[发明专利]一种产生可控涡旋电子束的装置、方法

说明书

本发明公开了一种基于透射电子显微镜产生涡旋电子束的装置，电子枪，产生平面电子束；电场控制器；导电线圈，通过电学设备中的芯片设置于平面电子束通道上，受所述电场控制器作用产生强度可控的涡旋电场，所述涡旋电场用于调制所述平面电子束的相位，形成涡旋电子束。涡旋电子束可广泛应用于材料的表征、微纳尺度粒子操控等领域。本发明还提供了一种利用上述装置产生涡旋电子束的方法。该方法操作方便、经济成本低，可以获得轨道角动量可控的涡旋电子束，并且通过结合电子能量损失谱的分析，还有望实现对材料的原子级分辨磁性表征。

技术领域

本发明属于电子光学领域，具体设计一种产生可控涡旋电子束的装置、方法。

背景技术

涡旋电子束与电子能量损失谱联系紧密。电子能量损失谱包含了化学键信息、原子类型和电子态及其价态。此外，涡旋电子束在粒子操控、磁性等探测方面也卓有成效。其中，对材料进行微纳尺度甚至原子尺度的磁性分析需要深入结合电子能量损失谱对携带磁性信息的涡旋电子束进行分析，得到磁畴或磁化强度矢量等磁性信息。

目前，产生涡旋电子束一般涡旋电子束的产生过程是让电子束通过螺旋相位片、全息光阑以及作为类磁单极子的磁性纳米针尖，使电子束产生涡旋特性，具有磁性以及纳米粒子操控等方面的应用。

螺旋相位片产生涡旋电子束的方法：

螺旋相位片的高度随方位角增大梯度线性增大，故当不同方位角区域的电子束通过不同高度的相位片时，就会出现相位延迟，其波阵面就会产生螺旋面形状，从而实现了从平面波电子束从涡旋电子束的转化。然而，在波长未被事先设计好的情况下，螺旋相位板会产生非整数值的电子束,而且此光带有相当复杂的电子光学涡旋拓扑荷。所以为了获得理想的涡旋电子束就需要再用一个能够充当相位特征的单色项的波函数。

全息光阑产生涡旋电子束的方法：

电子束从光阑上不同的缝隙中穿过，形成电子波的干涉最终形成涡旋电子束。光阑在TEM(透射电子显微镜)中放在C2(the second condenser，第二聚光镜)，即可在后焦面获得具有特定轨道角动量的涡旋电子束图样。

类磁单极子产生涡旋电子束的方法：

这种细长的磁针与狄拉克弦的模型很相近，利用其针尖所产生的特殊磁场对平面波电子束的相位进行作用，使电子束具有涡旋特性。类磁单极原理：在实验中，仔细调整磁针会产生相同的相位结构，与真正的单极很难区分。由于针的尖端很细，故其通量收敛到一个量化通量，并且在实验中，利用磁化的纳米铁磁针作为一个近似的狄拉克弦。这个平面电子波与针尖的相互作用让典型的Aharonov–Bohm相位移发生，使得针尖近似于一个磁单极子而产生了涡旋电子束。

螺旋相位片的方法加工难度最大，其相位变化不严格连续，厚度随方位角变化难以非常精确地实现，与形成真实的涡旋电子束存在偏差，每个制成的相位片只能用于特定的加速电压(对应电子波长)，有一定的局限性；全息光阑的方法，光阑有一定的加工难度，有一部分电子束束被挡住，同时还散射为多束，电子束流密度较弱；类磁单极子的方法要求针尖很细，与理想的磁单极子场也并非完全等同，目前的方法可控性较差，但相比前两者来说有一定的优势，它不需要在特定的加速电压下才能产生涡旋电子束，并且由于遮挡面积小，具有高电子束流密度的优势，此外该方法只要磁场可控，能够实现可控的涡旋电子束。要实现磁场可控的类磁单极，其加工难度具有很大的挑战性。

发明内容

本发明提供了一种产生可控涡旋电子束的装置、方法。

本发明的第一实施方式提供了一种产生可控涡旋电子束的装置，包括：

电子枪，产生平面电子束；

电场控制器；

导电线圈，通过电学设备中的芯片设置于平面电子束通道上，受所述电场控制器作用产生强度可控的涡旋电场，所述涡旋电场用于调制所述平面电子束的相位，形成涡旋电子束。