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一种产生单电荷态的混合气体团簇离子束的方法和装置制造方法及图纸

技术编号:20179736 阅读:47 留言:0更新日期:2019-01-23 01:20
本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A Method and Device for Generating Mixed Gas Cluster Ion Beams with Single Charge State

The invention provides a method for generating a single charge state mixed gas cluster ion beam, which first generates doped ions and neutral clusters, and then interacts in an electric field to generate a single charge state mixed gas cluster ion beam. The invention also provides a device for generating a single charge state of mixed gas cluster ion beam, which includes an electrolyte solution storage tank connected with an annular slit launcher, an annular lead-out electrode is arranged on one side of the aperture of the annular slit launcher, a metal nozzle is arranged on the other side of the aperture of the annular slit launcher, and an annular slit launcher's aperture and an annular slit launcher's aperture are arranged on the other side. A diaphragm is arranged between the nozzles, and the electrolyte solution savings pool and the lead-out electrode are connected with the first and second high-voltage power supply respectively. The invention can obtain single charge gas cluster ions (both positive and negative ions can be produced) of various components without using any other device to ionize cluster ions, and can be applied in the field of modern micro-nanoelectronics.

【技术实现步骤摘要】
一种产生单电荷态的混合气体团簇离子束的方法和装置
本专利技术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。
技术介绍
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AndreasWucher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。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足,本专利技术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),本专利技术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。本专利技术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Uaq,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Uaq的第二电压Up,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。产生的单电荷态的混合气体团簇离子束在引出电极处获得能量加速至真空中。所述惰性气体以5~20Hz的频率喷出喷嘴。所述中性团簇经过光阑后与掺杂离子作用。本专利技术同时提供了一种基于上述方法的单电荷态的混合气体团簇离子束产生装置,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。所述环形狭缝发射器的狭缝宽度小于100μm。所述金属喷嘴上通过O型环套连接脉冲阀。所述光阑与金属喷嘴之间设有分束器或截束器。本专利技术基于其技术方案所具有的有益效果在于:(1)本专利技术提供的一种产生单电荷态的混合气体团簇离子束的方法和装置直接对中性的气体团簇束进行离子掺杂,形成单电荷态的混合团簇离子束,该过程有着复杂的物理化学作用,兼具混合团簇和离子化的作用,无需额外的使团簇离子化的装置;(2)本专利技术提供的一种产生单电荷态的混合气体团簇离子束的方法和装置可产生混合气体团簇离子束,具有单电荷特性,即组分混合的单电荷气体团簇离子束,排除了多电荷态团簇离子束的形成,因为同种电荷间有库仑排斥作用;(3)本专利技术提供的一种产生单电荷态的混合气体团簇离子束的方法和装置产生的单电荷气体团簇离子束可正可负,能有效地用于介质材料的TOF-SIMS分析、表面改性、超精细抛光。附图说明图1是单电荷态的混合气体团簇离子束产生装置示意图。图中:1-脉冲阀,2-喷嘴,3-O型环,4-喷嘴室,5-中性团簇束,6-分束器或截束器,7-混合腔室,8-电解质溶液储蓄池,9-环形狭缝发射器,10-陶瓷绝缘架,11-光阑,12-引出电极,13-第一高压电源,14-掺杂离子,15-第二高压电源,16-单电荷态的混合气体团簇离子束。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。本专利技术提供了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Uaq,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Uaq的第二电压Up,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;以掺杂离子为阳离子[emim]+为例,当需要引出正电荷团簇离子束时,第一电压Uaq和第二电压Up极性为正,Up<Uaq,故之间所加电场方向由发射器指向引出电极,只有正离子[emim]+或者{[emim][BF4]}m[emim]+才能被引出;当需要产生负电荷团簇离子束时,掺杂离子为阴离子,第一电压Uaq和第二电压Up极性为负,Up>Uaq,故之间所加电场方向由引出电极指向发射器,只有负离子[BF4]-或者{[emim][BF4]}m[BF4]-才能被引出。因此,掺杂离子为阳离子或阴离子,产生的团簇离子束带正电荷或负电荷,第一电压和第二电压的正负性和掺杂离子保持一致,但是第二电压绝对值小于第一电压绝对值,“复杂的重掺杂离子”是{[emim][BF4]}m[emim]+或者{[emim][BF4]}m[BF4]-,“单电荷”指的是团簇离子束只带一个电荷,可正可负。(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。产生的单电荷态的混合气体团簇离子束在引出电极处获得能量加速至真空中。所述惰性气体以5~20Hz的频率喷出喷嘴。所述中性团簇经过光阑后与掺杂离子作用。本专利技术同时提供了一种基于上述方法的单电荷态的混合气体团簇离子束产生装置,参照本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种产生单电荷态的混合气体团簇离子束的方法,其特征在于包括以下步骤:(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Uaq,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Uaq的第二电压Up,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。

【技术特征摘要】
1.一种产生单电荷态的混合气体团簇离子束的方法,其特征在于包括以下步骤:(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Uaq,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Uaq的第二电压Up,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。2.根据权利要求1所述的产生单电荷态的混合气体团簇离子束的方法,其特征在于:产生的单电荷态的混合气体团簇离子束在引出电极处获得能量加速至真空中。3.根据权利要求1所述的产生单电荷态的混合气体团簇离子...

【专利技术属性】
技术研发人员:亚历山大·托斯托古佐夫瓦西里·帕里诺维奇曾晓梅左文彬付德君
申请(专利权)人:武汉大学
类型:发明
国别省市:湖北,42

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