一种产生可控涡旋电子束的装置、方法

摘要

本发明公开了一种基于透射电子显微镜产生涡旋电子束的装置，电子枪，产生平面电子束；电场控制器；导电线圈，通过电学设备中的芯片设置于平面电子束通道上，受所述电场控制器作用产生强度可控的涡旋电场，所述涡旋电场用于调制所述平面电子束的相位，形成涡旋电子束。涡旋电子束可广泛应用于材料的表征、微纳尺度粒子操控等领域。本发明还提供了一种利用上述装置产生涡旋电子束的方法。该方法操作方便、经济成本低，可以获得轨道角动量可控的涡旋电子束，并且通过结合电子能量损失谱的分析，还有望实现对材料的原子级分辨磁性表征。

权利要求

1.一种基于透射电子显微镜产生涡旋电子束的装置，其特征在于，包括：电子枪，产生平面电子束；

电场控制器；

导电线圈，通过透射电子显微镜的电学样品杆或光阑杆中的芯片设置于平面电子束通道上，且导电线圈的轴向与电子束入射方向完全平行；

通以导电线圈和电学样品杆或光阑杆能够承受的电流，导电线圈受所述电场控制器作用产生强度可控的涡旋电场，所述涡旋电场用于调制所述平面电子束的相位，形成涡旋电子束。

2.如权利要求1所述的基于透射电子显微镜产生涡旋电子束的装置，其特征在于，所述的导电线圈垂直设置于芯片的中心表面上。

3.如权利要求1所述的基于透射电子显微镜产生涡旋电子束的装置，其特征在于，所述导电线圈与芯片的电极片一端连接，经电学样品杆或光阑杆与所述电场控制器形成一个电场控制回路。

4.如权利要求1所述的基于透射电子显微镜产生涡旋电子束的装置，其特征在于，芯片的中心处设有通孔。

5.如权利要求4所述的基于透射电子显微镜产生涡旋电子束的装置，其特征在于，所述通孔直径为0.01mm 1mm。

~

6.如权利要求4所述的基于透射电子显微镜产生涡旋电子束的装置，其特征在于，所述导电线圈设于所述通孔内。

7.如权利要求1所述的基于透射电子显微镜产生涡旋电子束的装置，其特征在于，所述电场控制器为波形发生器。

8.一种利用权利要求1 7任一所述的装置产生涡旋电子束的方法，包括以下步骤：~

将导电线圈置于芯片通孔内，且与芯片的电极片连接；

通过电学样品杆将载有导电线圈的芯片置于透射电子显微境内，调整导电线圈的轴向与电子束入射方向完全平行；利用电场控制器控制通过导电线圈和样品杆的交流电流大小，以获得可控涡旋电子束。

说明书

一种产生可控涡旋电子束的装置、方法

技术领域

[0001] 本发明属于电子光学领域，具体设计一种产生可控涡旋电子束的装置、方法。

背景技术

[0002] 涡旋电子束与电子能量损失谱联系紧密。电子能量损失谱包含了化学键信息、原子类型和电子态及其价态。此外，涡旋电子束在粒子操控、磁性等探测方面也卓有成效。其中，对材料进行微纳尺度甚至原子尺度的磁性分析需要深入结合电子能量损失谱对携带磁性信息的涡旋电子束进行分析，得到磁畴或磁化强度矢量等磁性信息。

[0003] 目前，产生涡旋电子束一般涡旋电子束的产生过程是让电子束通过螺旋相位片、全息光阑以及作为类磁单极子的磁性纳米针尖，使电子束产生涡旋特性，具有磁性以及纳米粒子操控等方面的应用。

[0004] 螺旋相位片产生涡旋电子束的方法：

[0005] 螺旋相位片的高度随方位角增大梯度线性增大，故当不同方位角区域的电子束通过不同高度的相位片时，就会出现相位延迟，其波阵面就会产生螺旋面形状，从而实现了从平面波电子束从涡旋电子束的转化。然而，在波长未被事先设计好的情况下，螺旋相位板会产生非整数值的电子束,而且此光带有相当复杂的电子光学涡旋拓扑荷。所以为了获得理想的涡旋电子束就需要再用一个能够充当相位特征的单色项的波函数。

[0006] 全息光阑产生涡旋电子束的方法：

[0007] 电子束从光阑上不同的缝隙中穿过，形成电子波的干涉最终形成涡旋电子束。光阑在TEM(透射电子显微镜)中放在C2(the second condenser，第二聚光镜)，即可在后焦面获得具有特定轨道角动量的涡旋电子束图样。

[0008] 类磁单极子产生涡旋电子束的方法：

[0009] 这种细长的磁针与狄拉克弦的模型很相近，利用其针尖所产生的特殊磁场对平面波电子束的相位进行作用，使电子束具有涡旋特性。类磁单极原理：在实验中，仔细调整磁针会产生相同的相位结构，与真正的单极很难区分。由于针的尖端很细，故其通量收敛到一个量化通量，并且在实验中，利用磁化的纳米铁磁针作为一个近似的狄拉克弦。这个平面电子波与针尖的相互作用让典型的Aharonov–Bohm相位移发生，使得针尖近似于一个磁单极子而产生了涡旋电子束。

[0010] 螺旋相位片的方法加工难度最大，其相位变化不严格连续，厚度随方位角变化难以非常精确地实现，与形成真实的涡旋电子束存在偏差，每个制成的相位片只能用于特定的加速电压(对应电子波长)，有一定的局限性；全息光阑的方法，光阑有一定的加工难度，有一部分电子束束被挡住，同时还散射为多束，电子束流密度较弱；类磁单极子的方法要求针尖很细，与理想的磁单极子场也并非完全等同，目前的方法可控性较差，但相比前两者来说有一定的优势，它不需要在特定的加速电压下才能产生涡旋电子束，并且由于遮挡面积小，具有高电子束流密度的优势，此外该方法只要磁场可控，能够实现可控的涡旋电子束。要实现磁场可控的类磁单极，其加工难度具有很大的挑战性。

发明内容

[0011] 本发明提供了一种产生可控涡旋电子束的装置、方法。

[0012] 本发明的第一实施方式提供了一种产生可控涡旋电子束的装置，包括：

[0013] 电子枪，产生平面电子束；

[0014] 电场控制器；

[0015] 导电线圈，通过电学设备中的芯片设置于平面电子束通道上，受所述电场控制器作用产生强度可控的涡旋电场，所述涡旋电场用于调制所述平面电子束的相位，形成涡旋电子束。

[0016] 电流控制涡旋电子束的原理:

[0017] 一个半径为R的圆形范围内的磁通量φ为：

[0018] φ＝B·(πR2)  (1)

[0019] 且磁通量φ随时间变化Δt等于涡旋电场一圈的电势变化：

[0020]

[0021] 假设线圈由一锯齿波电流源供交流电频率为f，电流从-I0变到+I0，N为匝数，B0为匝数为1时的最大磁感应强度，μ0为真空磁导率，则有：

[0022]

[0023]

[0024] k0为比例系数，只有无限长的通电线圈才满足公式(4)

[0025] 故半径为R的圆上电势绕一圈变化：

[0026] V＝(πR2)·k0·2I0f＝2πR2B0f  (5)

[0027] 通过电磁场矢势 标势V，波函数增加的相位变化 为：

[0028]

[0029] 在导电线圈的入口和出口的磁场的作用是对称的，可以抵消。

[0030] 涡旋电场作用带来的相位变化 为：

[0031]

[0032] t为作用时间，为是电子通过导电线圈的时间，且作用时间t为：

[0033]

[0034]

[0035] vz为沿导电线圈轴向的运动速度。

[0036] 电子能量为E，R为导电线圈半径，L为电子通过导电线圈的距离，则有：

[0037]

[0038]

[0039]

[0040] 若实验环境为真空，则μr＝1，代入各个常量，计算后得到：

[0041]

[0042] 即参数N、I0、f、R2、 的乘积必须满足在10-4量级或高于此量级(国际单位)。

[0043] 普朗克常量h＝6.626×10-34J·s，真空磁导率μ0＝4π×10-7N/A2；

[0044] 元电荷e＝1.6×10-19C，电子质量me＝9.1×10-31kg，加速电压为U，即电子能量E＝eU；

[0045] 只要参数N、I0、f、R、U的乘积满足(12)式，且 则从理论上来说，就能够产生涡旋电子束，前者为强度条件，后者为线圈形状为无限长通电螺线管的条件。

[0046] 基于以上原理，当电子通过导电线圈时，受到导电线圈形成的可变涡旋电场的作用，改变电子的轨道角动量，形成涡旋电子束。

[0047] 所述的芯片为含有电极片的载片，对所述导电线圈起支撑和连接作用。载片可以为玻璃片、硅片或者氧化铝陶瓷片等。作为优选，所述芯片可以为样品芯片。

[0048] 作为优选，所述电学设备能够承载控制芯片，可以为电学样品杆或光阑杆。作为优选，所述导电线圈垂直设置于芯片的中心表面上，也就是导电线圈的轴向方向与芯片的表面垂直，且导电线圈发轴心与芯片中心对齐。这样可以使导电线圈形成的涡旋电场调控平面电子束的大部分电子，形成稳定的涡旋电子束。

[0049] 作为优选，所述导电线圈与芯片的电极片一端连接，经电学设备与所述电场控制器形成一个电场控制回路。这样能够通过电场控制器将预设的交流电引入到导电线圈中，进而控制导电线圈产生的涡旋磁场。

[0050] 作为优选，当电学设备为电学样品杆时，电学样品杆中设有多条与外电路相连的多个电极片，在应用时，通过与电学样品杆配合的接线盒测试确定与外界导通的一对电极片，当芯片放入电学样品杆内时，芯片的电极与测试后确定的一对电极片连接，这样，与芯片连接的导电线圈经电学样品杆后与所述电场控制器形成一个完整的系统。

[0051] 作为优选，为获得稳定的涡旋电子束，所述芯片的中心处设有光阑通孔。进一步优选，所述通孔直径为0.01mm～1mm，但一定要略大于螺旋线圈的最大直径来使得线圈能够置于通孔中。

[0052] 作为优选，所述导电线圈设于所述光阑通孔内。

[0053] 作为优选，所述导电线圈的线圈匝数大于200圈，导电线圈的半径R要远远小于导电线圈的长度L。

[0054] 作为优选，所述电场控制器为波形发生器。进一步优选，所述波形发生器输出交流波电流，且输出的波形变化率为单调，即单调递增或递减。由于电子透射显微镜中发射的平面电子束运动速度非常快，所以只要频率不是特别高，基本都能够达到要求，但是交流电的频率至少应达到MHz量级，而电流的峰值至少要达到毫安量级。

[0055] 本发明的第二实施方式提供了一种利用第一实施方式提供的装置产生涡旋电子束的方法，包括以下步骤：

[0056] 将导电线圈置于芯片表面，且与芯片的电极片连接；

[0057] 通过样品杆将载有导电线圈的芯片置于透射电子显微境内；

[0058] 利用电场控制器控制通过导电线圈的交流电流大小以获得可控涡旋电子束。

[0059] 本发明的第三实施方式提供了一种产生涡旋电子束的装置，其特征在于，包括：

[0060] 电子枪，用于产生平面电子束；

[0061] 电场控制单元；

[0062] 电子相位调制单元，受所述电场控制单元作用产生强度可控的涡旋电场，所述涡旋电场用于调制所述平面电子束的相位，获得可控涡旋电子束。

[0063] 作为优选，所述电场控制单元为波形发生器，所述电子相位调制单元为导电线圈。

[0064] 相比于现有技术，本发明具有的优势为：

[0065] 可以通过调节交流电的峰值电流、频率(甚至如果实验条件允许的话，还可以调整加速电压)来实时原位调控涡旋电子束的轨道角动量，同时，线圈匝数或线圈半径改变也会对涡旋电子束的轨道角动量产生改变；

[0066] 通过对实验参数的精细控制，调整涡旋电子束的相关参数(主要是轨道角动量量子数、束斑半径以及离焦量)有望实现对磁性材料进行原子级的磁性探测。此外，还可以利用参数的涡旋电子束对纳米颗粒进行操控。

[0067] 本发明提供的装置经济成本较低，加工难度相对较低，且对光路调整的限制不是特别大，灵活性比较强；

[0068] 本发明提供的装置适用范围不仅适用于电子显微镜当中，只要条件合适，将来的应用前景将非常广泛。

附图说明

[0069] 图1是实施例1提供的基于透射电子显微镜产生涡旋电子束的装置的结构剖面示意图；

[0070] 图2是实施例2提供的基于透射电子显微镜产生涡旋电子束的装置的结构剖面示意图；

[0071] 图3为利用实施例1中提供的装置观察到的衍射环。

具体实施方式

[0072] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

[0073] 实施例1

[0074] 图1是本实施例提供的基于透射电子显微镜产生涡旋电子束的装置的结构剖面示意图。如图1所示，基于透射电子显微镜产生涡旋电子束的装置包括：产生平面电子束的电子枪101，电学样品杆102，通过电极片与电学样品杆102的样品芯片103，垂直设置在样品芯片103表面、且轴心与样品芯片103中心对齐的导电线圈106，与电学样品杆102电连接的接线盒104，与接线盒104电连接的波形发生器105，所述样品芯片103中心设有通孔107。

[0075] 本实施例中，导电线圈106的内直径为0.6mm，线圈106的匝数为300匝，且通过以下过程制备得到：首先，选取直径略小于0.6mm的细针作为骨架；然后，选取直径为0.025mm的导线绕着细针缠绕300匝形成微型导电线圈106。

[0076] 波形发生器105输出4MHz的锯齿波，且输出电流大于6.31mA，在不破坏接线盒104、波形发生器105和电学样品杆102以及线圈形成的电磁场对电子显微镜的影响的情况下，电流越大，形成的涡旋电子束的轨道角动量越大。

[0077] 应用时，将载有导电线圈106的电学样品杆102放入透射电子显微镜中(在洛伦兹模式下进行观察，防止电镜中的磁场对电子束运动轨迹造成影响)，经过电子显微镜的精细光路调整，并进行完整的合轴对中后，若电子束斑在通电流后无论在TEM成像模式还是在衍射模式下都呈现单一束的圆斑现象，并且调整离焦量defocus值时也不会改变束斑的形状，说明导电线圈106轴向与电子束入射方向与完全平行。此时，再通以足够大且导电线圈106和电学样品杆102可承受的电流(本次实验的最大电流示数控制在10mA以内，主要是为了保护电学样品杆102)，可以在后焦面观察到单一圆形束斑有一明显暗核的“甜甜圈”形衍射环，如图3所示，表明已形成涡旋电子束。

[0078] 实施例2

[0079] 图2是本实施例提供的基于透射电子显微镜产生涡旋电子束的装置的结构剖面示意图。如图2所示，基于透射电子显微镜产生涡旋电子束的装置包括：产生平面电子束的电子枪101，电学样品杆102，通过电极片与电学样品杆102的样品芯片103，样品芯片103中心处设有光阑通孔107，光阑通孔107内设有导电线圈106，导电线圈106与样品芯片103的电连接与电学样品杆102电连接的接线盒104，与接线盒104电连接的波形发生器105。

[0080] 本实施例中，导电线圈106的匝数在300匝左右，通孔107的直径为0.6mm，若等于或略大于导电线圈106的直径(保证线圈能够刚好固定在通孔中)，这样导电线圈106刚好与通孔107匹配，能够形成稳定的涡旋电子束。

[0081] 应用时与实施例1提供的方式一致，能够形成涡旋电子束。

[0082] 以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。