一种激光溅射团簇离子源的制作方法

本发明涉及质谱离子源技术领域，特别涉及一种激光溅射团簇离子源。

背景技术：

团簇包括原子团簇和分子团簇，是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力形成的尺度在0.1nm到100nm之间的相对稳定的微观或亚微观聚集体。在该尺度下，团簇的物理和化学性质随着其组分、尺寸、电荷、电子结构等因素的变化而显著变化，表现出一系列特殊的性质，比如量子尺寸效应、高比表面积、大量的未配对电子、高化学活性和催化活性等。因此，团簇被认为是介于原子分子与宏观固体之间的物质结构新层次。

目前最常用的团簇生成方法是由Smalley研究组发明的激光溅射超声分子束冷却法，它可用于产生各种离子、自由基和其它活性中间体，其基本过程是：真空中，一束脉冲激光直接溅射固体样品表面(溅射区域≤1mm²)，高温汽化样品产生等离子体，等离子体被脉冲阀喷出的载气带走，等离子体与载气碰撞、冷却并聚集形成团簇，经过喷嘴喷射后在真空中超声膨胀进一步冷却。等离子体也可以与载气中的气体如O₂、H₂、CO等气体反应，产生各种氧化物、氢化物和碳化物。

鉴于激光溅射电离的广泛运用，迫切需要一种高效的激光溅射团簇离子源。而实验用的激光溅射离子源产生团簇离子的效率较低，造成离子信号强度较弱。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种激光溅射团簇离子源，以解决现有技术中实验用的激光溅射团簇离子源产生团簇离子的效率较低，造成离子信号强度较弱的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光溅射团簇离子源，包括：

离子源主体、脉冲阀、样品靶固定杆、进光螺钉、样品靶、喷嘴、密封片和密封件；

所述离子源主体相对的两个表面上分别开设有样品靶孔和进光孔，所述离子源主体上还开设有与所述进光孔垂直的团簇离子生长通道和载气进入通道；

所述脉冲阀内部开设有贯穿的空心通道，所述空心通道、所述载气进入通道、所述团簇离子生长通道、所述喷嘴依次相连形成气路；

所述样品靶固定杆位于所述离子源主体的样品靶孔中，所述样品靶设置在所述样品靶固定杆和所述离子源主体之间；

所述进光螺钉将所述密封片固定在所述进光孔中，所述密封片用于密封所述进光孔；

其中，所述密封件用于密封所述样品靶固定杆和所述离子源主体的样品靶孔之间的间隙。

优选地，所述密封件为密封圈。

优选地，所述密封圈为橡胶O圈。

优选地，所述橡胶O圈的个数为至少2个，且沿所述样品靶固定杆的轴线方向并排布置。

优选地，所述样品靶固定杆的外壁上开设有橡胶O圈槽，用以定位所述橡胶O圈。

优选地，所述进光孔与所述样品靶采用偏轴设计。

优选地，还包括步进电机，所述步进电机与所述样品靶固定杆背离所述样品靶的一端连接，所述样品靶固定杆在所述步进电机的作用下，带动所述样品靶在所述样品靶孔内旋转。

优选地，所述进光螺钉与所述离子源主体之间以螺纹匹配方式连接。

优选地，所述密封片为铜片。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的激光溅射团簇离子源，包括离子源主体、脉冲阀、样品靶固定杆、进光螺钉、样品靶、喷嘴、密封片，还包括密封件，所述密封件位于样品靶固定杆和离子源主体之间，用于密封所述样品靶固定杆和所述离子源主体的样品靶孔之间的间隙，使得激光溅射团簇离子源的密封性更好，从而避免激光溅射产生的等离子体泄露，以及等离子体与载气的有效碰撞降低，进而提高团簇离子的产生效率，增强离子信号。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种激光溅射团簇离子源的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的离子源主体的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的样品靶固定杆的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种激光溅射团簇离子源的结构示意图。

具体实施方式

对于实验室而言，由于成本问题，后续离子检测装置精度或者放大装置效率较低时，若激光溅射离子源产生的团簇离子信号强度较弱，将导致检测到的信号强度较弱，或不足以进行后续实验。也即正如背景技术部分所述的，现有技术中实验用的激光溅射离子源产生团簇离子信号强度较弱，团簇离子的产生效率较低。

发明人经过实践发现，产生的团簇离子信号强度不够的一个重要原因是：现有技术中非一体化激光溅射团簇离子源采用机械匹配的手段让样品靶固定杆的表面尽量紧贴离子源主体的侧面。由于机械匹配，对于机械加工的精度以及安装的准确度要求较高，实验中往往难以达到，因此，激光溅射到样品靶上产生等离子体后，等离子体在样品靶固定杆和离子源主体的机械匹配部分发生部分泄露，降低了等离子体与载气之间的有效作用，造成团簇离子的产生效率较低，从而使得产生的离子信号强度不够理想。

基于此，本发明提供了一种激光溅射团簇离子源装置，包括：离子源主体、脉冲阀、样品靶固定杆、进光螺钉、样品靶、喷嘴、密封片和密封件；

所述离子源主体相对的两个表面上分别开设有样品靶孔和进光孔，所述离子源主体上还开设有与所述进光孔垂直的团簇离子生长通道和载气进入通道；

所述脉冲阀内部开设有贯穿的空心通道，所述空心通道、所述载气进入通道、所述团簇离子生长通道、所述喷嘴依次相连形成气路；

所述样品靶固定杆位于所述离子源主体的样品靶孔中，所述样品靶设置在所述样品靶固定杆和所述离子源主体之间；

所述进光螺钉将所述密封片固定在所述进光孔中，所述密封片用于密封所述进光孔；

其中，所述密封件用于密封所述样品靶固定杆和所述离子源主体的样品靶孔之间的间隙。

本发明提供了一种激光溅射团簇离子源，其对结构进行了优化，通过增加设置密封件，改善了样品靶固定杆与离子源主体之间的密封情况，显著提高了激光溅射团簇离子源的工作效率。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种激光溅射团簇离子源装置结构示意图；所述激光溅射团簇离子源装置包括：离子源主体1、脉冲阀2、样品靶固定杆3、进光螺钉4、样品靶5、喷嘴7、密封片8和密封件9；其中，如图2所示，为本发明实施例提供的离子源主体的结构示意图，离子源主体1相对的两个表面上分别开设有样品靶孔11和进光孔12，离子源主体1上还开设有与进光孔12垂直的团簇离子生长通道13和载气进入通道；脉冲阀2内部开设有贯穿的空心通道，空心通道、载气进入通道、团簇离子生长通道13、喷嘴7依次相连形成通路；样品靶固定杆3位于离子源主体1的样品靶孔11中，样品靶5设置在样品靶固定杆3和离子源主体1之间；进光螺钉4将密封片8固定在进光孔12中，密封片8用于密封进光孔12；其中，密封件9用于密封样品靶固定杆3和离子源主体1的样品靶孔11之间的间隙。

需要说明的是，如图3所示，为本发明实施例提供的样品靶固定杆的结构示意图，样品靶固定杆3的一端开设有样品靶固定孔14，用于放置样品靶5，并将样品靶5固定在离子源主体1的样品靶孔11中。

本发明实施例中通过在样品靶固定杆与离子源主体之间增加密封件，改善了样品靶固定杆与离子源主体之间的密封情况，需要说明的是，本发明实施例中对所述密封件不做限定，只要是具有弹性的，起到密封作用的密封件均可以适用于本发明实施例。为方便密封件的安装以及定制，可选的，本发明实施例中密封件为密封圈，由于橡胶材质相对于其他密封材质比较经济，且作为密封圈，橡胶O圈的可制定化程度高，具有较好的耐磨性，因此更加优选的，所述密封圈为橡胶O圈。

在激光溅射团簇离子源的安装过程中，先将橡胶O圈套设在样品靶固定杆的外壁上，然后将样品靶固定杆塞进离子源主体的样品靶孔中，需要说明的是，为了密封效果较好，增加了橡胶O圈的样品靶固定杆的直径将略大于样品靶孔的内径，在塞的过程中，有时候会发生橡胶O圈滑出来的现象。为解决这一问题，如图3所示，本实施例中在样品靶固定杆的外壁上开设有橡胶O圈槽15，用以定位所述橡胶O圈，防止橡胶O圈滑落。发明人经过实践发现，即使增加橡胶O圈槽，也有可能出现橡胶O圈滑落，密封效果差的现象，为保证密封效果，本发明实施例中可选的，所述橡胶O圈的个数为至少2个，且沿所述样品靶固定杆3的轴线方向并排布置。即设置多个橡胶O圈，并将多个橡胶O圈沿所述样品靶固定杆3的轴线方向层叠排列在品靶固定杆3的外壁，在安装过程中，即使有部分橡胶O圈滑落，也还有一部分橡胶O圈能够保证密封效果。

本实施例中，离子源主体为整个装置的中心部件，其他组件都直接或者间接与其配合工作。如进光螺钉4通过螺纹与离子源主体连接用以固定密封片，位于样品靶孔11内用于固定样品靶5的样品靶固定杆3与离子源主体1通过橡胶O圈密封连接。

离子源主体1的中间部分为贯穿离子源主体1的空心通道，如图2所示，空心通道以进光孔12为界限，左窄右宽，窄的为载气进入通道，与脉冲阀2的出气口相连接；宽的为团簇离子生长通道13，与喷嘴7相连接。本实施例中脉冲阀2的空心通道、载气进入通道、团簇离子生长通道13和喷嘴7中孔依次相连，形成气路，且本实施例中上述通道采用同轴设计，以保证气路的准直和通畅。脉冲阀的空心通道的出气口处设置有弹簧带动的堵头，通常情况下，脉冲阀2的空心通道和载气进入通道之间通过堵头隔绝，气束无法通过，当脉冲阀接收到脉冲信号时，弹簧拉动堵头将脉冲阀2的空心通道和载气进入通道之间的通道打开，让载气通过，使得脉冲阀2的空心通道、载气进入通道、团簇离子生长通道13和喷嘴7形成气路。

需要注意的是，如图1所示，激光10通过进光孔12进入到离子源主体内部，与样品靶5发生溅射的过程是发生在真空中的，脉冲激光直接溅射固体样品靶表面，高温汽化样品产生等离子体，等离子体被脉冲阀2喷出的载气带走进入团簇离子生长通道13中，此处与载气碰撞、冷却并聚集形成团簇。因此等离子体与载气的充分碰撞是团簇形成的关键。

本实施例中，为保证离子源主体内部的真空状态，以及密封效果。通过进光螺钉4通过螺纹与离子源主体1连接用以固定密封片8，本实施例中，密封片8起到了类似密封的作用，溅射激光10仅从击穿密封片8形成的小孔中通过，极大的限制了等离子体从离子源主体1的进光孔12处的泄露。另外，团簇离子生长通道13内径较大，而两端进口和出口直径较小。两头小，中间大的结构可以让载气与等离子体充分碰撞，对于团簇离子信号的增强也起到一定的作用。

本实施例中对所述密封片8的材质不做限定，只要能够起到密封作用，且在激光的作用下，能够被激光穿透即可，可选的，本实施例中密封片的材质为铜，即密封片8为铜片，以便于在实验室中容易获取。

需要说明的是，本发明实施例中对脉冲阀不做限定，可选的，脉冲阀2采用脉冲持续时间较长，在一个脉冲内喷出的气体量较多的脉冲阀。

本实施例中对所用的激光也不做限定。激光的选择是主要取决于激光脉冲能量、样品对于特定波长激光的反射率、激光脉冲宽度、样品的热传导速率等，以上因素决定了激光传递给样品的能量以及等离子体的生成种类。由于常用的准分子激光器产生的激光不容易聚焦，本实施例中可选的，所用溅射激光10为波长为1064nm的红外光。波长1064nm的激光是由Nd:YAG激光器产生的，Nd:YAG激光器产生的激光是近高斯型的，容易进行聚焦，从而更易于在样品靶表面溅射出等离子体。

本发明实施例中，通过在样品靶固定杆3与离子源主体1之间设置密封件进行密封，溅射激光10溅射样品靶5表面产生的等离子体不会从样品靶固定杆3与离子源主体1连接处发生泄露，从而能够充分进入团簇离子生长通道13参与团簇离子的生成，进而显著的提高了激光溅射团簇离子源中团簇离子的产生效率，增强了离子信号。

请参见图4，图4为本发明实施例提供的另一种激光溅射团簇离子源的结构示意图；所述激光溅射团簇离子源包括离子源主体1、脉冲阀2、样品靶固定杆3、进光螺钉4、样品靶5、喷嘴7、密封片8和密封件9，其中，上述结构的连接关系以及作用均与上面实施例中的连接关系以及作用相同，本实施例中对此不做详细赘述。

与上一实施例不同的是，本实施例中激光溅射团簇离子源还包括步进电机6，步进电机6与样品靶固定杆3背离样品靶5的一端连接，样品靶固定杆3在步进电机6的作用下，带动样品靶5在样品靶孔11内旋转。本实施例中通过将进光孔12与所述样品靶5采用偏轴设计，即进光孔12与样品靶5的轴线不位于同一直线上，使得激光溅射团簇离子源工作时，聚焦后的溅射激光10将密封铜片8打穿后，打在在步进电机6带动下匀速转动的样品靶5表面，溅射激光10与样品靶5的作用区域形成一个圆，而非打在样品靶5表面一个点，从而大大提高了样品靶的利用率。更加可选的，进光孔12与样品靶5的旋转轴之间的距离越大，组成的圆越大，从而使得样品靶的利用率更好，因此，进光孔12与样品靶5的旋转轴之间的距离越大越好。

鉴于样品靶固定杆与离子源主体之间的橡胶O圈密封设计，溅射激光与样品靶相作用形成的等离子体能够有效进入团簇离子生长通道，与脉冲阀2喷射入的载气充分碰撞冷却，大大提高了团簇离子的生成几率。另外喷嘴7底部的开孔略小于团簇离子生长通道的直径，这种设计也对等离子体与载气在生长通道中的碰撞几率及团簇离子生成效率有一定的提高。

本实施例中，作为整个装置中心部件的离子源主体1，在激光溅射离子源装置工作时，离子源主体1一侧的样品靶孔11中，前端样品靶槽14中固定有样品靶5的样品靶固定杆3放置于其中。样品靶固定杆3尾部与一个转轴匀速转动的步进电机6相连。离子源主体1另一侧的进光孔12中，中间有进光通孔的进光螺钉4将密封铜片8固定在进光孔12底部，固定方式是螺纹配合。聚焦后的溅射激光10从进光螺钉4中心穿过将铜片8打穿打在步进电机6带动下匀速转动的样品靶5表面。溅射激光10与样品靶5的偏轴设计配合步进电机6的转动使溅射激光10在样品靶5表面的作用区域形成一个圆，而不是一个点，从而大大提高了样品靶5的利用率，避免了样品靶5的经常更换。另外需要强调的是溅射激光10的聚焦焦点在样品靶5的表面。

综上，本实施例提供的激光溅射团簇离子源，采用了较为简单的装置，并且大大优化了样品靶固定杆和离子源主体之间的密封情况，从而显著提高团簇离子的生成效率，增强了离子信号。另外还同时采用了偏轴溅射激光与步进电机带动样品靶转动相结合的方式，明显增加了样品靶的利用率。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。