一种产生可控涡旋电子束的装置及方法与流程

本发明属于涡旋电子束生成领域，具体涉及一种产生可控涡旋电子束的装置及方法。

背景技术：

近年来的预测和实验证明：改变电子波阵面的基本结构可以使电子波具有许多特定的性质，该特定的性质能够在常用透射电子显微镜中实现新的功能。如果重构的电子束具有连续的涡旋波阵面，则该电子束被称为涡旋电子束。在涡旋电子束中，电子概率电流遵循涡旋路径，在沿轴传播方向上，具有方位角动量分量。

单一涡旋束可以由ψ∝f(r)·exp(ilφ)·exp(ikzz)描述，其中，(r,φ,z)是圆柱坐标；kz是射束的前向动量；l为涡旋阶数，也被称为拓扑荷数，单一涡旋束在围绕涡旋中心的回路中相位改变2πl。在单一涡旋束中，涡旋阶数l与绕组数(描述涡旋的关键参数)成正比，此外，涡旋阶数l也与波束的轨道角动量(oam)有关，这是一个涡旋束非常有趣的特性。携带轨道角动量的涡旋电子束已经在纳米颗粒操控(旋转、移动、束缚等)以及磁性探测(有望达到原子级分辨)方面应用的巨大潜力。

为控制操纵电子波的相位以产生特定轨道角动量量子数，人们研究了各种各样方法以产生涡旋电子束。到目前，人们能够产生涡旋电子束的方法包括：相位片法、全息重构法、类磁单极场法。

相位片法是指利用涡旋相位片，将入射到该涡旋相位片的平面波变成涡旋波。研究者通过平面电子束干涉的方法验证涡旋电子束的产生。一个2π的相位差，将产生拓扑荷数为1的涡旋电子束。该相位片法虽能产生涡旋电子束，但是存在以下缺点：(1)产生的拓扑荷数较低，很多时候不能满足需求；(2)相位片的使用寿命有限，这主要是因为：相位片材料在高能量的电子束的作用下不稳定，容易被破坏、污染；(3)相位片的加工困难，无法做到理想的涡旋形结构，近似阶梯结构的相位片不利用产生单一的涡旋电子束。

全息重构法是迄今为止用于产生电子涡流束的最常见的方法。研究者利用全息光阑观察到了涡旋电子束，但是所产生的涡旋电子束是多束携带不同轨道角动量的电子束，而拓展其应用需要单一电子束，要从多束中选择单束有很大的困难。此外，全息光阑会将大部分电子束挡住，强度损失较大，效率低，在电子显微表征中表现为信号较弱。

类磁单极场法是指利用小磁针末端的类磁单极子特性作用于入射的电子束，根据aharonov-bohm效应而产生了涡旋电子束。虽然该方法解决了全息重构法遮住大部分电子束的缺点，但是小磁针产生的磁场不可控，无法产生不同轨道角动量的涡旋电子束。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种产生涡旋电子束的装置及方法。该装置能够产生可控轨道角动量的涡旋电子束。

本发明的第一实施方式提供了一种基于tem(透射电子显微镜)产生可控涡旋电子束的装置，包括：

电子枪，产生平面电子束；

磁场控制器；

绕有导电线圈的磁针，通过电学设备负载的芯片设置于平面电子束通道上，受所述磁场控制器作用产生强度可控的磁场，所述磁场用于调制所述平面电子束的相位。

纳米级磁化铁磁针的尖端处产生有效的单极场。aharanov-bohm效应可以用于理解这种单极场对电子束的影响。当平面电子波与假想的磁单极子相互作用时，将会产生涡旋电子束。一个包含磁通量的封闭电荷路径可以获得aharonov-bohm(a-b)相：

a是磁矢量电位，是量子物理学中使用的数学工具，是具有真实意义的，a*ds是指包围区域的磁通量。e是电荷，是常数，c是光速。

即使这个电子没有穿越有磁场线的区域，由量子力学效应，这个a-b相仍然可以产生。而在经典力学中因没有力作用在电荷上将没有任何效应。在无限圆柱体磁场线区，a-b效应常常被讨论。因为这可以避免在磁场为b＝rota的特殊点产生的特殊效果。形式如下：

r是圆柱体半径，r径向矢量。

计算垂直穿越半无限圆柱体磁通线的电子的aharonov-bohm相，将会获得依赖于圆柱体末端的线性方位角的方程式：

这意味着通过的电子确实将转变为涡旋状态：

ψout＝ψinexp(imφ)

其中m取决于磁单极子的电荷，φ是垂直于电子波传播的平面中的方位角。对于一个真单极场，这里电荷是量子化的，这个导致一个整数m(g＝mc/(2*e)),一个完美的相涡旋拓扑电荷m。

因此，本发明利用磁场控制器，调控流经线圈的电流，就会调控磁针尖端的磁场大小，从而获得不同轨道角动量并且可控的涡旋电子束。

所述的芯片为含有电极片的载片，对所述导电线圈起支撑和连接作用。载片可以为玻璃片、硅片或者氧化铝陶瓷片等。

作为优选，所述芯片可以为样品芯片。

作为优选，所述电学设备为电学样品杆或光阑杆。

作为优选，所述磁针水平设于芯片的表面，且磁针的针尖置于芯片的中心。

作为优选，所述磁针上的导电线圈与芯片的电极片一端相连，经负载芯片的电学设备与所述磁场控制器形成磁场控制回路。芯片置入到电学设备内后，芯片内的电极片另一端与电学设备内的电极片一端连接，并利用内部电路与外界磁场控制器相连，形成完整系统。

作为优选，所述芯片中心处设有光阑孔，进一步地，所述光阑孔的直径为30～80um，合适的光阑直径有利于获得形态稳定的单一、可控轨道角动量涡旋电子束。

作为优选，所述磁针的直径为1～20um，长度为80～200um。

作为优选，所述绕有导电线圈的磁针的制备方法为：首先，选取直径为1～20um的磁性线，并于所述磁性线的表面沉积一绝缘层；然后，于所述绝缘层的表面电镀一导电层，并将所述导电层切割成线圈，形成绕有导电线圈的磁针。

所述的磁性线为具有磁性的线状材料，可以为ni、feni合金、coni合金，作为优选，所述磁性线为ni。

作为优选，所述于所述磁性线的表面沉积一绝缘层的具体过程为：首先，将有机溶剂与氨水经混合、超声、静置处理后，再与teos经混合、超声形成绝缘液；然后，将磁性线于所述绝缘液中搅拌加热反应，形成绝缘层。有机溶剂为异丙醇、环己烷等。

作为优选，所述绝缘材料为sio2、al2o3。

进一步优选，所述于所述磁性线的表面沉积一绝缘层的具体过程为：首先，将有机溶剂与氨水经混合、超声3～10min、静置处理后，再与绝缘材料经混合、超声1～5min形成绝缘液；然后，将磁性线于所述绝缘液中，并在25～65℃下搅拌反应3h～6h，形成厚度为1～5um的绝缘层。

作为优选，导电层的材料为cu、au、pt，进一步优选，所述导电层的材料为cu。作为优选，导电层的厚度为0.1～2um。

作为优选，所述磁场控制器为能够控制输出不同电流的电器或元件，可以为滑动电阻、电流发生器等。

本发明的第二实施方式提供了一种利用上述装置产生可控涡旋电子束的方法。

本发明的第三实施方式提供了一种产生可控涡旋电子束的装置，包括：

电子枪，用于产生平面电子束；

磁场控制单元；

电子相位调制单元，受所述磁场控制单元作用产生强度可控的磁场，所述磁场用于调制所述平面电子束的相位。

作为优选，所述电子相位调制单元可以为绕有导电线圈的磁针。所述磁场控制单元为电流控制器。

相比于现有技术，本发明提供的实施方式具有以下优点：

(1)克服了相位片法不稳定、使用寿命有限、加工难度大，全息光阑法电子束强度低以及类磁单极法轨道角动量不可控的缺点，基于类磁单极原理，在电子显微镜中形成类磁单极的磁场分布，以获得具有单一轨道角动量，量子数可控的涡旋电子束。

(2)磁场控制器可以通过调控线圈电流大小，从而调控磁针尖端的磁场强度，因而可以获得携带不同轨道角动量的涡旋电子束。

附图说明

图1是实施例1提供的应用于tem中产生可控涡旋电子束的装置结构示意图；

图2是实施例2制备的绕有导电线圈的磁针通电后的磁场模拟图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

参见图1，本实施例提供了一种应用于tem中产生可控涡旋电子束的装置，该装置包括：电学样品杆1、样品芯片2、绕有导电线圈的磁针3以及磁场控制器4。电学样品杆1的端头设有安装槽，尾部的电极与磁场控制器4连接；样品芯片2的中心处设有光阑孔5，且置于安装槽内，样品芯片2内电极一端与样品杆2内电极连接；绕有导电线圈的磁针3水平置于样品芯片2的表面，且绕有导电线圈的磁针3的尖端与光阑孔5中心对齐，导电线圈与样品芯片2的电极片另一端相连。

本实施例中，磁场控制单元为电流控制器。光阑孔5直径为50um。

采用聚焦离子束仪器将磁针3连接于样品芯片2上，具体过程为：

首先，用一根钨针粘住磁针3的一端部(此时仅物理接触)，并在接触部位喷上pt，使得钨针与磁针3稳固接触；

然后，用纳米机械手将钨针缓缓提起(速度不能过快，防止磁针掉落)，移至样品芯片2上面，将磁针3的尖端与通孔5中心对准后放置于样品芯片2上，在磁针3尾部与芯片接触地方镀上pt，使之固定；

最后，切断钨针与磁针3，完成磁针3与样品芯片2的电连接。

实施例2

本实施例提供一种制备磁针3的方法，具体为：

首先，选取直径为10um、长为100um的磁性线，该磁性线为ni。

然后，在磁性线的表面沉积一绝缘层。

本实施例中，在磁性线的表面沉积一绝缘层的具体过程为：

(1)量取适量的有机溶剂(该有机溶剂可以为环己烷、异丙醇)盛于三颈烧瓶内，并用移液枪滴入适量的去离子水，搅拌10min左右，再加入适量氨水，在室温下超声10min左右，静置；(2)将上述处理后的有机溶剂与teos混合后室温下超声5min左右，形成绝缘液；(3)将固定好的磁性线置于烧杯中，将绝缘液慢慢滴入烧杯，在并在45℃下搅拌反应6h，形成厚度为2um的绝缘层。

接下来，于绝缘层的表面电镀一导电层。本实施例中，该过程具体为：

(1)选取铜为导电材料，并用甲醇浸泡铜片和磁性线表面，防止有机物的污染；(2)将铜片与稳压交流电源的正极连接，固定包覆绝缘层磁线的导电胶与稳压交流电源的负极连接，开启电源，开始电镀，在电镀过程中，阳极的铜片发生氧化反应：cu－2e^-→cu²⁺，阴极则发生铜离子在线表面被还原的反应：cu²⁺+2e^-→cu，形成厚度为0.5um的导电层。

最后，于导电层切割成线圈，形成绕有导电线圈的磁针。本实施例中，该过程采用fib切割法。

采用comsol软件对绕有导电线圈的磁针进行磁场模拟测试，测试结果如图2所示。从图2可以看到：在通入电流的情况下，磁针尖端有较强的磁场，并且当电流为2a(图2b)的磁场强度远大于电流为1a(图2a)的磁场强度。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。