本发明专利技术提供一种用于FIB系统的磁光阱超冷离子源装置，包括原子源、超高真空系统、三维磁光阱系统、电离激光系统和离子加速引出系统；原子源与超高真空系统连接；超高真空系统包括超高真空腔体，超高真空腔体设有多个用于提供激光束路径的观察窗口；三维磁光阱系统包括激光束和反亥姆霍兹线圈；电离激光系统包括电离激光，激光束和电离激光穿过观察窗口并交汇在超高真空腔体内部，交汇处为冷离子发生部；离子加速引出系统包括设有引出通孔的电极片，引出通孔和冷离子发生部在同一轴线上，便于引出超冷离子。该装置可利用多种原子样品制备超冷离子，为FIB系统提供满足不同需求的超冷离子束，具有结构简单和可控性好等的特点。具有结构简单和可控性好等的特点。具有结构简单和可控性好等的特点。
【技术实现步骤摘要】
一种用于FIB系统的磁光阱超冷离子源装置
[0001]本专利技术涉及纳米聚焦离子束的
，尤其是涉及一种用于FIB系统的磁光阱超冷离子源装置。
技术介绍
[0002]纳米科学与技术是当今世界各科技强国竞相追逐的前沿热点，已经逐步成为具有深远影响力的跨学科和交叉性的研究领域，涉及物理、化学、材料、生物、医学、信息技术以及能源与环境等诸多学科。纳米聚焦离子束(Focused Ion Beam,FIB)是纳米技术的核心之一，在纳米尺度和精度的微纳加工工艺中发挥着重要的作用。FIB技术指根据离子束与物质相互作用过程，利用FIB进行微纳加工，主要包括离子束成像、蚀刻、沉积和注入等内容。FIB的技术核心之一是高品质离子源。高亮度、低能散和低发射度的离子源，是提升FIB性能的关键，因此开发新型离子源、改善离子源品质对FIB技术效果的提升具有重要性和必要性。
[0003]目前，成功应用于FIB的离子源主要有三种类型：液态金属离子源(LMIS)、气体场发射离子源(GFIS)和电感耦合等离子体离子源(ICPS)。不同类型的离子源具有不同的优势和劣势，其中：
[0004](1)LMIS因性能稳定和可重复性高等优势，成为FIB商业产品中使用最广泛的离子源。但是这种离子源的工作性质决定了只有具备表面张力大、熔点低和蒸汽压低等特性的镓(Ga)金属离子才能满足要求。其缺点如下:1)离子种类单一，很难找到替代的目标离子；2)离子源发射尖尺寸小，导致强烈的空间电荷效应；3)Ga离子属于重金属离子，易与多种元素反应，造成金属离子污染且溅射现象严重；4)离子源能散太大，在4～5eV左右，不适宜用于对束斑尺寸要求严格的纳米制造工艺；5)离子源制备过程可控性太差。
[0005](2)GFIS是另一种性能优异的离子源，主要以高亮度著称，目前可提供的离子种类主要以质量较轻的氦离子和氖离子为主。其缺点如下：1)离子源种类单一，且倾向于惰性气体；2)系统结构复杂，必须配备低温冷却系统；3)发射尖脆弱，工作寿命短；4)需利用强场电离惰性气体，引出电极和发射尖之间加载电压太高，实验要求苛刻。
[0006](3)ICPS可提供较多种类的离子源，但其亮度和能散等参数的品质较差，难以应用于高精度的FIB微纳加工领域。以氙(Xe)离子源为例，亮度低于LMIS两个量级，能散为5eV左右。
[0007]综上，目前应用于FIB技术的不同类型离子源在能散高、离子源种类单一、系统结构复杂和可控性差方面存在不同程度的问题，因此有必要提供一种能解决上述问题的全新的离子源制备装置。
技术实现思路
[0008]为了解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一用于FIB系统的磁光阱超冷离子源装置，利用三维磁光阱系统囚禁冷原子云团，光电离冷原子云团产生超冷离子，最后通过离子加速引出系统引出可应用FIB系统的超冷离子，为FIB系统提供超冷离子源。该装
置可利用多种不同原子样品制备超冷离子，提供满足不同需求的超冷离子束，同时还具有可控性好以及结构简单的特点。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0010]一种用于FIB系统的磁光阱超冷离子源装置，包括原子源、超高真空系统、三维磁光阱系统、电离激光系统和离子加速引出系统；
[0011]所述原子源与所述超高真空系统连接；
[0012]所述超高真空系统包括超高真空腔体，所述超高真空腔体设有多个用于提供激光束路径的观察窗口；
[0013]所述三维磁光阱系统包括激光束和反亥姆霍兹线圈；
[0014]所述电离激光系统包括电离激光，所述激光束和所述电离激光穿过所述观察窗口并交汇于所述超高真空腔体内部，交汇处为冷离子发生部；
[0015]所述离子加速引出系统包括多个平行设置的电极片，所述电极片设有用于将冷离子引出的引出通孔，所述冷离子发生部和所述引出通孔在同一轴线上。
[0016]优选地，所述超高真空系统还包括分子泵和机械泵，所述机械泵与所述分子泵连接，所述分子泵与所述超高真空腔体连接。
[0017]优选地，所述超高真空系统还包括电离规和热偶规，用于测量系统的真空度。所述电离规与所述超高真空腔体连接，所述热偶规连接所述机械泵和所述分子泵。
[0018]优选地，所述超高真空腔体至少设有三对所述观察窗口组，三对主要的所述观察窗口组之间两两垂直；所述三维磁光阱系统至少包括三对相向传播、相互正交的所述激光束，三对所述激光束之间两两垂直。
[0019]优选地，所述引出通孔包括第一通孔和第二通孔，所述第一通孔较所述第二通孔接近所述冷离子发生部，且所述第一通孔的孔径小于所述第二通孔。
[0020]优选地，所述电极片形成第一电极片组和第二电极片组，所述冷离子发生部位于所述第一电极片组和所述第二电极片组之间。
[0021]优选地，所述电极片还设有用于所述激光束通过的第三通孔。
[0022]优选地，所述超高真空腔体设有第一端口，所述原子源连接于所述第一端口。
[0023]优选地，所述超高真空腔体还设有第二端口，所述分子泵连接于所述第二端口。
[0024]优选地，还包括探测器，所述探测器靠近所述观察窗口。
[0025]基于上述的技术方案，本专利技术取得的技术效果为：
[0026](1)离子源种类多样，本专利技术的装置利用激光冷却原子制备冷离子，目前激光冷却原子种类多达27种，覆盖碱金属、碱土金属和稀有气体等元素，这些原子及其同位素都可成为超冷离子源研究的潜在目标。因此，本专利技术可产生并提供的超冷离子源种类丰富。
[0027](2)优化离子源品质。本专利技术的磁光阱超冷离子源装置通过磁光阱制备冷原子团，冷原子团的温度极低，相应产生的超冷离子源有效温度相对室温降低了6个数量级，因而离子束的横向速度分布随之压缩。同时，随着超冷离子源温度的降低，超冷离子源的品质，如亮度、能散及发射度等的品质参数都有显著改善。
[0028](3)系统结构简单，使用寿命长。本专利技术的用于FIB系统的磁光阱超冷离子源装置主要包括原子源、超高真空系统、三维磁光阱系统、电离激光系统和离子加速引出系统。这些系统的状态参数大多可调节，性能长期稳定，原子源无需频繁更换，使用周期长久。例如，
三维磁光阱系统可以通过调节参数，选择合适目标原子，使离子源成分单一，不涉及同位素掺杂，保证了离子源具有良好的单色性，进而无需引入质量选择器，节省了装置成本。同时相较于传统离子源，无需制作工艺精度特别高的发射尖或者冷却系统等复杂设备，整体结构简单。
[0029](4)可控性良好。在本专利技术的磁光阱超冷离子源装置中，电离激光可以从不同的方向的观察窗口作用于冷原子，并形成横向电离、轴向电离和交叉双光子电离三种电离光耦合方式，从而选择性地压缩能散和提高亮度，为不同FIB系统需求提供超冷离子源。
附图说明
[0030]图1为本专利技术的用于FIB系统的磁光阱超冷离子源装置的结构示意图。
[0031]图2为本专利技术的超高真空腔体的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于FIB系统的磁光阱超冷离子源装置，其特征在于，包括原子源、超高真空系统、三维磁光阱系统、电离激光系统和离子加速引出系统；所述原子源与所述超高真空系统连接；所述超高真空系统包括超高真空腔体，所述超高真空腔体设有多个用于提供激光束路径的观察窗口；所述三维磁光阱系统包括激光束和反亥姆霍兹线圈；所述电离激光系统包括电离激光，所述激光束和所述电离激光穿过所述观察窗口并交汇于所述超高真空腔体内部，交汇处为冷离子发生部；所述离子加速引出系统包括多个平行设置的电极片，所述电极片设有用于将冷离子引出的引出通孔，所述冷离子发生部和所述引出通孔在同一轴线上。2.根据权利要求1所述的用于FIB系统的磁光阱超冷离子源装置，其特征在于，所述超高真空系统还包括分子泵和机械泵，所述机械泵与所述分子泵连接，所述分子泵与所述超高真空腔体连接。3.根据权利要求2所述的用于FIB系统的磁光阱超冷离子源装置，其特征在于，所述超高真空系统还包括用于测量系统真空度的电离规和热偶规，所述电离规与所述超高真空腔体连接，所述热偶规连接所述机械泵和所述分子泵。4.根据权利要求1所述的用于FIB系统的磁光阱超冷离子源装置，其特征在于，所述超高真空腔体至少设有三...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨杰，周文长，方锋，程锐，罗长杰，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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