一种软X射线滤光片及其制备方法和用途

一种软x射线滤光片及其制备方法和用途
技术领域
1.本发明涉及x射线探测应用领域，特别是涉及一种软x射线滤光片及其制备方法和用途。


背景技术：

2.在x射线探测应用方面，一般需要过滤某一波段的光，或者允许某一波段的x光通过。例如在软x射线波段，一般会在探测器前安装一块滤光片，只允许能量范围的100～1000ev的光子通过，从而屏蔽掉可见光对探测结果的影响。传统的滤光片是使用对二甲苯的聚合物薄膜作为支撑结构，然后在薄膜上镀一层金属铝膜，从而实现对可见光的过滤和软x射线的透过作用。然而，对二甲苯的聚合物在能量为277～400ev附近有很强的吸收作用，导致这一能量范围的透过率很低，进而影响到探测器的测量结果。例如，当我们需要对样品中的碳元素进行谱学分析时，由于碳元素的特质谱线能量在277ev附近，而这一能量刚好被对二甲苯聚合物吸收，导致我们无法测得有用的样品信号。此外，对二甲苯聚合物的厚度一般在微米量级，如此厚的膜本身对软x射线就有明显的阻挡作用，即使是能量为400ev的光子(固氮反应过程中经常会探测的能量)，其透过率也只有10％。因此可以看出，传统软x射线滤光片的缺点，严重地限制了探测器在软x射线波段的探测和应用。


技术实现要素：

3.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种软x射线滤光片及其制备方法和用途，用于解决现有技术中的问题。
4.为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种软x射线滤光片，包括石墨烯支撑层，所述石墨烯支撑层表面涂覆有铝膜。
5.在本发明一些实施方式中，所述石墨烯支撑层的厚度为0.35～0.7nm。
6.在本发明一些实施方式中，所述铝膜的厚度为10～50nm。
7.在本发明一些实施方式中，所述软x射线滤光片还包括框架结构，所述石墨烯支撑层被固定于框架结构上。
8.在本发明一些实施方式中，所述软x射线滤光片对于能量为200～1000ev的光子的通过率≥80％；
9.和/或，所述软x射线滤光片对于能量为400～1000ev的光子的通过率≥95％。
10.本发明另一方面提供上述的软x射线滤光片的制备方法，包括：在石墨烯支撑层表面形成铝膜。
11.在本发明一些实施方式中，所述在石墨烯支撑层表面形成铝膜的方法选自物理气相沉积法。
12.在本发明一些实施方式中，所述物理气相沉积法选自电子束蒸镀。
13.在本发明一些实施方式中，还包括：将石墨烯支撑层固定于框架结构上。
14.在本发明一些实施方式中，所述框架结构的材质为硅。
附图说明
15.图1显示为本发明实施例1中软x射线滤光片的制备过程示意图。
16.图2显示为本发明实施例1中石墨烯转移至开孔的硅片表面的实物示意图。
17.图3显示为本发明实施例1中石墨烯表面蒸镀铝膜后的实物示意图。
18.图4显示为本发明实施例1中增加滤光片前后ccd测得信号对比示意图。
具体实施方式
19.为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容容易地了解本技术发明的其他优点及功效。
20.为了简便，本技术仅明确地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围，以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，尽管未明确记载，但是范围端点间的每个点或单个数值都包含在该范围内。因而，每个点或单个数值可以作为自身的下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。
21.在本文的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“以上”、“以下”为包含本数，“一种或多种”中“多种”的含义是两种以上。
22.本发明的上述发明内容并不意欲描述本发明中的每个公开的实施方式或每种实现方式。如下描述更具体地举例说明示例性实施方式。在整篇申请中的多处，通过一系列实施方式提供了指导，这些实施方式可以以各种组合形式使用。在各个实施方式中，列举仅作为代表性组，不应解释为穷举。
23.本发明第一方面提供一种软x射线滤光片，包括石墨烯支撑层，所述石墨烯支撑层表面涂覆有铝膜。上述的软x射线滤光片是一种基于石墨烯支撑结构的软x射线滤光片，软x射线滤光片中的铝膜基本上可以完全阻挡可见光透过，滤光片整体上对于特定能量范围的光子具有更高的透过率，能够很好地保证软x射线的透过率。
24.本技术所提供的软x射线滤光片中，石墨烯支撑层主要是作为软x射线滤光片中的支撑结构，其具有很好的韧性和透光性，可以用来作为载体，采用石墨烯作为铝膜的支撑结构，可以有效提高光子的透过率。石墨烯支撑层通常需要具有合适的厚度，例如，石墨烯支撑层的厚度可以为0.35～0.7nm、0.35～0.4nm、0.4～0.45nm、0.45～0.5nm、0.5～0.55nm、0.55～0.6nm、0.6～0.65nm、或0.65～0.7nm。
25.本技术所提供的软x射线滤光片中，铝膜主要是作为软x射线滤光片中阻挡可见光的部件，采用铝膜可以基本上完全阻挡可见光透过，同时保证软x射线的透过率。铝膜通常需要具有合适的厚度，例如，铝膜的厚度可以为10～50nm、10～15nm、15～20nm、20～25nm、25～30nm、30～35nm、35～40nm、40～45nm、或45～50nm。
26.本技术所提供的软x射线滤光片中，还可以包括框架结构。框架结构的形状没有特殊限制，主要适用于支撑和展开软x射线滤光片，并使得待过滤的光线(例如，x射线等)可以通过上述软x射线滤光片并经受过滤。例如，框架结构可以包括供光线通过的窗口，而软x射线滤光片则可以被展开铺设于窗口中。再例如，采用的框架结构的材质可以为硅等。
27.本技术所提供的软x射线滤光片，可以使得能量为200～1000ev的光子的通过率达到≥80％，对于能量为400～1000ev的光子的通过率可以达到≥95％，而对于能量≥1000ev的光子几乎可以完全透过。光子的通过率的计算方法对于本领域技术人员来说应该是已知的，例如，可以根据美国劳伦斯伯克利实验室官网提供的计算工具得到的，具体可以参见https://henke.lbl.gov/。
28.本发明第二方面提供本发明第一方面所提供的软x射线滤光片的制备方法，包括：在石墨烯支撑层表面形成铝膜。通常来说，可以在被固定的石墨烯支撑层的表面，通过物理气相沉积法(例如，电子束蒸镀等)等方法形成铝膜。
29.本技术所提供的软x射线滤光片的制备方法中，还可以包括：将石墨烯支撑层固定于框架结构上。本领域技术人员可选择合适的方法将石墨烯支撑层进行转移，从而固定于框架结构上。例如，可以将石墨烯支撑层置于合适的液相中(例如，水等)，从而使石墨烯支撑层能够充分展开，并附着到框架结构上，充分干燥后即可提供被固定于框架结构上的石墨烯支撑层。此外，如果有必要，还可以对石墨烯支撑层进行适当地洗涤，以去除其表面的其他物质(例如，pmma部分等)。
30.本技术所提供的软x射线滤光片采用了石墨烯作为铝膜的支撑结构，使得能量在277ev附近的光子，其透过率可达到90％以上，克服了现有滤光片对该能量范围透过率底的问题，而对于能量范围在400
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1000ev的光子，其最低透过率更是达到95％以上，尤其是能量大于1000ev的光子，几乎完全透过。此外，上述软x射线滤光片在制备过程中可以采用硅片作为支撑框架，兼容现有的半导体工艺，有利于实现批量生产和用户定制化加工，具有良好的产业化前景。
31.下面通过实施例对本技术予以进一步说明，但并不因此而限制本技术的范围。
32.实施例1
33.软x射线滤光片的制备方法参照图1。
34.使用飞秒激光对硅片进行切割和开孔操作，开孔部分大小根据用户需求进行加工，加工后的硅片用户作为框架对上层石墨烯和金属膜进行支撑。开孔部分主要作为窗口让x射线通过。实施例中使用的硅片尺寸为20mm
×
20mm，然后在硅片中间开一个10mm
×
10mm大小的孔，从而形成一个支撑薄膜的框架(参照图1中的步骤1)。
35.将开孔的硅片表面用去离子水清洗后，高温烘干，然后涂有pmma的石墨烯漂浮于水面，用硅片将漂浮物缓慢捞起，使其附着于硅片表面，然后再进行烘干，将表面的水分去除干净。接着在丙酮溶液中浸泡30分钟，去除表面的pmma部分。去除干净后烘干，石墨烯则转移至硅片表面(参照图1中的步骤2)。石墨烯转移至开孔的硅片表面的实物图参见图2。由图2可知，石墨烯在分子间作用力下可以牢牢地附着在硅片表面，小孔处的石墨烯悬空，形成一个很好的窗口。
36.使用电子束蒸发技术在石墨烯表面蒸镀一层厚度约40～50nm的金属铝膜，薄膜生长速率控制在2～3nm/min左右(参照图1中的步骤3)。使用电子书蒸发技术在石墨烯表面蒸镀铝膜后的实物图参见图3。由图3可知，铝膜很好地附着在石墨烯表面，灯光下可以粗略看到，该滤光片能够很好地阻挡可见光透过。
37.为了测试软x射线滤光片的实际效果，我们将做好的滤光片放置于软x射线发射谱仪当中，利用钛靶x光源作为信号源，其特征能量为528ev，用ccd探测器进行测试。x光源的
工作原理是利用钨丝灯产生热电子，然后热电子在外电场的作用下轰击钛靶产生特征x光，因此在整个x光的产生过程当中，必然会伴随着钨丝灯产生的可见光。图4为增加滤光片前后，ccd测得信号对比图。其中图4(a)和(c)为增加滤光片前ccd探测器测得的信号，可以看出信号最强的部分强度大约为3500；图4(b)和(d)为增加滤光片后测得的信号。增加滤光片后，信号强度显著降低，且信号最强的部分也只有370左右。图4(b)中间矩形结构的信号为x光源的几何结构。对比可以发现，图4(a)中的信号主要来自灯丝发出的可见光，而图4(b)则测得是钛靶产生的软x射线的信号，其最低强度为260，接近ccd探测器的背景噪声。因此，可以看出该滤光片对可见光有很好的过滤效果，同时可以保证软x射线具有很高的透过率。
38.综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
39.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。