一种高通量薄膜晶体结构表征装置及方法发明专利

专利名称：一种高通量薄膜晶体结构表征装置及方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111134382.3

专利申请（专利权）人：上海大学
权利人地址：上海市宝山区上大路99号

专利发明（设计）人：吕文来,葛军饴,陈飞,冯振杰,张金仓

专利摘要：本发明提供了一种高通量薄膜晶体结构表征装置及方法，包括电子枪发射机构、面探测器、低温控制系统、样品台控制装置、样品台、真空系统；利用易聚焦的电子束作为探测源，通过聚焦元件的汇聚作用，可将电子束束斑直径缩小至微米量级，从而提高样品表面的空间分辨率；通过对电子束的偏转作用可以改变电子束的入射角，从而可以根据实际实验需求改变样品表面的空间分辨率；通过样品台移动机构可以实现样品台沿平面内的高精度可控移动，并通过逐一扫描各个样品完成高通量薄膜中所有样品的晶体结构表征，可以用于高通量薄膜晶体结构表征。

主权利要求：
1.一种高通量薄膜晶体结构表征装置，其特征在于：包括电子枪发射机构、面探测器、低温控制系统、样品台控制装置、样品台和真空系统；其中，所述电子枪发射机构包括电子枪、聚焦元件和电子束偏转装置；
所述低温控制系统包括闭循环制冷机和换热机构；
所述样品台控制装置包括样品台移动机构、样品台旋转机构和中空Z轴驱动器；
所述真空系统包括真空泵、真空计、真空腔和真空接口；
所述闭循环制冷机连接所述换热机构并位于所述样品台上方；所述真空接口位于所述中空Z轴驱动器上方并封闭所述真空腔，所述样品台移动机构和所述样品台旋转机构安装于所述真空接口上并连接所述中空Z轴驱动器，所述电子枪和所述面探测器分别位于所述真空腔的两侧；所述电子束偏转装置位于所述真空腔内部，所述聚焦元件设置于所述电子枪和所述电子束偏转装置之间；所述真空泵设置于所述真空腔侧壁，所述真空计设置于所述真空腔侧壁；
所述样品台移动机构控制所述样品台沿x轴、y轴和z轴方向的移动；所述样品台旋转机构控制所述样品台沿z轴的旋转；所述中空Z轴驱动器用于控制所述低温控制系统及样品台整体沿z轴的移动；
所述样品台上集成有温度反馈控制系统；
所述闭循环制冷机包括制冷头、压缩机和气体输送管道；所述制冷头伸入到所述换热机构内，所述压缩机通过气体传输管道连接所述制冷头。
2.根据权利要求1所述的一种高通量薄膜晶体结构表征装置，其特征在于：所述聚焦元件为电磁透镜。
3.根据权利要求2所述的一种高通量薄膜晶体结构表征装置，其特征在于：所述电子束偏转装置为电场偏转装置或磁场偏转装置。
4.根据权利要求3所述的一种高通量薄膜晶体结构表征装置，其特征在于：所述换热机构包括热辐射屏蔽罩；所述热辐射屏蔽罩位于所述真空腔内并隔离所述真空腔与所述低温控制系统。
5.根据权利要求4所述的一种高通量薄膜晶体结构表征装置，其特征在于：所述闭循环制冷机为脉管式制冷机或吉福特‑麦克马洪制冷机。
6.一种高通量薄膜晶体结构表征方法，其特征在于：使用权利要求1‑5任一所述的一种高通量薄膜晶体结构表征装置。
7.根据权利要求6所述的一种高通量薄膜晶体结构表征方法，其特征在于：包括步骤如下：S1、将高通量薄膜通过粘结剂粘贴在样品台的表面中心位置；
S2、通过低温控制系统和温度反馈控制系统提供测试所需温度环境；
S3、电子枪发射电子束；
S4、聚焦元件对电子束进行聚焦；
S5、根据实际实验对空间分辨率的需求设置电子束的偏转角度，利用电子束偏转装置对聚焦后的电子束进行偏转；
S6、通过样品台控制装置将样品台调整至合适的位置，使得入射电子束与高通量薄膜的选定样品位置对准；
S7、所述面探测器用于接收经高通量薄膜衍射的衍射电子束，通过样品台的旋转，面探测器可以收集得到样品全部的晶体结构信息；
S8、通过顺次移动选定样品位置以扫描高通量薄膜中的所有样品。 说明书 : 一种高通量薄膜晶体结构表征装置及方法技术领域[0001] 本发明涉及高通量表征技术领域，特别涉及一种高通量薄膜晶体结构表征装置及方法。背景技术[0002] 材料基因工程通过材料高通量计算、高通量实验和材料大数据的有机融合，已被证明可大大加速新材料的研发进程。2014年美国将“材料基因组计划”提升为国家战略，之后欧盟、日本和印度相继启动了类似计划。中国材料基因工程研究自2015年国家科技部启动“材料基因工程重点专项”以来，取得了重要进展，尤其是在高通量薄膜制备技术方面，研制出了一批用于获得成分呈连续梯度式分布和成分呈分立式分布的高通量薄膜的关键技术与装备。高通量薄膜制备技术的发展对高通量表征技术提出了更高空间分辨率的要求。然而，受普通实验室在光源强度和光斑尺寸上的限制，目前材料在晶体结构方面的高通量表征仍极大地依赖于具有高强度、高空间分辨率等优点的同步辐射光源大科学装置。然而，同步辐射光源属国家级大型科学装备，不能如普通实验室设备般随时随地方便使用。因此，亟需开发一种能够推广和普及的高通量薄膜晶体结构表征技术。[0003] 现有的适合普通实验室用的高通量晶体结构表征技术为微区X射线衍射技术。在微区X射线衍射技术中，经过聚焦的X射线光斑直径在100μm以内，相较于普通X射线衍射技术具有更高的光源强度和空间分辨率，能够在一定程度上满足高通量晶体结构的表征需求。然而即使在微区X射线衍射技术中的X射线光斑直径仍然在50μm以上，无法满足具有更高样品单元密度和更小样品尺寸的高通量薄膜对光源强度和空间分辨率的需求；而且不同的晶面族在不同方向产生衍射，需要转动探测器才能收集全面的晶体结构信息，测量效率低。此外，现有微区X射线衍射技术只提供室温下的晶体结构测试功能，不具备变温测试条件。[0004] 除了X射线，电子束同样可以用于晶体结构表征，而且电子束相较于X射线具有强度高，易聚焦的优点。此外，由于电子束的波长较X射线短，故厄瓦尔德反射球半径大，可以在较窄的角度范围内收集到二维衍射斑点，因此通过固定的面探测器即可获得丰富的晶体结构信息，避免了X射线衍射的角度扫描，提高了测量效率，适合高通量薄膜样品的快速微区结构表征。因此，开发利用电子束作为探测源，适合在普通实验室使用并且能够实现大范围变温测试的高通量薄膜晶体结构表征技术将具有十分重要的意义。发明内容[0005] 为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种高通量薄膜晶体结构表征装置及方法，本发明的技术方案是这样实施的：[0006] 一种高通量薄膜晶体结构表征装置，包括电子枪发射机构、面探测器、低温控制系统、样品台控制装置、样品台和真空系统；其中，[0007] 所述电子枪发射机构包括电子枪、聚焦元件和电子束偏转装置；[0008] 所述低温控制系统包括闭循环制冷机和换热机构；[0009] 所述样品台控制装置包括样品台移动机构、样品台旋转机构和中空Z轴驱动器；[0010] 所述真空系统包括真空泵、真空计、真空腔和真空接口；[0011] 所述闭循环制冷机连接所述换热机构并位于所述样品台上方；所述真空接口位于所述中空Z轴驱动器上方并封闭所述真空腔，所述样品台移动机构和所述样品台旋转机构安装于所述真空接口上并连接所述中空Z轴驱动器，所述电子枪和所述面探测器分别位于所述真空腔的两侧；所述电子束偏转装置位于所述真空腔内部，所述聚焦元件设置于所述电子枪和所述电子束偏转装置之间；所述真空泵设置于所述真空腔侧壁，所述真空计设置于所述真空腔侧壁；[0012] 所述样品台移动机构控制所述样品台沿x轴、y轴和z轴方向的移动；所述样品台旋转机构控制所述样品台沿z轴的旋转；所述中空Z轴驱动器用于控制所述低温控制系统及样品台整体沿z轴的移动；[0013] 所述样品台上集成有温度反馈控制系统。[0014] 优选地，所述聚焦元件为电磁透镜。[0015] 优选地，所述电子束偏转装置为电场偏转装置或磁场偏转装置。[0016] 优选地，所述闭循环制冷机包括制冷头、压缩机和气体输送管道。所述制冷头伸入到所述换热机构内，所述压缩机通过气体传输管道连接所述制冷头。[0017] 优选地，所述换热机构包括热辐射屏蔽罩；所述热辐射屏蔽罩位于所述真空腔内并隔离所述真空腔与所述低温控制系统。[0018] 优选地，所述闭循环制冷机为脉管式制冷机或吉福特‑麦克马洪制冷机。[0019] 一种高通量薄膜晶体结构表征方法，使用一种高通量薄膜晶体结构表征装置。[0020] 包括步骤如下：[0021] S1、将高通量薄膜通过粘结剂粘贴在样品台的表面中心位置；[0022] S2、通过低温控制系统和温度反馈控制系统提供测试所需温度环境；[0023] S3、电子枪发射电子束；[0024] S4、聚焦元件对电子束进行聚焦；[0025] S5、根据实际实验对空间分辨率的需求设置电子束的偏转角度，利用电子束偏转装置对聚焦后的电子束进行偏转；[0026] S6、通过样品台控制装置将样品台调整至合适的位置，使得入射电子束与高通量薄膜的选定样品位置对准；[0027] S7、所述面探测器用于接收经高通量薄膜衍射的衍射电子束，通过样品台的旋转，面探测器可以收集得到样品全部的晶体结构信息；[0028] S8、通过顺次移动选定样品位置以扫描高通量薄膜中的所有样品。[0029] 本发明利用电子束而非X射线作为高通量薄膜晶体结构表征的探测光源，由于电子束相较于X射线具有强度高、易聚焦、波长短等特点，因此相较于现有的微区X射线衍射系统具有光源强度更高、空间分辨率更高和测试效率高的优点。[0030] 本发明通过聚焦元件对电子束的汇聚作用，可以将电子束束斑直径缩小至微米量级从而提高样品表面的空间分辨率；同时可以通过电子束偏转装置增大电子束的入射角，从而进一步提高电子束在样品表面的空间分辨率。例如在电子束束斑直径为5μm，入射角为20°时，空间分辨率达14.6μm，已远小于目前高通量薄膜的单位样品尺寸，满足高通量薄膜的晶体结构表征需求。[0031] 本发明中的低温控制系统和样品台中的温度反馈控制系统为高通量薄膜晶体结构测试提供了大范围变温条件。[0032] 本发明适合普通实验室使用，相较于同步辐射光源等大科学装置具有适合推广和普及的优点。附图说明[0033] 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一种实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0034] 其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。[0035] 图1为本发明的装置结构图。[0036] 在上述附图中，各图号标记分别表示：[0037] 1‑样品台移动机构，2‑样品台旋转机构，3‑样品台，4‑高通量薄膜，5‑电子枪，6‑聚焦元件，7‑电子束偏转装置，8‑面探测器，9‑真空泵，10‑真空计，11‑真空腔，12‑入射电子束，13‑衍射电子束，14‑真空接口，15‑中空Z轴驱动器，16‑闭循环制冷机，17‑换热机构具体实施方式[0038] 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作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。[0039] 实施例[0040] 在一种具体的实施例中，如图1所示，本发明提出的高通量薄膜晶体结构表征装置，包括电子枪发射机构、面探测器8、低温控制系统、样品台控制装置、样品台3、真空系统；其中，所述电子枪发射机构包括电子枪5、聚焦元件6、电子束偏转装置7；所述低温控制系统包括闭循环制冷机16、换热机构17；所述样品台控制装置包括样品台移动机构1、样品台旋转机构2、中空Z轴驱动器；所述真空系统包括真空泵9、真空计10、真空腔11、真空接口14。所述电子枪发射机构和面探测器8分别位于真空腔11的两侧，所述电子枪发射机构用于发射电子束12至高通量薄膜4的表面，所述面探测器8用于接收经高通量薄膜4衍射的衍射电子束13。样品台3设置在低温控制系统的换热机构17的下方，这一整体可通过中空Z轴驱动器15移动，使得经电子束偏转装置7偏转的入射电子束12能够到达高通量薄膜4的表面。真空泵9设置在真空腔11的侧壁，用于对真空腔11进行抽真空，为电子束的正常工作提供真空环境，真空计10用于监控真空腔11的真空度。[0041] 所述电子枪发射机构中，电子枪5、聚焦元件6、电子束偏转装置7顺次连接。电子枪5用于发射具有特定能量的电子束。所述聚焦元件6是电磁透镜，用于将电子枪5发射出的电子束聚焦至微米量级。电子束偏转装置7可以是电场偏转装置或磁场偏转装置中的一种，它可以改变和控制电子束的偏转方向，改变电子束入射角度。[0042] 所述低温控制系统中，闭循环制冷机16包括制冷头、压缩机和气体输送管道。制冷头伸入到换热机构17内，而换热机构17通过真空接口14伸入到真空腔11内部对样品进行制冷，为晶体结构测试提供低温环境。换热机构17可以通过在内部填充制冷气体作为降温媒质，还可以通过在内部设置节流阀、液氦池等来实现进一步降温。由于低温控制非本发明的主要创造点，且可借鉴制冷领域多种现有技术达到低温控制，在此不作展开。[0043] 所述样品台控制装置中，样品台移动机构1可以提供样品台3沿x轴和y轴方向的可控移动，使得入射电子束12与高通量薄膜4平面内的选定样品位置对准，并通过顺次移动选定样品位置以扫描高通量薄膜4中的所有样品。样品台移动机构1同时可以控制样品台3沿z轴方向的移动，从而改变样品台3和换热机构17之间的相对距离。样品台旋转机构2用于控制样品台3沿z轴的旋转。当样品台3处于某一角度时，面探测器8能够接收到带有部分晶体结构信息的多束衍射电子束13，通过样品台旋转机构2控制样品台3的旋转，可以收集得到样品全部的晶体结构信息。[0044] 所述样品台3集成了由加热器、温度计和反馈控温元件组成的温度反馈控制系统(该技术为本领域常用技术，因此不作展开，图也未标出具体结构)，高通量薄膜4通过导热良好且耐高低温的粘结剂粘贴在样品台3的表面中心位置。当样品台移动机构1升高样品台3，使样品台3与低温控制系统的换热机构17的底端完全接触，通过联合低温控制系统和样品台3中的温度反馈控制系统，可以实现低于室温下的温度控制；当通过样品台移动机构1降低样品台3，使得样品台3远离换热机构17，通过样品台3中的温度反馈控制系统可以实现高于室温下的温度控制。[0045] 上述方案中，通过电子束偏转装置7对电子束的偏转作用可以改变入射电子束12入射到高通量薄膜4表面的入射角度，由于样品表面的空间分辨率与入射角正弦的倒数成正比，从而可以改变电子束在样品表面的空间分辨率。在电子束束斑直径为5μm的情况下，当电子束入射角为3°，计算得到的样品表面空间分辨率为96μm；而在电子束束斑直径同样为5μm的情况下，经过电子束偏转装置7偏转的电子束入射到高通量薄膜4表面的入射角度增大，使得样品表面的空间分辨率大大提高。例如，在入射角为20°的情况下，空间分辨率可达14.6μm。[0046] 上述方案中，样品台移动机构1的移动精度应尽可能高。事实上，现有高精度步进电机的精度可达1μm，完全满足高通量薄膜晶体结构表征对于样品台移动精度的要求。实际测试过程中，通过设置扫描步长为高通量薄膜4中的相邻样品间隔，设置x轴和y轴的扫描范围分别为高通量薄膜4沿x轴和y轴方向的尺寸，即可实现对高通量薄膜4中所有样品的扫描。[0047] 上述方案中，换热机构17通过热辐射屏蔽罩将其内部的低温环境与真空环境隔离。热辐射屏蔽罩可以采用常见的适用于真空密封的材质，例如奥氏体不锈钢但不限于此材料。热辐射屏蔽罩的形状和结构，一般为长条管状，这样便于深入真空腔11体对样品进行制冷。[0048] 上述方案中，闭循环制冷机16的类型包括但不限于脉管式制冷机、吉福特‑麦克马洪制冷机以及基于这些原理的改良型制冷机。制冷机型号的选择视具体制冷要求而定。[0049] 上述方案中，聚焦元件6对电子束束斑直径的控制、电子束偏转装置7对电子束偏转角度的设定以及样品台3沿z轴方向的位移值设置具体取决于待测高通量薄膜4中的样品尺寸和空间分辨率要求。[0050] 采用本实施例的装置进行高通量薄膜晶体结构表征。[0051] 包括步骤如下：[0052] S1、将高通量薄膜4通过粘结剂粘贴在样品台3的表面中心位置；[0053] S2、通过低温控制系统和温度反馈控制系统提供测试所需温度环境；[0054] S3、电子枪5发射电子束；[0055] S4、聚焦元件6对电子束进行聚焦；[0056] S5、根据实际实验对空间分辨率的需求设置电子束的偏转角度，利用电子束偏转装置7对聚焦后的电子束进行偏转；[0057] S6、通过样品台控制装置将样品台3调整至合适的位置，使得入射电子束12与高通量薄膜4的选定样品位置对准；[0058] S7、所述面探测器8用于接收经高通量薄膜4衍射的衍射电子束13，通过样品台3的旋转，面探测器8可以收集得到样品全部的晶体结构信息；[0059] S8、通过顺次移动选定样品位置以扫描高通量薄膜4中的所有样品。[0060] 本发明利用易聚焦的电子束作为高通量薄膜晶体结构表征的探测源，通过聚焦元件6对电子束的汇聚作用，可以将电子束束斑直径缩小至微米量级，从而提高样品表面的空间分辨率；[0061] 本发明通过电子束偏转装置7对电子束的偏转作用可以改变电子束的入射角，从而可以根据实际实验需求改变样品表面的空间分辨率；[0062] 本发明中的低温控制系统和样品台3中的温度反馈控制系统为高通量薄膜晶体结构测试提供了大范围变温条件；[0063] 本发明通过样品台移动机构1可以实现样品台3沿平面内的高精度可控移动，并通过逐一扫描各个样品完成高通量薄膜中所有样品的晶体结构表征，可以用于高通量薄膜晶体结构表征。[0064] 本发明可集成于高通量薄膜制备系统中，同时实现薄膜的高通量制备和高通量晶体结构原位表征，大大提高实验效率。[0065] 需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：上海

专利申请日期：2021-09-27

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN113984813B