[发明专利]一种产生单电荷态的混合气体团簇离子束的方法和装置

说明书

本发明提供了一种产生单电荷态的混合气体团簇离子束的方法，首先产生掺杂离子和中性团簇，然后在电场中相互作用产生单电荷态的混合气体团簇离子束。本发明同时提供了一种产生单电荷态的混合气体团簇离子束的装置，包括电解质溶液储蓄池，所述电解质溶液储蓄池连接有环形狭缝发射器，距环形狭缝发射器的孔口一侧设置有环形引出电极，环形狭缝发射器的孔口另一侧设有金属喷嘴，环形狭缝发射器的孔口与喷嘴之间设有光阑，电解质溶液储蓄池和引出电极分别与第一高压电源和第二高压电源连接。本发明在没有使用任何其他装置电离产生团簇离子的情况下获得各种组分混合的单电荷气体团簇离子(正负离子均可产生)，能应用于现代微纳电子学领域。

技术领域

本发明涉及一种产生单电荷态的混合气体团簇离子束的方法和装置，属于团簇离子源和离子束领域以及离子束微纳加工领域。

背景技术

从现有的科技水平可知，在飞行时间二次离子质谱中，相比于纯气体团簇束的轰击，化学掺杂或修饰形成的组分混合的气体团簇离子束可以增加解析分子离子在飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)的强度，从而增强二次离子质谱的灵敏度，并使复杂材料(包括生物和生物化学样品)分析中的基体效应最小化。为了获得具有组分混合的气体团簇离子束，现有技术是通过加入小量浓度(1～5％相对分压)的气体或者CH₄、H₂O、HCl的蒸汽到氩气中，制得气体混合物，然后用电子束碰撞电离气体混合物而形成组分混合的气体团簇离子束。但此方法一方面只能产生带正电荷的混合团簇，另外从技术角度来看，这种方法需要一个电子源来电离气体团簇束。

德国杜伊斯堡大学物理系Andreas Wucher课题组研制了一种混合气体团簇离子源，在正常情况下是以纯Ar气为原料产生平均尺寸为4000个原子的Arn⁺团簇束。为了制备组分混合的团簇，通过嵌入不锈钢混合室对源的进气道进行改造。首先将掺杂气体(蒸汽)引入气室，然后在理想的分压下，用氩气回填气室。被引入到离子源的那部分气体可通过残余气体分析器检测，该分析器安装在离子源的第二个差分真空室，即电子束碰撞电离团簇的位置。此装置最大的缺点是无法产生带负电荷的混合团簇。由于负离子轰击材料时，与正离子辐照相比，不容易产生电荷积累效应，因而带负电荷的混合团簇能有效地用于介电材料的TOF-SIMS分析、表面改性、超精细抛光。另外，现有技术使用的该装置中电子碰撞电离时还会产生多电荷气体团簇离子，它们具有比单电荷团簇离子更高的动能，这在气体团簇离子束领域是应该尽可能避免。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种产生单电荷态的混合气体团簇离子束的方法和装置，在没有使用任何其他装置电离产生团簇离子的情况下，在强电场作用下，电解质溶液中的正或负离子在发射器场发射，进入混合腔室与中性气体团簇束相互作用形成单电荷态的混合气体团簇离子束(正、负离子均可产生)，本发明提高了气体团簇离子源的效率，能应用于现代微纳电子学领域，比如包括电介质在内的各种材料的表面改性、超精细抛光、TOF-SIMS采谱及成像，尤其适用于生物和生化样品的分析。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种产生单电荷态的混合气体团簇离子束的方法，包括以下步骤：

(1)引出掺杂离子和中性团簇：向电解质溶液施加不小于9kV的第一电压U_aq，向设置于电解质溶液液面上的引出电极施加绝对值低于第一电压U_aq的第二电压U_p，在与电解质溶液相连的环形狭缝发射器的孔口与设置于电解质溶液液面上的引出电极之间施加电场，引出由电解质溶液的阴离子或阳离子组成的掺杂离子；向脉冲阀输入气压低于1MPa的惰性气体，惰性气体通过喷嘴后绝热膨胀并冷却，在冷却过程中惰性气体冷凝成中性团簇，环形狭缝发射器的孔口与中性团簇的轴心线准直；

(2)中性团簇继续向前喷出经过电场，在电场作用下，掺杂离子注入至中性团簇中，与中性团簇中的团簇粒子发生相互作用，产生单电荷态的混合气体团簇离子束。