直接用于测量材料导带的电子结构。反光电子能谱的基本物理过程与光电效应相反，特定动能的自由电子入射到材料表面，复合到材料导带的能级中，再向下跃迁到另一个导带的能级中。这个跃迁的过程同时满足偶极跃迁、能量守恒、动量守恒的原理，因而通过测量电子所激发出来的光子谱就能够得到固体未占据的导带的电子结构。

根据反光电子发射的不同试验方法，反光电子能谱主要分为角分辨反光电子能谱和自旋分辨反光电子能谱等等。角分辨反光电子能谱是通过改变入射电子束与样品法线的夹角，来确定材料的能带色散关系曲线；自旋分辨反光电子能谱则是把入射的电子进行极化，能够直接测量导带电子能级中空穴的自旋信息。根据光子探测器的种类，又可分为两种工作模式：光谱分光法和单色测量模式。光谱分光法固定入射电子动能，通过光栅对发出的光子进行能谱分析，然后用电子倍增管进行光子计数；单色测量模式改变入射电子动能，用很窄能量带宽的紫外光子盖格探测器对电子激发的光子进行测量。

以有机太阳能电池的研发为例，对异质结的界面能级结构有了全面而准确的了解，就能对有机分子和无机电极材料的界面能级进行调整，从而优化载流子的传输和在电极界面的输运过程，优化光伏效应中电子-空穴分离过程，从而大幅度提高其能量转换效率。而反光电子能谱正是研究导带能级结构的有效手段。

但是反光电子能谱的有效截面远远小于光电能谱，其发展和应用就比较困难，远远落后与光电子能谱。如在真空紫外光的能段，反光电子能谱的有效截面近乎是光电子能谱的10^-5倍，相对来说信号非常弱，难以检测。因此，商业化的反光电子能谱仪能量分辨率一般都大于0.5eV，国外实验室中能达到的分辨率也仍然高于0.12eV，而0.1eV的导带电子结构变化就可能导致能量传输效率量级的差异。

故市场亟需一种能够更高效地收集反光电子效应产生的光子，有效地提高系统的分辨率的反光电子能谱实现装置。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型中披露了一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置，本实用新型的技术方案是这样实施的：

一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置，其特征在于：包括真空腔体、真空抽气装置、电子产生发射装置、样品固定装置、光子收集和传输装置和高分辨率光栅光谱分析仪器；所述电子产生发射装置的一端插入所述真空腔体内；所述真空抽气装置连接所述真空腔体；样品固定装置的一端在所述真空腔体内；所述高分辨率光栅光谱分析仪器设置在所述光子收集和传输装置上。

优选地，所述光子收集和传输装置为椭圆状；所述光子收集和传输装置的内表面是经过抛光处理的。

优选地，所述光子收集和传输装置的材料选自金、银和铜的一种。

优选地，所述光子收集和传输装置的长轴为200-700mm，短轴长度为 4-20mm。

优选地，还包括长度调节装置和角度调节装置；所述长度调节装置和角度调节装置位于所述高分辨率光栅光谱分析仪器和所述光子收集和传输装置的连接处；所述角度调节装置的一端固定在所述光子收集和传输装置上，所述角度调节装置的另一端固定在所述长度调节装置的一端上；所述长度调节装置的另一端固定在所述高分辨率光栅光谱分析仪器上。

优选地，所述高分辨率光栅光谱分析仪器替换为深紫外窄带滤波片和光子能量探测器；所述深紫外窄带滤波片和光子能量探测器相连。

优选地，所述深紫外窄带滤波片包括上反射膜系和下反射膜系；所述下反射膜系包括基底、下一类膜层和下二类膜层；所述下一类膜层和所述下二类膜层交替镀在所述基底上方；所述下一类膜层和所述下二类膜层的数量共计为20-25层；所述上反射膜系包括谐振腔层、上一类膜层和上二类膜层；所述上一类膜层和膜层交替镀在所述谐振腔层上方；所述膜层和所述上一类膜层的数量共计为20-25 层；所述上一类膜层与所述下一类膜层的厚度为所需的波长除以所述上一类膜层与所述下一类膜层的材料在所述波长下的折射率所得到的商的四分之一；所述上二类膜层与所述下二类膜层的厚度为所需的波长除以所述上一类膜层与所述下一类膜层的材料该在所述波长下的折射率所得到的商的四分之一。

优选地，所述基底与所述谐振腔层的材料为氟化镁。

优选地，所述上一类膜层与所述下一类膜层为氟化镁；所述上二类膜层与所述下二类膜层为氟化钙。

优选地，所述光子能量探测器的结构选自包括盖革-弥勒计数管和光电倍增管的一种。

实施本实用新型的技术方案可解决现有技术中收集反光电子效应产生的光子低效，系统分辨率不足的技术问题；实施本实用新型的技术方案，可实现更高效地收集反光电子效应产生的光子，有效地提高系统的分辨率的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置的光谱分光状态图；

图2为一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置的单色测量模式状态图；

图3为一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置的深紫外窄带滤波片的放大图；

图4为一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置的深紫外窄带滤波片的透过曲线；

图5为一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置的去除长度调节装置的状态图；

图6为一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置的去除长度调节装置和角度调节装置的状态图。

在上述附图中，各图号标记分别表示：

1-真空腔体、2-真空抽气装置、3-电子产生发射装置、4-样品固定装置、5- 光子收集和传输装置、6-长度调节装置、7-角度调节装置、8-高分辨率光栅光谱分析仪器、9-深紫外窄带滤波片、10-光子能量探测器、11-上反射膜系、12-谐振腔层、13-下反射膜系、14-基底。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在一种具体的实施例中，如图1-图6所示，一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置，其特征在于：包括真空腔体1、真空抽气装置2、电子产生发射装置3、样品固定装置4、光子收集和传输装置5和高分辨率光栅光谱分析仪器8；所述电子产生发射装置3的一端插入所述真空腔体1内；所述真空抽气装置2连接所述真空腔体1；样品固定装置4的一端在所述真空腔体1内；所述高分辨率光栅光谱分析仪器8设置在所述光子收集和传输装置5上。

在该种具体的实施例中，使用时，将目标样品安放在样品固定装置4上然后将样品固定装置4安装到真空腔体1内部，然后使用真空抽气装置2将真空腔体 1抽气1e-6mbar以上的真空状态，然后使用电子产生发射装置3，将自由电子束打在目标样品表面，使用光子收集和传输装置5收集样品上产生的光子，最后将收集到的光子经过高分辨率光栅光谱分析仪器8分光与探测，从而精确得到光子的频率、能量分布，最终以实现得到样品的电子结构能级的设计目标；通过上述模块之间的交互，可以实现更高效地收集反光电子效应产生的光子，有效地提高光子采集过程的分辨率。

在一种优选的实施例中，如图1-图6所示，所述光子收集和传输装置5为椭圆状；所述光子收集和传输装置5的内表面是经过抛光处理的。

在该种优选的实施例中，将装置设置为椭圆状可以使得经过椭圆一个焦点的光子经过内壁的反射后，达到另一个焦点，从而大幅提高光子在长距离上的传输效率；抛光处理则尽可能的将内表面处理平滑，以提高光子运动的方向的可控性。

在一种优选的实施例中，如图1-图6所示，所述光子收集和传输装置5的材料选自金、银和铜的一种。

在该种优选的实施例中，光子收集和传输装置5的材料根据所选用的光子频率的反射率进行选用，一般选用金、银、铜，也可以是其他具有高反射率的材料。

在一种优选的实施例中，如图1-图6所示，所述光子收集和传输装置5的长轴为200-700mm，短轴长度为4-20mm。

在该种优选的实施例中，根据实际情况的需要选用相应的长轴与短轴组合，以满足相应的需求。

在一种优选的实施例中，如图1-图6所示，还包括长度调节装置6和角度调节装置7；所述长度调节装置6和角度调节装置7位于所述高分辨率光栅光谱分析仪器8和所述光子收集和传输装置5的连接处；所述角度调节装置7的一端固定在所述光子收集和传输装置5上，所述角度调节装置7的另一端固定在所述长度调节装置6的一端上；所述长度调节装置6的另一端固定在所述高分辨率光栅光谱分析仪器8上。

在该种优选的实施例中，所述光子通过长度调节装置6和角度调节装置7传输到高分辨率光栅光谱分析仪器8中；长度调节装置6和角度调节装置7通过改变长度和角度以实现对于光子收集和传输装置5与样品之间的距离与角度，以进一步提高对于光子的收集效率。

在一种具体的实施例中，如图1-图6所示，所述高分辨率光栅光谱分析仪器 8替换为深紫外窄带滤波片9和光子能量探测器10；所述深紫外窄带滤波片9和光子能量探测器10相连。

在该种具体的实施例中，其作用在于单色测量，深紫外窄带滤波片9用于对光子进行分解，从而使得特定波长的光子透过，但是其他波长的光子不能通过，深紫外窄带滤波片9的整体带宽为小于等于50meV的；经过深紫外窄带滤波片9 过滤后的光子进入光子能量探测器10，然后通过光子能量探测器10对光子进行分析得到相应的结果，根据图4的透过曲线可知，可以实现更高效地收集反光电子效应产生的光子，有效地提高光子采集过程的分辨率。

在一种优选的实施例中，如图1-图6所示，所述深紫外窄带滤波片9包括上反射膜系11和下反射膜系13；所述下反射膜系13包括基底14、下一类膜层和下二类膜层；所述下一类膜层和所述下二类膜层交替镀在所述基底14上方；所述下一类膜层和所述下二类膜层的数量共计为20-25层；所述上反射膜系11包括谐振腔层12、上一类膜层和上二类膜层；所述上一类膜层和膜层交替镀在所述谐振腔层12上方；所述膜层和所述上一类膜层的数量共计为20-25层。

在该种优选的实施例中，基底14、谐振腔层12、上一类膜层、下一类膜层、上二类膜层与下二类膜层通过真空镀膜方法沉积形成；下一类膜层和上一类膜层属于高折射率的膜层，下二类膜层和所述上二类膜层属于低折射率的膜层，通过该种设置方式，可以使得入射在深紫外窄带滤波片9上的不同入射角的光子产生的光谱飘移的变化量减少，从而提高光子的透过效率，一般层数在20-25层之间其光子的透过效率最佳；在经过下反射膜之后，光子的功率会面临一定的衰减，然后再经过谐振腔层12，由谐振腔层12对功率进行加强，从而增强光子能量探测器10的识别效率。

在一种优选的实施例中，如图1-图6所示，所述上一类膜层与所述下一类膜层的厚度为所需的波长除以所述上一类膜层与所述下一类膜层的材料在所述波长下的折射率所得到的商的四分之一；所述上二类膜层与所述下二类膜层的厚度为所需的波长除以所述上一类膜层与所述下一类膜层的材料该在所述波长下的折射率所得到的商的四分之一。

在该种优选的实施例中，高折射率膜层和低折射率膜层通过真空镀膜方法沉积形成，入射光在膜层的上、下界面反射具有相同的位相变化，若选择膜层的光学厚度等于入射光波长的四分之一，则相邻两束反射光的位相差恰好是2，所有反射光相叠加的结果可以实现反射相消，因而形成透射增强，故所述上一类膜层与所述下一类膜层的厚度为所需的波长除以所述上一类膜层与所述下一类膜层的材料在所述波长下的折射率所得到的商的四分之一，所述上二类膜层与所述下二类膜层的厚度为所需的波长除以所述上一类膜层与所述下一类膜层的材料该在所述波长下的折射率所得到的商的四分之一，从而增强透过的效果。

在一种优选的实施例中，如图1-图6所示，所述基底14与所述谐振腔层12 的材料为氟化镁；所述上一类膜层与所述下一类膜层为氟化镁；所述上二类膜层与所述下二类膜层为氟化钙。

在该种优选的实施例中，氟化钙、氟化镁在紫外波段的消光系数使氟化镁、氟化钙能够作为深紫外波段的光学膜层材料，同时氟化钙的折射率要高于氟化镁，故将之分别作为高折射率层与低折射率层的产品。

在一种优选的实施例中，如图1-图6所示，所述光子能量探测器10的结构选自包括盖革-弥勒计数管和光电倍增管的一种。

需要指出的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置，其特征在于：包括真空腔体、真空抽气装置、电子产生发射装置、样品固定装置、光子收集和传输装置和高分辨率光栅光谱分析仪器；

所述电子产生发射装置的一端插入所述真空腔体内；

所述真空抽气装置连接所述真空腔体；

所述样品固定装置的一端在所述真空腔体内；所述高分辨率光栅光谱分析仪器设置在所述光子收集和传输装置上。

2.根据权利要求1所述的一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置，其特征在于：所述光子收集和传输装置为椭圆状；所述光子收集和传输装置的内表面是经过抛光处理的。

3.根据权利要求2所述的一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置，其特征在于：所述光子收集和传输装置的材料选自金、银和铜的一种。

4.根据权利要求3所述的一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置，其特征在于：所述光子收集和传输装置的长轴为200-700mm，短轴长度为4-20mm。

5.根据权利要求1所述的一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置，其特征在于：还包括长度调节装置和角度调节装置；所述长度调节装置和角度调节装置位于所述高分辨率光栅光谱分析仪器和所述光子收集和传输装置的连接处；所述角度调节装置的一端固定在所述光子收集和传输装置上，所述角度调节装置的另一端固定在所述长度调节装置的一端上；所述长度调节装置的另一端固定在所述真空腔体上。

6.根据权利要求1至权利要求5任一所述的一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置，其特征在于：所述高分辨率光栅光谱分析仪器替换为深紫外窄带滤波片和光子能量探测器；所述深紫外窄带滤波片和光子能量探测器相连。

7.根据权利要求6所述的一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置，其特征在于：所述深紫外窄带滤波片包括上反射膜系和下反射膜系；

所述下反射膜系包括基底、下一类膜层和下二类膜层；所述下一类膜层和所述下二类膜层交替镀在所述基底上方；所述下一类膜层和所述下二类膜层的数量共计为20-25层；

所述上反射膜系包括谐振腔层、上一类膜层和上二类膜层；所述上一类膜层和膜层交替镀在所述谐振腔层上方；所述膜层和所述上一类膜层的数量共计为20-25层；

所述上一类膜层与所述下一类膜层的厚度为所需的波长除以所述上一类膜层与所述下一类膜层的材料在所述波长下的折射率所得到的商的四分之一；

所述上二类膜层与所述下二类膜层的厚度为所需的波长除以所述上一类膜层与所述下一类膜层的材料该在所述波长下的折射率所得到的商的四分之一。

8.根据权利要求7所述的一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置，其特征在于：所述基底与所述谐振腔层的材料为氟化镁。

9.根据权利要求8所述的一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置，其特征在于：所述上一类膜层与所述下一类膜层为氟化镁；所述上二类膜层与所述下二类膜层为氟化钙。

10.根据权利要求9所述的一种高效高分辨率的反光电子能谱实现装置，其特征在于：所述光子能量探测器的结构选自包括盖革-弥勒计数管和光电倍增管的一种。

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