一种分辨率快速可调的表面测试装置的制作方法

本实用新型涉及对材料的显微技术领域，尤其是一种具有特殊设计的准直孔径，且喷射头与分流器的距离能够根据原子束流强度自动可调的一种分辨率快速可调的表面测试装置。

背景技术：

在显微技术领域，一般的电子显微镜只能对导电样品进行成像，且其工作时发射出的电子束的能量较高，会使某些较为敏感的样品表面受到辐射损伤。原子束显微镜能够克服以上缺陷，对易损或绝缘样品进行成像，其通常采用惰性气体原子作为发射原子，惰性气体原子束能量很低，且化学性质非常稳定，这些因素使原子束显微镜能够非破坏性地得到样品表面图像。原子束显微镜的工作原理是：在高真空中，自由原子流通过喷射头和孔径形成一束气体原子束射向样品表面，同时令样品或孔径在二维平面内扫描，采用质量过滤探测器探测被样品表面反射的原子，并根据气体分压输出图像密度信号。一般的原子束显微镜中具有分流器，喷射头发射出的自由射流形式的原子的一部分通过分流器后形成原子束并射向样品。氦原子显微镜的分辨率取决于样品表面的束斑尺寸，即与原子束流的特性相关。现有技术缺陷一：分流器与喷射头之间距离会影响束流特性，但是，目前没有原子束显微装置能够实现分流器与喷射头之间距离精确可调。现有技术缺陷二：研究不同的样品的不同特性需要使得原子束显微镜在不同的分辨率下工作，但是，如果在实验中要改变原子束显微镜的分辨率，需要破坏装置的真空环境来更换元件，步骤繁琐并影响实验进度，所述一种分辨率快速可调的表面测试装置能够解决问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型目的是改变样品表面的束斑尺寸和提高显微镜分辨率，所述一种分辨率快速可调的表面测试装置具有特殊设计的准直孔径，且喷射头-分流器距离根据原子束流强度自动可调，以适应不同的气体原子种类和不同的原子束的动能，并能够快速且有步进地改变装置的分辨率，基本方法是将由一系列准直孔径组成的阵列安装于原子束流的路径中，以此改变束流的有效截面积，从而改变样品表面的束斑尺寸和显微镜分辨率。

本实用新型所采用的技术方案是：

所述一种分辨率快速可调的表面测试装置主要包括储气罐、气管、由腔体I和腔体II连接成的真空腔体、喷射头、驱动器I、分流器、驱动器II、准直孔径阵列、位移台、主孔径、探测器I、样品、样品台、计算机、探测器II、抽气口I、真空泵组I、抽气口II、真空泵组II，xyz为三维坐标系，z轴为水平方向，所述腔体I和腔体II通过分流器连接，腔体II通过抽气口I连接真空泵组I，腔体I通过抽气口II连接真空泵组II，所述喷射头位于腔体I内，喷射头通过气管与真空腔体外的储气罐连接，喷射头出口与分流器的入口相对，所述准直孔径阵列、位移台、主孔径、探测器I、探测器II、样品和样品台均位于腔体II内，样品固定于样品台，探测器I和探测器II分别位于样品表面两侧，样品台能够三维移动，驱动器I、驱动器II、位移台、样品台、探测器I和探测器II分别电缆连接计算机，主孔径中心位于喷射头出口中心和分流器入口中心的连线的延长线上，样品表面正对主孔径出口；当气体原子从储气罐通过气管传输至喷射头并以自由射流形式射入腔体I，原子束流的一部分进入分流器入口并通过分流器进入腔体II，能够依次通过准直孔径阵列及主孔径后射到样品表面，从而形成原子束流的传输路径，驱动器I固定于腔体I内并连接喷射头，驱动器I能够使得喷射头三维移动，驱动器II固定于腔体I内并连接分流器，驱动器II能够使得分流器三维移动，主孔径具有内径为40微米的通孔，所述通孔中安装有用于原子束聚焦的波带片，位移台固定于腔体II内并连接准直孔径阵列，位移台能够使得准直孔径阵列在xy平面内平移；计算机能够通过探测器I和探测器II得到从样品表面反射的原子束流强度，并控制驱动器I和驱动器II来调整喷射头与分流器的相对位置；准直孔径阵列由氮化硅材料制成，具有一系列轴向为z轴方向且内径不同的准直孔径，准直孔径尺寸包括50微米、20微米和10微米，每个准直孔径的中心位于一个xy平面内的二维网格的节点上，相邻节点之间的距离为200微米；喷射头内径为5微米，分流器内径为100微米，喷射头和分流器初始距离为10毫米。

利用所述一种分辨率快速可调的表面测试装置进行测量的方法步骤为：

一.开启真空泵组II和真空泵组I，分别对腔体I和腔体II抽真空，使得腔体I内真空优于10^-1Pa，腔体II内真空优于10^-2Pa；

二.储气罐通过气管输出气体至喷射头，气体原子以自由射流形式进入腔体I，并通过分流器后，以原子束流形式进入腔体II；

三.原子束流依次通过准直孔径阵列和主孔径后射到样品表面；

四.根据实验需要控制位移台移动，以调节准直孔径阵列位置，使得需要的孔径位于原子束流路径上；

五.喷射头与分流器位置调整，具体步骤为：

首先进行粗扫描，控制驱动器I使得喷射头以步进0.1dsk在xy平面内随机扫描，每一步进的方向为x或y方向，扫描范围3dsk×3dsk，其中dsk是分流器的内径，当探测到信号峰强度为背底噪声的三倍时，停止扫描，所述背底噪声为探测器I和探测器II在没有输入时所探测到的信号电平；

然后进行细扫描，控制驱动器I使得喷射头在xy平面内以z轴方向为轴线作一周的圆周运动，定义为一个环形步进，每结束一个环形步进，计算机得到该环形步进中探测器I和探测器II采集的信号的平均强度，下一个环形步进的圆周的半径增加0.01dsk；环形步进的圆周半径的范围从0.01dsk到0.15dsk，当在某一环形步进得到的信号平均强度比前一环形步进得到的信号平均强度减少量大于2％时，停止细扫描，细扫描可以重复多次，以获得更好的喷射头与分流器相对位置；

进一步在z方向调节喷射头与分流器距离，控制驱动器I使得喷射头以步进10dsk在z轴方向移动，移动范围100dsk，并比较每次移动的信号强度，最终在信号最强的位置停止扫描；

六.样品台在1×1微米范围内平移，以使得样品表面1×1微米范围内能够被原子束直接照射；

七.被样品表面反射的部分原子进入探测器I和探测器II，探测器I和探测器II所得数据输入计算机

八.计算机处理数据，得到样品表面的相关信息。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型能够快速地改变束流的有效截面积，从而改变样品表面的束斑尺寸和装置的分辨率，而无需破坏装置内的真空环境，操作简便且省时；另外，装置能够在多种实验条件下工作，适用于不同的气体原子种类和不同的原子束的动能，增大了其能够测量的样品的种类和所测物理量的范围。

附图说明

下面结合本实用新型的图形进一步说明：

图1是本实用新型示意图。

图中，1.储气罐，2.气管，3.真空腔体，3-1.腔体I，3-2.腔体II，4.喷射头，5.驱动器I，6.分流器，7.驱动器II，8.准直孔径阵列，9.位移台，10.主孔径，11.探测器I，12.样品，13.样品台，14.计算机，15.探测器II，16.抽气口I，17.真空泵组I，18.抽气口II，19.真空泵组II。

具体实施方式

如图1是本实用新型示意图，所述一种分辨率快速可调的表面测试装置主要包括储气罐(1)、气管(2)、由腔体I(3-1)和腔体II(3-2)连接成的真空腔体(3)、喷射头(4)、驱动器I(5)、分流器(6)、驱动器II(7)、准直孔径阵列(8)、位移台(9)、主孔径(10)、探测器I(11)、样品(12)、样品台(13)、计算机(14)、探测器II(15)、抽气口I(16)、真空泵组I(17)、抽气口II(18)、真空泵组II(19)，xyz为三维坐标系，z轴为水平方向，所述腔体I(3-1)和腔体II(3-2)通过分流器(6)连接，腔体II(3-2)通过抽气口I(16)连接真空泵组I(17)，腔体I(3-1)通过抽气口II(18)连接真空泵组II(19)，所述喷射头(4)位于腔体I(3-1)内，喷射头(4)通过气管(2)与真空腔体(3)外的储气罐(1)连接，喷射头(4)出口与分流器(6)的入口相对，所述准直孔径阵列(8)、位移台(9)、主孔径(10)、探测器I(11)、探测器II(15)、样品(12)和样品台(13)均位于腔体II(3-2)内，样品(12)固定于样品台(13)，探测器I(11)和探测器II(15)分别位于样品(12)表面两侧，样品台(13)能够三维移动，驱动器I(5)、驱动器II(7)、位移台(9)、样品台(13)、探测器I(11)和探测器II(15)分别电缆连接计算机(14)，主孔径(10)中心位于喷射头(4)出口中心和分流器(6)入口中心的连线的延长线上，样品(12)表面正对主孔径(10)出口；当气体原子从储气罐(1)通过气管(2)传输至喷射头(4)并以自由射流形式射入腔体I(3-1)，原子束流的一部分进入分流器(6)入口并通过分流器(6)进入腔体II(3-2)，能够依次通过准直孔径阵列(8)及主孔径(10)后射到样品(12)表面，从而形成原子束流的传输路径，驱动器I(5)固定于腔体I(3-1)内并连接喷射头(4)，驱动器I(5)能够使得喷射头(4)三维移动，驱动器II(7)固定于腔体I(3-1)内并连接分流器(6)，驱动器II(7)能够使得分流器(6)三维移动，主孔径(10)具有内径为40微米的通孔，所述通孔中安装有用于原子束聚焦的波带片，位移台(9)固定于腔体II(3-2)内并连接准直孔径阵列(8)，位移台(9)能够使得准直孔径阵列(8)在xy平面内平移；计算机(14)能够通过探测器I(11)和探测器II(15)得到从样品(12)表面反射的原子束流强度，并控制驱动器I(5)和驱动器II(7)来调整喷射头(4)与分流器(6)的相对位置；准直孔径阵列(8)由氮化硅材料制成，具有一系列轴向为z轴方向且内径不同的准直孔径，准直孔径尺寸包括50微米、20微米和10微米，每个准直孔径的中心位于一个xy平面内的二维网格的节点上，相邻节点之间的距离为200微米；喷射头(4)内径为5微米，分流器(6)内径为100微米，喷射头(4)和分流器(6)初始距离为10毫米。

本实用新型具有特殊设计的准直孔径，能够快速地改变束流的有效截面积，从而改变样品表面的束斑尺寸和装置的分辨率，实验步骤简便，另外，其喷射头与分流器距离根据原子束流强度自动可调，能够适用于不同的气体原子种类和不同的原子束的动能，使得装置能够在多种实验条件下工作。