[发明专利]一种焦距可变的原子束显微方法

说明书

本发明涉及对材料的显微技术领域，一种焦距可变的原子束显微方法，开启真空泵组对腔体抽真空，使得腔体I内真空优于10^‑1Pa，腔体II内真空优于10^‑2Pa；储气罐输出气体至喷射头，气体原子以自由射流形式进入腔体I，并通过分流器后，以原子束流形式进入腔体II；原子束流依次通过菲涅尔波带片I、小孔、菲涅尔波带片II后，射到样品表面；调节菲涅尔波带片I、小孔和菲涅尔波带片II三者之间的距离，使得在最终焦点平面上的束斑的有效直径d_f达到最小值；位移台平移，使得样品位于原子束的最终焦点平面；位移台在xy平面内的1×1微米范围内平移，使得原子束在样品表面扫描；被样品表面反射的部分原子进入探测器；计算机处理数据得到样品表面相关信息。

技术领域

本发明涉及对材料的显微技术领域，尤其是一种具有特殊设计的原子束流聚焦结构，且原子束流斜入射样品表面的一种焦距可变的原子束显微方法。

背景技术

在显微技术领域，一般的电子显微镜只能对导电样品进行成像，且其工作时发射出的电子束的能量较高，会使某些较为敏感的样品表面受到辐射损伤。原子束显微镜能够克服以上缺陷，对易损或绝缘样品进行成像，其通常采用惰性气体原子作为发射原子，惰性气体原子束能量很低，且化学性质非常稳定，这些因素使原子束显微镜能够非破坏性地得到样品表面图像。原子束显微镜的工作原理是：在高真空中，自由原子流通过喷射头和孔径形成一束气体原子束射向样品表面，同时令样品或孔径在二维平面内扫描，采用质量过滤探测器探测被样品表面反射的原子，并根据气体分压输出图像密度信号。一般的原子束显微镜中具有分流器，喷射头发射出的自由射流形式的原子的一部分通过分流器后形成原子束并射向样品。氦原子显微镜的分辨率取决于样品表面的束斑尺寸，即与原子束流的特性相关。现有技术缺陷一：垂直入射方法，原子在样品表面的镜面反射和漫反射在探测器中的信号强度差别不大，导致得到的样品表面信息的对比度较低；现有技术缺陷二：采用单个菲涅尔波带片来聚焦原子束流，但是焦点位置的束斑面积不够小，聚焦得到的原子束流强度不够高，所述一种焦距可变的原子束显微方法能够解决问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明一种焦距可变的原子束显微方法，焦距可变的原子束显微装置采用特殊结构，使得原子束流斜入射样品表面，增加了原子在样品表面的镜面反射和漫反射之间的区别，即增加了探测器中的对比度；另外，采用波带片与小孔的结合，并优化条件，使得焦点位置的原子束斑面积足够小，得到的原子束流强度高。

本发明所采用的技术方案是：

所述一种焦距可变的原子束显微方法，焦距可变的原子束显微装置主要包括储气罐、气管、由腔体I和腔体II连接成的真空腔体、喷射头、分流器、菲涅尔波带片I、小孔、菲涅尔波带片II、探测器、样品、样品台、位移台、计算机、抽气口I、真空泵组I、抽气口II，真空泵组II，xyz为三维坐标系，定义喷射头出口中心与分流器入口中心的连线为z轴方向，所述腔体I和腔体II通过分流器连接，腔体II通过抽气口I连接真空泵组I，腔体I通过抽气口II连接真空泵组II；喷射头位于腔体I内，喷射头通过气管与真空腔体外的储气罐连接，喷射头出口与分流器的入口相对，所述菲涅尔波带片I、小孔、菲涅尔波带片II、探测器、样品、样品台、位移台均位于腔体II内，菲涅尔波带片I位于分流器后方，位移台能够三维移动，探测器、位移台分别电缆连接计算机，当气体原子从储气罐通过气管传输至喷射头并以自由射流形式射入腔体I，原子束流的一部分进入分流器入口并通过分流器进入腔体II，喷射头内径为10微米，分流器内径为150微米，喷射头和分流器距离为20毫米，所述小孔的中心位于喷射头出口中心与分流器入口中心的连线的延长线上，所述小孔位于菲涅尔波带片I和菲涅尔波带片II之间，小孔孔径为10微米，原子束流能够依次通过分流器、菲涅尔波带片I、小孔、菲涅尔波带片II后射到样品表面，样品固定于样品台上且位于菲涅尔波带片II后方，样品台固定于位移台，样品表面与z轴方向呈45度角，探测器位于样品表面的一侧，探测器的原子入口与样品表面呈45度角，探测器能够探测被样品表面反射的原子。