一种产生掺杂碱金属或卤素的耦合气体团簇离子束的装置和方法
阅读说明：本技术 一种产生掺杂碱金属或卤素的耦合气体团簇离子束的装置和方法 (Device and method for generating coupled gas cluster ion beam doped with alkali metal or halogen ) 是由 亚历山大·托斯托古佐夫 付德君 吐沙姑·阿不都吾甫 瓦西里·帕里诺维奇 张翔宇 左文彬 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明设计了一种可产生掺杂性单电荷态碱金属正离子或卤素负离子的耦合气体团簇离子束的装置,并提出了用于产生该团簇离子束的方法。本发明旨在通过一个表面电离离子源所产生的低能单电荷态碱金属正离子或卤素负离子来掺杂产生耦合气体团簇离子束,以此提高装置的工作效率。在反应过程中用单原子离子代替分子离子或络合离子,避免了掺杂性离子在掺杂过程中的碎裂现象。本发明通过由大量气体原子(例如Ar)组成的中性气体团簇束流来捕获低能量的单电荷态碱金属正离子或卤素负离子,从而形成耦合气体团簇离子束。(The invention designs a device for generating a coupled gas cluster ion beam of doping single charge state alkali metal positive ions or halogen negative ions and provides a method for generating the cluster ion beam. The invention aims to generate coupled gas cluster ion beams by doping low-energy single-charge-state alkali metal positive ions or halogen negative ions generated by a surface ionization ion source so as to improve the working efficiency of the device. In the reaction process, the monoatomic ions are used for replacing molecular ions or complex ions, so that the fragmentation phenomenon of doping ions in the doping process is avoided. The present invention forms a coupled gas cluster ion beam by capturing low-energy singly-charged alkali metal positive ions or halogen negative ions through a neutral gas cluster beam composed of a large number of gas atoms (e.g., Ar).)
技术领域
本发明涉及一种产生掺杂碱金属或卤素的耦合气体团簇离子束的装置和方法，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
由500-5000个原子组成的团簇可以通过复合单电荷态的碱金属正离子或卤素负离子而实现掺杂，通过这种方式掺杂的团簇离子束可以对各种材料(包括绝缘体)进行表面修饰、超细抛光和浅层注入，还可对复杂无机材料、生物材料和各种生物体(包括薄膜)进行逐层和局部的微观分析，以及用于激发其表面的化学反应。
目前的技术水平和生产工艺能够产生掺杂有化学活性分子HCl、H2O和CH4的耦合氩气团簇离子束。在这些装置中，气态或蒸气的反应性掺杂剂以相对于氩气压力1-5％的分压注入到离子源的耦合腔室中，它们在此被嵌入到Ar团簇结构中，然后形成的耦合团簇在离化器中被电子束电离。该技术方案的根本缺点是不可能产生带负电的团簇离子，而这是介电材料处理(如玻璃的抛光)和分析低导电有机材料所必需的，因为初级离子的负电荷会补偿材料表面由于离子-电子发射而引起的表面放电。从技术上讲，由于需要增加一个耦合腔室以引入反应气体、抽真空和控制气压，因此该设备的设计变得更加复杂。
目前已知的方法和装置，是从室温离子液体引出的阳离子和阴离子掺入团簇，从而形成两种极性的耦合气体团簇离子束。从技术角度来看，这种装置是一种由稀有气体构成的中性团簇束流的气体粒子源，在中性粒子源的出口光阑之后，安装了带有轴向狭缝的圆锥形离子源。该离子源以场蒸发模式运行，生成室温离子液体的正、负离子束。在腔室中，稀有气体构成的中性团簇与掺杂性离子相互作用，然后形成掺杂有室温离子液体的阳离子或阴离子的稀有气体团簇离子束，即带有正电荷或负电荷的耦合团簇离子束。该原型的一个缺点是由于来自喷嘴的工作气体的绝热膨胀(Ekin～100eV)，形成的中性团簇束流的动能存在显着差异，因此两种极性的耦合团簇离子束生成效率均较低。离子是由狭缝离子源尖锐边缘的室温液体中的阳离子或阴离子的场蒸发形成的(Ekin≥1500eV)。这些离子的缓凝导致离子束散焦，降低其密度的同时也降低了中性气体团簇束流捕获离子的可能性。此外，室温液体的阳离子和阴离子是复合离子，当与中性簇束相互作用时，它们可能被分解。
发明内容
本发明的目的是设计制造能产生掺杂有单电荷态的碱金属正离子或卤素负离子耦合团簇离子束的气体动力学源，因为其大大降低了掺杂离子的能量，所以工作效率高于已有的原型，并使用单原子离子进行掺杂，与中性团簇束流相互作用时不存在分解的问题。
为了解决该问题，本发明提供了一种产生掺杂碱金属或卤素的耦合气体团簇离子束的方法，由气体动力源形成的中性气体团簇束流进入由离子源形成的电离室，所述离子源通过表面电离作用产生由单电荷态的碱金属正离子或卤素负离子形成的离子束流，且离子束流的方向垂直于中性气体团簇束流的方向，中性气体团簇束流捕获单电荷的碱金属正离子或卤素负离子，形成掺杂碱金属或卤素的耦合气体团簇离子束。
而且，中性气体团簇束流为Arn，团簇的大小在500≤n≤5000，能量在30-300eV的范围内。
而且，所述碱金属正离子为Cs+，所述卤素负离子为Br-或I-。
一种用于所述方法的产生掺杂碱金属或卤素的耦合气体团簇离子束的装置，至少包括离子源，所述离子源从内至外依次为阴极离化器、工作物质储槽和加热器，所述阴极离化器由多孔钨或压入多孔石墨的LaB6粉末所构成，所述工作物质储槽被加热器加热能产生碱金属正离子或卤素负离子。
而且，离子源呈空心圆柱型，其空心部分形成电离室。
而且，还包括能形成中性气体团簇束流的气体动力源，气体动力源的出口光阑安装在电离室的入口，离子源能被加热器加热到工作物质发生熔化，工作物质熔化发出的原子经阴极离化器形成碱金属正离子或卤素负离子，进入电离室与中性气体团簇耦合，形成耦合气体团簇离子；电离室的出口设有引出电极，耦合气体团簇离子被引出电极引出形成耦合气体团簇离子束，进入到光阑、质量分离器、聚焦透镜、偏转电极等构成的离子传输筒。
而且，所述工作物质储槽存储的工作物质为CsI或CsBr。
而且，加热器为电阻加热器，电阻加热器与稳流电源电连接，稳流电源给电阻加热器供电；电阻加热器和稳流电源与提供负高压的稳压电源连接，稳压电源给离子提供动能。
而且，离子源设置不锈钢的载体上，即从内至外结构依次为阴极离化器、工作物质储槽、电阻加热器和不锈钢载体，离子源两端均用石墨膜片封闭。
而且，电离室入口和出口的相互作用区域安装有永磁体，所述相互作用区域为碱金属正离子或卤素负离子与中性气体团簇耦合的区域。
该技术通过使用低能量的带单电荷的碱金属正离子或卤素负离子作为掺杂离子形成耦合气体团簇离子束，成功地提升了装置的性能和效率，所述掺杂离子是由具有表面电离作用的空心圆柱型离子源产生的。这种几何形状离子源在电离室中提供了高密度的掺杂性离子。此外，使用了单原子离子而不是分子离子或复合离子，因此消除了掺杂离子的碎裂现象，使离子束的使用性能得到提高。
附图说明
图1是掺杂有单电荷态的碱金属正离子或卤素负离子耦合团簇离子束产生装置示意图。图中：1-气体动力源，2-中性团簇束流，3-分束器，4-耦合腔室，5-阴极离化器，6-工作物质储槽，7-电阻加热器，8-稳流电源，9-掺杂性离子，10-稳压电源，11-接地电极，12-引出电极，13-电子，14-永磁体，15-石墨膜片。
图2是电阻加热器和稳流电源与提供负高压的稳压电源连接的电路示意图。
具体实施方式
如图1所示，包括气体动力源1，它发出的高压气流可形成中性团簇束流2，如Arn,其中500≤n≤5000。气体动力源由锥形超音速喷嘴与高压(5-10bar)气源连接而成。由金属制成的喷嘴的孔径为50-100μm，喷口部分的长度为30mm，锥角为5-10度。中性团簇束流2通过分束器3导入电离室4中，在该电离室中安装了碱金属正离子源(例如Cs+)或卤素负离子源(例如Br-或I-)。该离子源呈空心圆柱型，由不锈钢作为载体制成，其空心部分形成电离室，其两端均用石墨膜片15封闭。该离子源包含一个阴极离化器5，它由多孔钨(用于产生正离子)或插入多孔石墨中的LaB6粉末(用于产生负离子)所构成。在阴极离化器下方有一个储槽6，填充有工作物质(例如CsI或CsBr)。离子源由电阻加热丝或电阻加热器7加热，加热器由稳流电源8供电。即空心圆柱型离子源的整个结构从内至外依次为阴极离化器、工作物质储槽、电阻加热器和不锈钢载体，电离室并非单独设置或额外准备的结构，而是实际使用时空心圆柱型离子源的中空部位即可直接作为电离室，图1展示的离子源是其剖面结构。工作物质的蒸气通过多孔阴极离化器扩散到表面，在表面上根据不同的工作模式(阴极上的极性)形成单电荷的正离子或负离子9。离子的动能取决于加速电压，由稳压电源10控制。由90％透过率的钨栅制成零电位圆柱电极11(接地电极)，控制掺杂性离子(即单电荷的碱金属正离子或卤素负离子)与中性惰性气体束流的相互作用区域。该区域中掺杂性离子与团簇耦合，形成的耦合团簇离子束由引出电极12引出，进入到光阑、质量分离器、聚焦透镜、偏转电极等构成的离子传输筒。
图2是电阻加热器和稳流电源与提供负高压的稳压电源连接的具体电路示意图，电阻加热器和稳流电源与提供负高压的稳压电源连接，在负高压作用下，负离子被加速，向离子源中心运动。其能量取决于负高压的数值，所以离子的动能由稳压电源控制。
在负离子产生模式下，阴极离化器5也发射电子13。为防止电子进入电离室入口和出口的相互作用区域，在这两个位置安装永磁体14，永磁体的磁场使电子发生显著的偏转，由于电子和离子质量的巨大差异，永磁体不会改变掺杂性离子的轨迹。
耦合团簇离子通过以下方式形成：由气体动力源形成的中性气体团簇束流(例如Arn)进入电离室，团簇的大小在500≤n≤5000，能量在30-300eV的范围内。离子源被加热到700-1200℃，在此温度下，工作物质发生熔化(CsI和CsBr的熔点分别为621℃和636℃)，发出的原子经阴极离化器形成正离子或负离子，进入耦合腔室与氩团簇耦合，形成耦合团簇离子。
为了形成带正电的碱金属掺杂离子，例如具有第一电离能Ei＝3.9eV的铯蒸气通过多孔钨粉扩散到功函数的阴极离化器表面，加热的表面发生表面电离过程。在热平衡条件下，电离度α+，即在相同的蒸发物质流中正离子数n+与中性原子数no的比值，在一级近似下可以用Saha-Langmuir公式来描述：
其中g+、go分别为形成的阳离子和初始原子的统计权重(对于热力学平衡中的单价原子，g+＝1，go＝2)。在T＝1000K时，钨阴极离化器表面铯原子的电离度α+约为500。铯原子的离子化系数β+，即表示铯原子总数中获得正电荷(失去电子)的部分，可以用以下公式描述：
为了形成带负电的卤素掺杂离子，例如具有电子亲和势Sa＝3.06eV的碘蒸气通过加热的储存装置扩散到功函数φ＝2.66eV的LaB6阴极离化器的表面。正如在阴极离化器表面上产生碱金属正离子的情况一样，会发生卤素原子的表面电离过程。负离子电离度的一级近似也可以用Saha-Langmuir公式来描述：
其中g-、go分别为形成的阴离子和初始原子的统计权重(对于热力学平衡中的单价原子，g-＝1，go＝2)。在T＝1000K时，LaB6阴极离化器表面碘原子的电离度α-约为500。碘原子的离子化系数β-，即表示碘原子总数中获得负电荷(电子)的部分，可以用以下公式描述：
因此，以上述方式，碱金属或卤素的表面电离原子可提供接近1的正电离系数和负电离系数。在负离子产生模式下，阴极离化器还会在图1所示的设备中发射电子，但由于永磁体磁场的偏转，该电子不能进入电离室。因为LaB6在高温下具有化学活性，并且可以与不锈钢部件发生反应，因此将阴极离化器通过石墨光阑与圆柱形不锈钢腔体隔离。
在阴极离化器和栅极之间的空间中加速形成的正负掺杂性离子，其能量高达20keV以上，与工作气体的团簇束流相互作时形成了掺杂有化学活性的正或负团簇离子。由于掺杂离子电离系数的β+和β-(参见公式(2)和(4))与在场蒸发情况下发生的加速电压无关，因此本发明设备的工作效率高于现有设备的工作效率。本装置可以在较宽的范围内控制蒸发离子的能量，以增加中性气体团簇的捕获截面，同时降低与掺杂离子碰撞时团簇碎裂的可能性。离子源的空心圆柱型结构在电离室中提供了高密度的掺杂离子，这也提高了本发明设备的工作效率。
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