横向飞行时间团簇质量选择器及其使用方法

1.本发明属于原子分子物理与纳米科学技术领域，涉及一种广泛应用于团簇物理、化学性质研究与团簇束流可控沉积的装置，具体为横向飞行时间团簇质量选择器及其使用方法。


背景技术：

2.团簇束流的尺寸选择与团簇尺寸分布的实时测量在团簇基础研究以及团簇束流沉积制备团簇组装纳米结构材料和器件的工艺过程中都是非常关键的，是各类团簇束流系统中不可或缺的组成部分。
3.团簇束流的尺寸选择可分为中性团簇与离化团簇两大类。中性团簇的尺寸选择主要采用气体动力学透镜、转轮分割器等，而用于离化团簇尺寸选择的装置主要有四极滤质器、飞行时间质量选择器及差分迁移率分析器。四极滤质器的质量选择范围有限，一般只能达到小于数千原子量的小团簇的尺寸选择。差分迁移率分析器不能实现原子精度的团簇尺寸选择分辨率，一般用于1纳米直径以上大尺寸团簇(纳米粒子)的尺寸选择。飞行时间质量选择器可实现从单原子到10万以上原子质量数大团簇的原子精度的尺寸选择，既有大的尺寸选择范围，又有高的尺寸选择精度，在团簇研究与团簇沉积应用中被普遍采用。
4.飞行时间质谱(tof-ms)和质量选择是团簇尺寸和尺寸分布测量、物理和化学性质研究以及单一尺寸团簇束流获得和沉积装置中的关键部件，在原子分子物理与纳米科学的基础研究与纳米粒子点阵气相沉积等方面具有广泛应用。tof-ms由离子源、无场漂移管和探测区三部分组成。离子在离化区产生，经加速离开源区，进入无场漂移管。离子在无场漂移空间的速度是荷质比q/m的函数，因此当它们经过漂移管到达探测区时，按q/m实现时间分离。假设产生的离子都是单电荷，则根据离子飞行谱即可得到质谱。离子在离化区的初始位置和初始动能的分布是影响质谱测量分辨率的主要因素。1955年，wiley和mclaren采用双场离子源[wiley,w.c,mclaren,i.h.,time-of-flight mass spectrometer with improved resolution,rev.sci.instrum,1955,26:1150-1157.]通过空间聚焦补偿初始电离位置分布造成的离子飞行时间的离散，提高了飞行时间测量的分辨率，使飞行时间质谱得以实用化。
[0005]
飞行时间质谱的原理也被用于团簇离子的尺寸选择。1999年，英国伯明翰大学的von issendorff和palmer[b.von issendorff,r.e.palmer,a new high transmission infinite range mass selector for cluster and nanoparticle beams,rev.sci.instrum,1999,70:4497-4501]提出了一种横向飞行时间质量选择器的设计，由团簇离子正向偏转区、自由飞行区、反向偏转区三部分构成，根据团簇横向飞行时间与脉冲周期相匹配的原则进行选择。通过在垂直于团簇束流飞行方向引入一对加速和减速脉冲电场使团簇发生垂直于原束流方向的横向飞行，团簇在加速区加速后进入无场飞行区，经过匀速飞行后进入减速区减速，通过控制加速脉冲和减速脉冲之间的时间逻辑，只有满足质量选择条件的团簇能够在减速区恢复平行于原束流飞行方向的飞行，从而被选择出来。这一
质量选择器在保持较高的质量选择分辨率的同时，还可以保持50％左右的离子通过率。这一横向飞行时间质量选择器在当前团簇研究特别是可控尺寸团簇束流沉积中被大量采用。但是，该质量选择器电极结构较为复杂，对团簇束流品质要求较高，构造成本较高；团簇质量与加减速电场脉冲周期之间的函数关系复杂，影响因素多，使其调节标定困难，使用不便。而且其电场分布结构导致团簇离子在飞行路径中趋于离轴发散，导致选择后团簇束流品质降低。


技术实现要素：

[0006]
解决的技术问题：团簇(纳米粒子)束流在纳米科学的基础研究以及纳米结构材料的制备等方面具有广泛应用。在上述研究和应用中，对于团簇的尺寸和尺寸分布的控制是一个基本要求。现有的团簇束流源产生的团簇具有很宽的尺寸分布，在许多情况下需要通过质量(尺寸)选择器得到单一尺寸的团簇。因此，团簇质量选择器在团簇性质的精密测量与团簇束流的可控沉积中具有广泛的需要。本发明提供了一种由一对平行板电极构成的新型横向飞行时间团簇质量选择器及其使用方法，用以取代目前通用的由团簇离子正向偏转区、自由飞行区、反向偏转区三组电极构成的团簇飞行时间质量选择器，使质量选择器结构大为简化，并且选择出的团簇质量与施加于平行板电极上的加减速脉冲电压幅度之间有简单的线性关系，使质量选择器调试与操作容易，质量分辨率恒定，标定迅速，离子通过率高。而且其电场分布结构约束离子向轴线汇聚，有利于束流品质的提高。
[0007]
技术方案：横向飞行时间团簇质量选择器，所述选择器包括互相平行的平行板电极1和平行板电极2，平行设置的入口狭缝板和出口狭缝板，平行板电极与狭缝板垂直且贴合；其中，平行板电极1和平行板电极2分别外接高压脉冲电源，入口狭缝板靠近平行板电极1一端开设入口狭缝，出口狭缝板靠近平行板电极2一端开设出口狭缝；所述高压脉冲电源输出到两电极上的高压脉冲v1、v2均为方波且周期相同，一个周期内包含同步的t
0-t1、t
1-t2、t
2-t3三段电位状态，其中：t
0-t1时间段，v1、v2的电位都保持为零；t
1-t2时间段，v1为幅值电位，v2为零电位；t
2-t3时间段，v1为零电位，v2为幅值电位；所述选择器置于真空腔内。
[0008]
优选的，平行板电极、狭缝板的材质均为不锈钢或铝，且各自之间保持电绝缘。
[0009]
优选的，平行板电极为长方形平板，其长度为100mm-1000mm，宽度为50mm-200mm，厚度为2mm-10mm，两个平行板电极内表面之间的间距为50mm-500mm。
[0010]
优选的，两块狭缝板的宽度与平行板电极的宽度一致、长度与两块平行板电极外表面的间距一致，厚度为0.5mm-3mm。
[0011]
优选的，入口狭缝和出口狭缝为尺寸相同的条形，且均与平行板电极平行，狭缝长度为10mm-50mm，宽度为2mm-10mm。
[0012]
优选的，入口狭缝的中心线与平行板电极1之间的间距、出口狭缝的中心线与平行板电极2之间的间距，二者相等。
[0013]
优选的，入口狭缝的中心线与出口狭缝的中心线之间的距离为45mm-495mm，狭缝中心线与对应的平行板电极的间距不小于狭缝宽度的1/2、且不大于40mm。
[0014]
优选的，高压脉冲v1、v2的周期均为3μs-1000μs，其中，t
0-t1时间段占30％-50％，t
1-t2时间段和t
2-t3时间段相等。
[0015]
优选的，高压脉冲v1、v2的电压脉冲幅值相等，幅值大小为100v-5000v。
[0016]
以上任一所述横向飞行时间团簇质量选择器的使用方法，所述方法包括以下步骤：
[0017]
s1、将横向飞行时间团簇质量选择器置于真空腔内，并外接团簇源，对以上装置抽真空，达到1
×
10-4-1
×
10-5
pa真空度；
[0018]
s2、操作团簇源，产生团簇束流，团簇束流经入口狭缝进入团簇质量选择器内；
[0019]
s3、启动高压脉冲电源，选定脉冲周期和t
0-t1时间段所占的百分比，向平行板电极1和平行板电极2输出同步的高压方波脉冲v1、v2，团簇沿横向飞行路径飞行；
[0020]
s4、根据欲选择的团簇质量，调节脉冲电压幅值，从出口狭缝获得所选择出的预定质量的团簇。选择出的团簇质量与脉冲电压幅值之间有以下线性关系：
[0021]
m＝ev/(2dh)δt2,其中，m为团簇的质量，e为电子电荷，v为脉冲电压幅值，d为两平行板电极内表面之间的距离，h为入口狭缝和出口狭缝中心线之间的距离，δt为t
1-t2时间段的时间长度。根据选定的高压脉冲周期和t
0-t1时间段长度，δt就确定了，因此，可以根据上式计算出被选择团簇质量与脉冲电压幅值的对应关系表或曲线，用于通过调节电压幅值选择团簇。由于团簇质量和脉冲电压幅值之间为线性关系，实际操作时只要记住一个特定质量所对应的电压，就可以简单的估计出其它质量所对应的电压。
[0022]
本发明所述横向飞行时间团簇质量选择器的工作原理在于：在恒定电场下，所有质量的带电粒子在平行电极间都按同一飞行路径运行，因此，通过恒定横向电场无法实现带电粒子的质量分离。但是，不同质量的带电粒子飞过确定路径所需的时间与其质量相关。这就使得在具有确定脉冲宽度的脉冲电场下，带电粒子在平行板电极间的实际飞行路径是与其质量相关的。如图1所示，在平行板电极1施加脉冲电压v1，在平行板电极2施加脉冲电压v2,在t
0-t1时间段，两极板间电位差为零，团簇离子从入口狭缝进入平行板电极区域后，平行于电极平面飞行，在t
1-t2时间段，v1高于v2,带正电荷的团簇将发生垂直于电极平面的横向加速飞行。在t
2-t3时间段，v1低于v2,带正电荷的团簇将发生垂直于电极平面的横向减速飞行，并在脉冲周期结束的t3时刻其横向飞行速度减为零，然后在下一个脉冲周期的起始阶段保持平行于电极平面的飞行，最后或穿出出口狭缝，或沉积到出口狭缝板或电极2的表面。由于不同质量的团簇具有不同的横向飞行加速度，因此在相同的飞行时间中其横向飞行距离是不同的，这导致不同质量的团簇在t2时刻之后其飞行路径不再重合。在t
1-t3时间段内带电团簇的横向飞行距离正比于脉冲电压幅度与其质量的比值v/m。其中，质量较大的团簇沿路径2飞行，质量较小的团簇沿路径3飞行，只有质量适中的团簇才能沿路径1飞行，在t
1-t3时间内其横向飞行的距离恰好等于入口狭缝和出口狭缝之间的横向距离，从而能够通过出口狭缝被选择出来。由于在给定的横向飞行时间t
1-t3内，具有相同v/m比值的团簇具有相同的横向飞行距离，因此在固定的脉冲时间逻辑下，可以简单地通过改变脉冲电压幅值实现团簇质量的线性选择。在t
0-t1时间段内进入入口狭缝的满足选择条件(质量)的团簇，都能够通过出口狭缝被选择出来。其中，如图2所示，在t0时刻进入入口狭缝的团簇，在t
0-t1的时间段内由于在电极1和电极2之间无电场，故横向速度保持为零，沿原飞行方向不变，从t1时刻开始，受到加在极板1上电压v1产生的电场的作用横向加速而向极板2偏转，从t2时刻开始，受到加在极板2上电压v2产生的电场的作用而减速，在t3时刻横向速度恢复为零，从而沿路径1飞行而通过出口狭缝；在t1时刻进入入口狭缝的团簇，一进入狭缝就受到加在极板1上电压v1产生的电场的作用横向加速而向极板2偏转，从t2时刻开始，受到加在
极板2上电压v2产生的电场的作用而减速，在t3时刻横向速度恢复为零，并在下一个脉冲周期的起始阶段继续沿出口狭缝的中心线飞行，最后通过出口狭缝飞出，从而形成飞行路径2。在t1时刻之后进入入口狭缝的团簇，只受到v1脉冲电压的部分加速作用，但受到v2脉冲电压的全部减速作用，导致在t3时刻附近横向速度变负，从而沿路径3飞行而不能通过出口狭缝。t
0-t1时间段与脉冲周期的比值，决定了能够被选择出的具有给定质量的团簇在由团簇源产生的该种质量团簇总数中所占的百分比，即质量选择的通过率。该通过率可由以下公式计算：t＝δt
0-1
/δt
0-3
,式中，t为通过率，δt
0-1
为t
0-t1时间段的时间长度，δt
0-3
为t
0-t3时间段的时间长度。
[0023]
有益效果：本发明提供横向飞行时间团簇质量选择器，采用一对平行板电极取代目前通用的团簇飞行时间质量选择器中由团簇离子正向偏转区、自由飞行区、反向偏转区三组电极构成的复杂结构，使质量选择器结构大为简化。通过本质量选择器选择出的团簇质量与施加于平行板电极上的加、减速脉冲电压幅度之间有简单的线性关系，因此，可以简单地通过调节脉冲电压幅值来选择团簇质量，使质量选择器的调试和操作直观且简单容易，质量分辨率恒定，标定迅速。通过合理地设定电压脉冲的时间逻辑，可以使团簇质量选择达到50％的高通过率。此外，其电场分布结构约束离子向轴线汇聚，与目前通用的团簇飞行时间质量选择器的导致离子发散的电场分布配置相比，更有利于束流品质的提高。
附图说明
[0024]
图1是本发明所述横向飞行时间团簇质量选择器的结构、原理与使用方法示意图；
[0025]
图2是本发明横向飞行时间团簇质量选择器使用中质量等于预设选择值的团簇的飞行路径的示意图；
[0026]
图3是本发明实施例1中所采用横向飞行时间团簇质量选择器的结构图；
[0027]
其中，1为平行板电极1，2为平行板电极2，3为入口狭缝板，4为出口狭缝板，5为入口狭缝，6为出口狭缝，7为施加到平行板电极1上的高压脉冲v1，8为施加到平行板电极2上的高压脉冲v2，9为质量等于预设选择值的团簇的飞行路径1，10为质量小于预设选择值的团簇的飞行路径3，11为质量大于预设选择值的团簇的飞行路径2，12为t
0-t1时间段，13为t
1-t2时间段，14为t
2-t3时间段，15为在t0时刻进入入口狭缝的质量等于预设选择值的团簇的飞行路径1，16为在t1时刻进入入口狭缝的质量等于预设选择值的团簇的飞行路径2，17为在t1时刻之后进入入口狭缝的质量等于预设选择值的团簇的飞行路径3，18为横向飞行时间团簇质量选择器，19为真空腔，20为真空泵，a为出口狭缝中心线，b为入口狭缝中心线。
具体实施方式
[0028]
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
[0029]
实施例1
[0030]
如图1和3所示，横向飞行时间团簇质量选择器，所述质量选择器包括互相平行的平行板电极1和平行板电极2，平行设置的入口狭缝板3和出口狭缝板4，平行板电极与狭缝板垂直且贴合，质量选择器安装于真空腔19内。平行板电极、入口狭缝板3和出口狭缝板4的
材质均为铝；平行板电极为长度为740mm，宽度为100mm，厚度为3mm的长方形平板；两块平行板电极平行放置，平板内表面之间的间距为150mm，平板之间保持电绝缘；入口狭缝板3和出口狭缝板4放置于平行板长边的两端，垂直于平行板电极平面，两块狭缝板的宽度各为100mm、长度各为156mm，厚度为3mm。入口狭缝板3和出口狭缝板4与两块平行板电极保持电绝缘；入口狭缝板和出口狭缝板上分别开设入口狭缝5和出口狭缝6，狭缝长度皆为30mm，宽度皆为8mm；入口狭缝5中心线与平行板电极1内表面的距离为12mm,出口狭缝6中心线与平行板电极2内表面的距离为12mm,入口狭缝5与出口狭缝6的中心线的间距为128mm；平行板电极1通过真空引线法兰与高压脉冲电源1连接，平行板电极2通过真空引线法兰与高压脉冲电源2连接；高压脉冲电源1、2分别向电极板1、2施加周期为10μs的同步的高压脉冲v1、v2，高压脉冲的一个周期由三个时间段组成，第一个时间段长度为43.4μs，v1、v2的电位都为零；第二个时间段长度为21.8μs，v1为幅值电位的方波脉冲，v2为零电位；第三个时间段长度为21.8μs，v1为零电位，v2为幅值为幅值电位的方波脉冲。
[0031]
所述横向飞行时间团簇质量选择器的使用方法，包括以下步骤：
[0032]
第1步、将安装横向飞行时间团簇质量选择器18的真空腔19及与其连接的磁控等离子体气体聚集团簇源抽真空，达到1
×
10-4
pa真空度；
[0033]
第2步、操作团簇源，产生ag团簇束流，团簇束流经入口狭缝5进入团簇质量选择器；
[0034]
第3步、启动高压脉冲电源，按前述参数向平行板电极1和平行板电极2输出同步的高压方波脉冲v1、v2,团簇沿横向飞行路径飞行；
[0035]
第4步、调节脉冲电压幅值为1800v，从出口狭缝6获得所选择出的质量为20个银原子的单一尺寸ag团簇，质量选择的通过率为50％。
[0036]
实施例2
[0037]
如图1和3所示，横向飞行时间团簇质量选择器，所述质量选择器包括互相平行的平行板电极1和平行板电极2，平行设置的入口狭缝板3和出口狭缝板4，平行板电极与狭缝板垂直且贴合，质量选择器安装于真空腔内。平行板电极、入口狭缝板3和出口狭缝板4的材质均为不锈钢；平行板电极为长度为600mm，宽度为120mm，厚度为2mm的长方形平板；两块平行板电极平行放置，平板内表面之间的间距为200mm，平板之间保持电绝缘；入口狭缝板3和出口狭缝板4放置于平行板长边的两端，垂直于平行板电极平面，两块狭缝板的宽度各为120mm、长度各为204mm，厚度为1mm。入口狭缝板3和出口狭缝板4与两块平行板电极保持电绝缘；入口狭缝板3和出口狭缝板4上分别开设入口狭缝5和出口狭缝6，狭缝长度皆为25mm，宽度皆为5mm；入口狭缝5中心线与平行板电极1内表面的距离为12mm,出口狭缝6中心线与平行板电极2内表面的距离为12mm,入口狭缝5与出口狭缝6的中心线的间距为170mm；平行板电极1通过真空引线法兰与高压脉冲电源1连接，平行板电极2通过真空引线法兰与高压脉冲电源2连接；高压脉冲电源1、2分别向电极板1、2施加周期为100μs的同步的高压脉冲v1、v2，高压脉冲的一个周期由三个时间段组成，第一个时间段长度为200μs，v1、v2的电位都为零；第二个时间段长度为155μs，v1为幅值电位的方波脉冲，v2为零电位；第三个时间段长度为155μs，v1为零电位，v2为幅值为幅值电位的方波脉冲。
[0038]
所述横向飞行时间团簇质量选择器的使用方法，包括以下步骤：
[0039]
第1步、将安装横向飞行时间团簇质量选择器18的真空腔19及与其连接的磁控等
离子体气体聚集团簇源抽真空，达到5
×
10-5
pa真空度；
[0040]
第2步、操作团簇源，产生pd团簇束流，团簇束流经入口狭缝5进入团簇质量选择器；
[0041]
第3步、启动高压脉冲电源，按前述参数向平行板电极1和平行板电极2输出同步的高压方波脉冲v1、v2,团簇沿横向飞行路径飞行；
[0042]
第4步、调节脉冲电压幅值为2500v，从出口狭缝6获得所选择出的质量为1600个pd原子的单一尺寸pd团簇，质量选择的通过率为39％。
[0043]
实施例3
[0044]
如图1和3所示，横向飞行时间团簇质量选择器，所述质量选择器包括互相平行的平行板电极1和平行板电极2，平行设置的入口狭缝板3和出口狭缝板4，平行板电极与狭缝板垂直且贴合，质量选择器安装于真空腔19内。平行板电极、入口狭缝板3和出口狭缝板4的材质均为铝；平行板电极为长度为250mm，宽度为40mm，厚度为2mm的长方形平板；两块平行板电极平行放置，平板内表面之间的间距为50mm，平板之间保持电绝缘；入口狭缝板3和出口狭缝板4放置于平行板长边的两端，垂直于平行板电极平面，两块狭缝板的宽度各为40mm、长度各为54mm，厚度为2mm。入口狭缝板3和出口狭缝板4与两块平行板电极保持电绝缘；入口狭缝板和出口狭缝板上分别开设入口狭缝5和出口狭缝6，狭缝长度皆为20mm，宽度皆为2mm；入口狭缝5中心线与平行板电极1内表面的距离为10mm,出口狭缝6中心线与平行板电极2内表面的距离为10mm,入口狭缝5与出口狭缝6的中心线的间距为30mm；平行板电极1通过真空引线法兰与高压脉冲电源1连接，平行板电极2通过真空引线法兰与高压脉冲电源2连接；高压脉冲电源1、2分别向电极板1、2施加周期为3μs的同步的高压脉冲v1、v2，高压脉冲的一个周期由三个时间段组成，第一个时间段长度为1.2μs，v1、v2的电位都为零；第二个时间段长度为0.90μs，v1为幅值电位的方波脉冲，v2为零电位；第三个时间段长度为0.90μs，v1为零电位，v2为幅值为幅值电位的方波脉冲。
[0045]
所述横向飞行时间团簇质量选择器的使用方法，包括以下步骤：
[0046]
第1步、将安装横向飞行时间团簇质量选择器18的真空腔19及与其连接的磁控等离子体气体聚集团簇源抽真空，达到1
×
10-4
pa真空度；
[0047]
第2步、操作团簇源，产生pd团簇束流，团簇束流经入口狭缝5进入团簇质量选择器；
[0048]
第3步、启动高压脉冲电源，按前述参数向平行板电极1和平行板电极2输出同步的高压方波脉冲v1、v2,团簇沿横向飞行路径飞行；
[0049]
第4步、调节脉冲电压幅值为3940v，从出口狭缝6获得所选择出的质量为2个钯原子的团簇，质量选择的通过率为40％。
[0050]
实施例4
[0051]
如图1和3所示，横向飞行时间团簇质量选择器，所述质量选择器包括互相平行的平行板电极1和平行板电极2，平行设置的入口狭缝板3和出口狭缝板4，平行板电极与狭缝板垂直且贴合，质量选择器安装于真空腔19内。平行板电极、入口狭缝板3和出口狭缝板4的材质均为铝；平行板电极为长度为1000mm，宽度为150mm，厚度为3mm的长方形平板；两块平行板电极平行放置，平板内表面之间的间距为400mm，平板之间保持电绝缘；入口狭缝板3和出口狭缝板4放置于平行板长边的两端，垂直于平行板电极平面，两块狭缝板的宽度各为
150mm、长度各为406mm，厚度为2mm。入口狭缝板3和出口狭缝板4与两块平行板电极保持电绝缘；入口狭缝板和出口狭缝板上分别开设入口狭缝5和出口狭缝6，狭缝长度皆为50mm，宽度皆为10mm；入口狭缝5中心线与平行板电极1内表面的距离为15mm,出口狭缝6中心线与平行板电极2内表面的距离为15mm,入口狭缝5与出口狭缝6的中心线的间距为370mm；平行板电极1通过真空引线法兰与高压脉冲电源1连接，平行板电极2通过真空引线法兰与高压脉冲电源2连接；高压脉冲电源1、2分别向电极板1、2施加周期为1000μs的同步的高压脉冲v1、v2，高压脉冲的一个周期由三个时间段组成，第一个时间段长度为500μs，v1、v2的电位都为零；第二个时间段长度为250μs，v1为幅值电位的方波脉冲，v2为零电位；第三个时间段长度为250μs，v1为零电位，v2为幅值为幅值电位的方波脉冲。
[0052]
所述横向飞行时间团簇质量选择器的使用方法，包括以下步骤：
[0053]
第1步、将安装横向飞行时间团簇质量选择器18的真空腔19及与其连接的磁控等离子体气体聚集团簇源抽真空，达到1
×
10-5
pa真空度；
[0054]
第2步、操作团簇源，产生ag团簇束流，团簇束流经入口狭缝5进入团簇质量选择器；
[0055]
第3步、启动高压脉冲电源，按前述参数向平行板电极1和平行板电极2输出同步的高压方波脉冲v1、v2,团簇沿横向飞行路径飞行；
[0056]
第4步、调节脉冲电压幅值为130v，从出口狭缝6获得所选择出的质量为50个银原子的团簇，质量选择的通过率为50％。