專利名稱：采用紫外或深紫外激光源的高空間分辨光發(fā)射電子顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面科學(xué)研究的新技術(shù)和新方法，具體地說是采用紫外及深紫外激光作為激發(fā)光源，利用紫外激光的高能量和高強(qiáng)度等特點(diǎn)來發(fā)展高空間分辨的光發(fā)射電子顯微鏡(PEEM)，應(yīng)用于表面化學(xué)、表面物理、薄膜生長、集成電路等表面科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光發(fā)射電子顯微鏡(PhotoemissionElectron Microscopy, PEEM)是九十年代左右發(fā)展起來的一種全新的表面分析技術(shù)。它以紫外光或X射線光來激發(fā)固體表面原子中的電子，采用電子光學(xué)透鏡系統(tǒng)記錄光電子發(fā)射，并進(jìn)行成像。相比較于掃描電子顯微鏡 (SEM)、掃描隧穿顯微鏡(STM)、掃描俄歇顯微鏡(SAM)等主要的表面成像技術(shù)而言，PEEM直接以表面光發(fā)射電子平行成像而無需表面掃描過程，因而它可以實(shí)時(shí)地觀測固體表面上的動(dòng)態(tài)過程。眾所周知，表面過程例如表面生長、表面相變、表面反應(yīng)等都是動(dòng)態(tài)變化的，實(shí)現(xiàn)表面過程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測一直是表面科學(xué)研究的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。PEEM作為一個(gè)全新的表面分析技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)原位、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地對(duì)表面電子結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行成像研究，在表面化學(xué)、表面磁學(xué)、薄膜生長、微電子學(xué)等研究等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用。現(xiàn)有PEEM的空間分辨率一般在20-50nm，但是許多表面過程發(fā)生在非常小的空間尺度上。例如，在多相催化體系中催化劑尺寸通常在IOnm以下，而通常這些具有納米尺寸的催化劑才表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能；在許多受限的小尺寸量子體系中，包括量子點(diǎn)、量子線、量子阱、納米團(tuán)簇等，其空間尺度也都在IOnm以內(nèi)?，F(xiàn)有PEEM空間分辨能力大大限制了 PEEM技術(shù)的廣泛應(yīng)用，因此亟需發(fā)展新一代高空間分辨的PEEM技術(shù)。PEEM主要由三部分組成激發(fā)光源、透鏡系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)。其中激發(fā)光源是PEEM 的最關(guān)鍵部分之一，光源的強(qiáng)度直接決定了 PEEM空間分辨率的高低。首先，在高空間分辨條件下PEEM成像系統(tǒng)上能夠記錄的光電子數(shù)目大大減少，如果空間分辨率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，比如從現(xiàn)有的50nm提高到5nm，記錄成像的光電子數(shù)目會(huì)降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。其次，提高空間分辨率需要將入射的光電子能量分布(AEtl)減小即提高電子的單色性，而電子的單色性提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，記錄成像的光電子數(shù)目會(huì)降低至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。最后，提高空間分辨率需將入射的光電子準(zhǔn)直，即減小接受角α，如果α減小一個(gè)數(shù)量級(jí)實(shí)際記錄的光電子數(shù)目會(huì)降低約2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，如果將空間分辨率從現(xiàn)有的50nm提高到5nm( —個(gè)數(shù)量級(jí))， 考慮到以上因素用來成像的光電子數(shù)目會(huì)降低5個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更多。因此，必須采用高強(qiáng)度的激發(fā)光源才能實(shí)現(xiàn)在高空間分辨條件下具有足夠的成像強(qiáng)度?，F(xiàn)有的PEEM主要采用紫外光或X射線作為激發(fā)光源。實(shí)驗(yàn)室用紫外光源均為氣體放電光源，包括高壓汞燈(光子能量約為4. 9eV)和氘燈(光子能量約為6. 4eV)。以最常用的高壓汞燈為例，它的功率為100W，光亮度為1.5X105cd/Cm2，光子能量分布很寬而且是不相干；氘燈光源也具有類似的性能。這類光源的亮度不高，如果提高成像的放大倍數(shù)那么PEEM圖像的強(qiáng)度變得非常低。因此，采用氣體放電光源作為PEEM的激發(fā)光源來實(shí)現(xiàn)高分辨PEEM是比較困難。另一方面，同步輻射光源具有高亮度、單色性、準(zhǔn)直好等特點(diǎn)，并且
3光子能量連續(xù)可調(diào)，這些相比較于氣體放電光源有著更大的優(yōu)勢?，F(xiàn)有的第三代同步輻射光源所產(chǎn)生光束的亮度在IO12 1013photons/s左右。例如，Berkley國家實(shí)驗(yàn)室的ALS光源在紫外波段的光亮度為5X 1012photons/s · mrad · 0. 1% band.但是即使這樣的亮度對(duì)發(fā)展高分辨PEEM技術(shù)而言也是不夠的。將來下一代的同步輻射光源，即自由電子激光，具有更高的亮度，將是PEEM的理想激發(fā)光源。但是，同步輻射光源以及自由電子激光光源設(shè)備龐大、建造成本高，周期長。迄今為止，世界上只有為數(shù)不多的同步輻射光源實(shí)驗(yàn)室可以利用，其資源有限，適用性不廣，難以作大規(guī)模的應(yīng)用。因此，提高PEEM空間分辨率的關(guān)鍵之一是尋找到一種具有高亮度、高能量、方便使用的激發(fā)光源。眾所周知，激光通常具有很高的強(qiáng)度，并且其單色性高、準(zhǔn)直性好?，F(xiàn)有許多具有不同波長和頻率的激光光源，能量從紫外到深紫外區(qū)間。這些高能量(> 5eV)、高強(qiáng)度的 (深)紫外激光有可能作為PEEM的有效激發(fā)光源。本發(fā)明就是在這一背景下，采用一種高強(qiáng)度、高能量的紫外或深紫外激光作為PEEM的激發(fā)光源，結(jié)合改進(jìn)的電子光學(xué)系統(tǒng)，發(fā)展高空間分辨的激光PEEM新技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于采用一種采用紫外或深紫外激光源的高空間分辨光發(fā)射電子顯微鏡。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為采用紫外或深紫外激光源的高空間分辨光發(fā)射電子顯微鏡，包括紫外或深紫外激光器、光發(fā)射電子顯微鏡(PEEM)，紫外或深紫外激光器發(fā)射的激光光路垂直入射到PEEM的樣品臺(tái)。在于將能量高于^^的固定波長或連續(xù)波長的(深)紫外激光施用于光發(fā)射電子顯微鏡；通過激光與PEEM連接系統(tǒng)將激光以一種獨(dú)特的垂直入射樣品表面的方式激發(fā)固體表面光電子；采用電子光學(xué)系統(tǒng)將表面光發(fā)射電子成像從而獲得表面圖像信息；應(yīng)用深紫外激光研究固體表面上的動(dòng)態(tài)過程，包括表面化學(xué)反應(yīng)和表面生長過程，實(shí)現(xiàn)表面動(dòng)態(tài)過程的高空間分辨、原位實(shí)時(shí)的研究和觀察。所述PEEM包括二個(gè)或三個(gè)以上的像鏡，于光路傳輸方向的第一個(gè)與第二個(gè)像鏡間設(shè)有能量分析器。所述能量分析器為半球型或圓柱型電子能量分析器。所述PEEM包括二個(gè)束分離器，二個(gè)束分離器于光路傳輸方向的依次設(shè)置，于光路傳輸方向的第二個(gè)束分離器的一個(gè)窗口設(shè)有像差矯正器。于二個(gè)束分離器間沿光路傳輸方向同軸設(shè)置有4組透鏡。于所述紫外或深紫外激光器與PEEM的樣品臺(tái)間的激光光路上設(shè)置有與光路同軸的透鏡。本發(fā)明采用激發(fā)光垂直入射樣品表面，實(shí)現(xiàn)激光光路、激光強(qiáng)度、激光光斑大小等可調(diào)；可實(shí)現(xiàn)高空間分辨(< 10納米)；所述激光激發(fā)源系統(tǒng)，包括固定波長和可變波長的紫外或深紫外激光器；包括相關(guān)的激光光路調(diào)節(jié)裝置，施用于激光光路偏轉(zhuǎn)、激光光束尺寸調(diào)節(jié)、激光能量調(diào)節(jié)；所述的激發(fā)光源與PEEM連接系統(tǒng)，包括維持真空狀態(tài)和無氧無水狀態(tài)的抽空系統(tǒng)和進(jìn)氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光入射樣品表面的光路系統(tǒng)，用于激光光路調(diào)節(jié)和激光聚焦的裝置， 激光光源與超高真空系統(tǒng)連接的特殊光學(xué)窗口，用于降低機(jī)械振動(dòng)的減震裝置；本發(fā)明集成了能量分辨功能和像差矯正功能，提高成像的空間分辨率，同時(shí)增加電子的透過率。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明采用紫外激光和深紫外激光作為光發(fā)射電子顯微鏡的激發(fā)光源，利用此類激光的高強(qiáng)度和高能量光子流激發(fā)固體表面的光電子發(fā)射，實(shí)現(xiàn)光發(fā)射電子顯微鏡的高空間分辨能力；由于常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室氣體放電紫外光源包括汞燈和氘燈的低強(qiáng)度以及同步輻射光源資源有限，發(fā)展高空間分辨的光發(fā)射電子顯微鏡面臨許多挑戰(zhàn)。利用紫外激光或深紫外激光作為光源能夠?qū)崿F(xiàn)采用實(shí)驗(yàn)室用激發(fā)光源來提高光發(fā)射電子顯微鏡的空間分辨率， 這將大大推動(dòng)光發(fā)射電子顯微鏡的廣泛應(yīng)用。此套深紫外激光光發(fā)射電子顯微鏡和紫外激光光發(fā)射電子顯微鏡能夠?qū)崿F(xiàn)在高空間分辨條件下進(jìn)行表面反應(yīng)、表面生長等過程的原位、動(dòng)態(tài)研究。同時(shí)將激光以垂直入射的方式與PEEM系統(tǒng)相連接，與傳統(tǒng)的激發(fā)光掠角入射相比提高了激發(fā)光的利用效率。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；包括激光器(1)、光發(fā)射電子顯微鏡O)、激光器與 PEEM連接透鏡(3)，能量分析器G)，像差矯正器(5)。圖2是激光激發(fā)PEEM的電子光路原理圖。包括激光器(1)、激光器與PEEM連接透鏡(2)，能量分析器(3)，像差矯正器(4)。圖3是分別采用Hg燈光源(a)和深紫外激光(177nm) (b)作為激發(fā)光源記錄的 PEEM圖像。圖像大小為10微米。樣品為Ru(OOOl)表面上生長的單層石墨烯結(jié)構(gòu)。圖4是在沒有能量分辨(a)和有能量分辨(b)條件下采用深紫外激光激發(fā)的PEEM 圖像。圖像大小為10微米。樣品為Ru(OOOl)表面上生長的單層石墨烯結(jié)構(gòu)。圖5是有像差矯正(a)和沒有像差矯正(b)條件下以低能電子束激發(fā)的低能電子顯微鏡(LEEM)的圖像。圖像大小為0.6微米。樣品為重構(gòu)的Si (001)表面。圖6是利用深紫外激光激發(fā)石墨烯/Ru(OOOl)表面的PEEM圖像。圖像大小為2. 5 微米。白色區(qū)域?yàn)閱螌邮┙Y(jié)構(gòu)，較暗區(qū)域是干凈的Ru(OOOl)表面(左圖)。利用石墨烯邊界測得的深紫外激光PEEM的分辨率為6. 3nm(右圖)。
具體實(shí)施例方式采用紫外或深紫外激光源的高空間分辨光發(fā)射電子顯微鏡，包括紫外或深紫外激光器、光發(fā)射電子顯微鏡PEEM，紫外或深紫外激光器發(fā)射的激光光路垂直入射到PEEM的樣品臺(tái)；所述PEEM包括沿光路傳輸方向依次設(shè)置的三個(gè)像鏡，于光路傳輸方向的第一個(gè)與第二個(gè)像鏡間設(shè)有能量分析器；所述能量器為半球型電子能量分析器；所述PEEM包括二個(gè)束分離器，二個(gè)束分離器于光路傳輸方向的依次設(shè)置，于光路傳輸方向的第二個(gè)束分離器的一個(gè)窗口設(shè)有像差矯正器；于二個(gè)束分離器間沿光路傳輸方向同軸設(shè)置有四組透鏡；
于所述紫外或深紫外激光器與PEEM的樣品臺(tái)間的激光光路上設(shè)置有與光路同軸的透鏡。具體包括一套激光光源用于PEEM的激發(fā)源，包括紫外或深紫外波段的激光器；重復(fù)頻率從皮秒到飛秒；可包括固定波長的激光光源或可以調(diào)諧的激光光源；針對(duì)紫外光，特別是深紫外光在空氣中吸收很強(qiáng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)將所有激光光路處于真空系統(tǒng)保護(hù)之下，真空度在 IO-2Pa以上；工作狀態(tài)時(shí)激光光路在高純隊(duì)中保護(hù)。一套光發(fā)射電子顯微鏡，包括實(shí)現(xiàn)和維持超高真空狀態(tài)的抽空系統(tǒng)，用于表面光電子成像的電子光學(xué)系統(tǒng)；還含有表面化學(xué)反應(yīng)的裝置，包括反應(yīng)氣進(jìn)氣管路，高精度漏閥，必要的氣體檢測裝置。PEEM系統(tǒng)包括樣品室、物鏡、第一束分離器、中間鏡、第二束分離器、像差矯正器、場鏡、能量分析器、投影鏡、多通道板、C⑶相機(jī)等。一套像差矯正器，包括轉(zhuǎn)移鏡及鏡面透鏡；一套電子能量分析器，其集成在光發(fā)射電子顯微鏡裝置中，實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外光或深紫外光激發(fā)的表面光電子的能量分析和過濾之目的和功能；實(shí)施例1 在Ru(OOOl)單晶表面上生長單層石墨烯結(jié)構(gòu)。分別以Hg燈光源和深紫外激光 (177nm)為激發(fā)光源對(duì)石墨烯/Ru (0001)表面進(jìn)行PEEM成像研究。圖3 (a)和(b)分別為用Hg燈光源和深紫外激光(177nm)作為激發(fā)光源記錄的PEEM圖像。圖像大小為10微米。 Hg燈激發(fā)只有石墨烯結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較高的灰度，Ru襯底表面光電子信號(hào)較弱，表現(xiàn)為暗的區(qū)域，并且其表面結(jié)構(gòu)不可分辨。采用深紫外激光激發(fā)表面，因?yàn)槠溆休^高的能量能夠同時(shí)激發(fā)石墨烯和Ru表面區(qū)域的光電子發(fā)射。激光PEEM實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)具有表面結(jié)構(gòu)分辨能力。此實(shí)施案例說明深紫外激光作為一種高能量激發(fā)光源能夠激發(fā)大多數(shù)固體表面的光發(fā)射，使得PEEM的施用范圍大大拓寬。實(shí)施例2在Ru(OOOl)單晶表面上生長單層石墨烯結(jié)構(gòu)。以深紫外激光(177nm)為激發(fā)光源對(duì)石墨烯/Ru(OOOl)表面進(jìn)行PEEM成像研究。圖4是在沒有能量分辨(a)和有能量分辨(b)條件下采用深紫外激光激發(fā)的PEEM圖像。圖像大小為10微米。采用能量分析器可以有選擇性通過特定能量的光電子，這可以進(jìn)一步提高PEEM圖像的襯度和分辨率。此結(jié)果表明能量分辨的PEEM圖像襯度大大提高(b)，而沒有能量分辨的PEEM圖像石墨烯和Ru區(qū)域的對(duì)比度變差。此實(shí)施案例說明帶有能量分析器能夠?qū)崿F(xiàn)能量分辨，進(jìn)一步改進(jìn)PEEM成像的質(zhì)量。實(shí)施例3具有表面重構(gòu)的Si (001)為樣品，以低能電子束為激發(fā)源，成LEEM像。圖5是有像差矯正(a)和沒有像差矯正(b)條件下以低能電子束激發(fā)的低能電子顯微鏡(LEEM)的圖像。圖像大小為0.6微米。此結(jié)果說明采用像差矯正功能的LEEM空間分辨率達(dá)到2. 08nm， 沒有像差矯正功能分辨率為7. 6nm。引入像差矯正器后，減小了因球差和色差所導(dǎo)致的空間分辨率降低。此實(shí)施案例說明在PEEM技術(shù)中像差矯正器對(duì)提高成像質(zhì)量特別是提高空間分辨率的重要作用。實(shí)施例4
在Ru(OOOl)單晶表面上生長單層石墨烯結(jié)構(gòu)。以深紫外激光(177nm)為激發(fā)光源對(duì)石墨烯/Ru(OOOl)表面進(jìn)行PEEM成像研究。測量得到的空間分辨率為6. 3納米。PEEM 圖像以及分辨率測試結(jié)果列于圖6中。此實(shí)施案例說明利用深紫外激光能夠?qū)崿F(xiàn)高空間分辨(< IOnm)的PEEM成像。
權(quán)利要求
1.采用紫外或深紫外激光源的高空間分辨光發(fā)射電子顯微鏡，其特征在于包括紫外或深紫外激光器、光發(fā)射電子顯微鏡PEEM，紫外或深紫外激光器發(fā)射的激光光路垂直入射到PEEM的樣品臺(tái)。
2.按照權(quán)利要求1所述的高空間分辨光發(fā)射電子顯微鏡，其特征在于所述PEEM包括二個(gè)或三個(gè)以上的像鏡，于光路傳輸方向的第一個(gè)與第二個(gè)像鏡間設(shè)有能量分析器。
3.按照權(quán)利要求2所述的高空間分辨光發(fā)射電子顯微鏡，其特征在于 所述能量分析器為半球型或圓柱型電子能量分析器。
4.按照權(quán)利要求1所述的高空間分辨光發(fā)射電子顯微鏡，其特征在于所述PEEM包括二個(gè)束分離器，二個(gè)束分離器于光路傳輸方向的依次設(shè)置，于光路傳輸方向的第二個(gè)束分離器的一個(gè)窗口設(shè)有像差矯正器。
5.按照權(quán)利要求3所述的高空間分辨光發(fā)射電子顯微鏡，其特征在于 于二個(gè)束分離器間沿光路傳輸方向同軸設(shè)置有四組透鏡。
6.按照權(quán)利要求1所述的高空間分辨光發(fā)射電子顯微鏡，其特征在于于所述紫外或深紫外激光器與PEEM的樣品臺(tái)間的激光光路上設(shè)置有與光路同軸的透^Ml O
全文摘要
本發(fā)明涉及采用紫外或深紫外激光源的高空間分辨光發(fā)射電子顯微鏡，包括紫外或深紫外激光器、光發(fā)射電子顯微鏡PEEM，紫外或深紫外激光器發(fā)射的激光光路垂直入射到PEEM的樣品臺(tái)。在于將能量高于5eV的固定波長或連續(xù)波長的(深)紫外激光施用于光發(fā)射電子顯微鏡；通過激光與PEEM連接系統(tǒng)將激光以一種獨(dú)特的垂直入射樣品表面的方式激發(fā)固體表面光電子；采用電子光學(xué)系統(tǒng)將表面光發(fā)射電子成像從而獲得表面圖像信息；應(yīng)用深紫外激光研究固體表面上的動(dòng)態(tài)過程，包括表面化學(xué)反應(yīng)和表面生長過程，實(shí)現(xiàn)表面動(dòng)態(tài)過程的高空間分辨、原位實(shí)時(shí)的研究和觀察。
文檔編號(hào)H01J37/02GK102479652SQ20101056709
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者傅強(qiáng), 包信和, 慕仁濤, 譚大力, 金立 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所