УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКОВ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОКЛАСТЕРНЫХ ИОНОВ Российский патент 2003 года по МПК H01J27/02 

Изобретение относится к ионной физике и физике взаимодействия быстрых ионов с веществом и может быть использовано для:
- получения пучков жидкометаллических нанокластерных ионов, ускоренных до различных энергий,
- нанесения покрытий с различной плотностью нанокластеров на поверхность,
- в сфере высоких технологий - химический катализ, нанооптоэлектроники, анализа биомолекул,
- а также различных исследований, при изучении взаимодействия ускоренных жидкометаллических нанокластерных ионов в широком диапазоне масс и энергий с поверхностью твердого тела (вторичная ионная эмиссия, вторичная электронная эмиссия, поверхностные повреждения, повреждения самих кластеров и др.).

В литературе известно использование источника жидкометаллических ионов в [1]. Принцип действия источника состоит в следующем: на иглу из тугоплавкого металла, которая является анодом, подается жидкий металл, хорошо смачивающий иглу, при больших напряжениях между иглой и экстрактором происходит образование на острие иглы конуса из жидкого металла, на вершине которого происходит образование и эмиссия капель. Недостатком этого устройства являются очень широкие (от 1 до 1000 нм) и нерегулируемые размерные распределения жидкометаллических нанокластерных ионов, характеризуемые как "микрокапельный хаос". Такой источник жидкометаллических ионов не может быть использован для получения направленных пучков в нанометровом диапазоне.

Известно, что при бомбардировке металлических нанодисперсных мишеней с размерами блоков-островков в 3÷15 нм и более многозарядными ионами (МЗИ) - осколками деления ²⁵²Cf (ОД) - выбитые нанокластерные ионы имеют массы, размеры одного порядка с десорбируемыми островками мишени [2, 3] (измерялись спектры m/q: m - масса, q - заряд выбитого иона). В работе [4] для регистрации выбитых нанокластеров применена коллекторная методика. Использовался просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) для измерения горизонтальных размеров блоков-островков на мишени и выбитых кластеров на коллекторах и микроскоп атомных сил (MAC) для измерения их вертикальных размеров. Эти измерения позволили установить идентичность массовых распределений островков на мишени и кластеров на коллекторах, т.е. установить, что происходит десорбция целых островков. Кроме того, десорбированные кластеры, осевшие на коллекторах, имеют идеально круглую форму [4], которая отличается от формы островков на мишенях. Таким образом, бомбардировка МЗИ-ОД с энергией 0.3-1 МэВ/нуклон нанодисперсных мишеней с металлическими наноблоками-островками на поверхности с размерами в единицы и десятки нм приводит к десорбции целых металлических наноблоков, их расплавлению и образованию жидких нанокапель в свободном и заряженном состоянии (20-90% нанокластеров десорбируются в зарядовом состоянии). Устройство для сбора выбитых нанокластеров на коллекторы подробно описано в [5] и представляло собой облучательно-коллекторную сборку с параллельно расположенными источником МЗИ, нанодисперсной мишенью и коллектором. Нанодисперсные мишени облучались в вакууме (~4•10^-7 Торр) ОД от источника ²⁵²Cf "на прострел" через диафрагму диаметром 2 мм. Нанокластеры, выбитые из мишени, проходили дрейфовый промежуток 10 мм и собирались на плоский коллектор, состоящий из электронно-микроскопических сеточек (фиг.1).

Приведенное устройство не отвечает задаче получения направленного пучка жидкометаллических нанокластерных ионов.

Задачей изобретения является разработка устройства для получения направленного пучка жидкометаллических нанокластерных ионов со средними размерами в диапазоне единиц и десятков нм с узкими размерными распределениями.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство, содержащее мишенный электрод с нанодисперсной мишенью, которая представляет из себя совокупность металлических наноблоков со средними размерами в единицы и десятки нм, нанесенных на подложку, закрепленной конусным держателем, и герметичным спектрометрическим источником осколков деления ²⁵²Cf, размещаемым параллельно мишени на расстоянии, не превышающем 2 мм. В конструкцию устройства введены специальный вытягивающий электрод, выполненный в виде диафрагмы с конусным утолщением со стороны держателя мишени, и заземленный электрод, расположенные последовательно на одной оси.

Признаком, отличающим заявляемое устройство от существующего [5], является использование конусного держателя мишени и введение в конструкцию специального вытягивающего электрода, выполненного в виде диафрагмы с конусным утолщением со стороны держателя мишени, и заземленного электрода. Такая конструкция устройства обеспечивает получение направленного пучка жидкометаллических нанокластерных ионов и их ускорение до различных энергий.

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.2-4.

На фиг.2 показан общий вид устройства.

На фиг.3 показан мишенный электрод и его форма с источником многозарядных ионов и держателем нанодисперсной мишени.

На фиг.4 показан вытягивающий электрод и его форма.

Устройство для получения пучков жидкометаллических нанокластерных ионов представляет собой конструкцию, содержащую мишенный электрод 1 диаметром 50 мм (фиг.2) с держателем нанодисперсной мишени и с источником МЗИ. В качестве источника многозарядных ионов 4 используется источник ОД ²⁵²Cf, который размещен параллельно мишени на расстоянии, не превышающем 2 мм (фиг.3). Нанодисперсные металлические мишени 5 (фиг.3) представляют собой тонкие (1 мкм) алюминиевые пленки (прозрачные для МЗИ-ОД), закрепленные на кольцах и покрытые слоем аморфного углерода толщиной ~ 20 нм и нанесенным слоем металлических блоков-островков со средними размерами в единицы и десятки нанометров. Держатель мишени 6 имеет конусную форму (фиг.3) с углом 55 град. относительно нормали к поверхности мишени и обеспечивает крепление мишени с диаметром рабочей области 9 мм. Вытягивающий электрод 2 диаметром 50 мм (фиг. 1) расположен на одной оси с держателем мишени на расстоянии 25 мм. Вытягивающий электрод имеет в центре конусное утолщение диаметром 18 мм, высотой 4 мм с углом 50 град. к оси со стороны держателя мишени и входное отверстие для нанокластерных ионов диаметром 8 мм, расположенные на оси электрода (фиг. 4). Форма держателя мишени и вытягивающего электрода и их взаимное расположение обеспечивают электростатическую фокусировку выбитых нанокластерных ионов на выходе заземленного электрода 3 (фиг.2), расположенного на одной оси с держателем мишени и вытягивающим электродом на расстоянии 14 мм от последнего, в пучок жидких нанокластерных ионов диаметром 6 мм.

Работа устройства осуществляется следующим образом: осколки деления спонтанно делящегося изотопа ²⁵²Cf 4 (фиг.3), проходя герметизирующий или защитный слой в виде тонкой металлической пленки и подложку мишени 5 (фиг. 3), попадают в металлические блоки-островки на мишени, десорбируют их с большой эффективностью - 0.1-1 кластеров на один МЗИ-ОД ²⁵²Сf и расплавляют их. На мишенный электрод 1 (фиг.2) подается напряжение отрицательной полярности U (до 25 кВ). На вытягивающий электрод 2 (фиг.2) подается напряжение отрицательной полярности U/2 (до 12.5 кВ). Десорбированные с мишени диаметром 9 мм заряженные жидкие металлические нанокапли, проходя промежуток между мишенным и вытягивающим электродами, ускоряются до энергий до 12.5 кВ•q и фокусируются в направленный пучок. Заземленный электрод 3 (фиг.2) находится под нулевым потенциалом ("земля"). Проходя промежуток между заземленным и вытягивающим электродом, жидкометаллические нанокластерные ионы получают ускорение до 25 кB•q и фокусируются в пучок диаметром не более 6 мм с углом расхождения не более 5 градусов на выходе заземленного электрода. В выходной пучок жидкометаллических нанокластерных ионов фокусируется не менее 70% всех десорбированных с мишени отрицательно заряженных нанокластеров. При подаче напряжения положительной полярности U (до 25 кВ) на вытягивающий электрод возможно ускорение нанокластерных ионов до 50 кВ•q.

Распределения жидкометаллических нанокластерных ионов по размерам и по массам определятся соответствующими параметрами нанодисперсных мишеней, то есть задается заранее. Использование для каждого данного вещества набора мишеней с различными исходными распределениями блоков-островков по размерам обеспечит варьирование размеров и масс жидкометаллических ионов в пучке в диапазоне средних размеров в единицы и десятки нанометров.

Предлагаемая конструкция представляет собой устройство для получения пучка жидкометаллических нанокластерных ионов. Параметры устройства для получения пучка жидкометаллических нанокластерных ионов золота:
- диапазон размеров и масс - 2-30 нм (~2•10⁴ - 2•10⁸ а.е.м.),
- ширина размерных распределений на половине высоты ~50%,
- интенсивность герметичного источника ²⁵²Cf - до ~2•10⁵ ОД/с в 4π,
- средняя интенсивность пучка жидкометаллических нанокластерных ионов ~ 3•10⁴ с^-1,
- энергия ускоренных жидкометаллических нанокластерных ионов - до ~50 кВ•q (q=1÷20 e в зависимости от размеров нанокластеров).

Десорбция и расплавление нанокластеров наблюдались по крайней мере для нанодисперсных мишеней Ag, Pt, In, Bi, что позволяет применять эти материалы для создания пучков жидкометаллических нанокластерных ионов.

Применение данного устройства для получения пучков жидкометаллических нанокластерных ионов по сравнению с существующим прототипом [4] и используемым источником жидкометаллических ионов [5] позволяет:
1) получать направленные пучки ускоренных жидкометаллических нанокластерных ионов,
2) получать ширины размерных распределений жидкометаллических нанокластерных ионов в пучке на половине высоты ~50%, величину которой в принципе можно уменьшить в 2÷3 раза,
3) определять параметры пучков жидкометаллических нанокластерных ионов (средние размеры и размерные распределения жидкометаллических нанокластерных ионов в пучке) по размерным распределениям островков на мишени, которые можно изменять при их изготовлении, т.е. заранее,
4) сократить расход вещества для получения пучков жидкометаллических нанокластерных ионов до десятков мкг,
5) получать пучки жидкометаллических нанокластерных ионов, кроме прочих, также пучки драгоценных, редких и радиоактивных материалов, практически без потерь,
6) упростить эксплуатацию источника.

Источники информации
1. Бадан В.Е. и др. Ж. Тех. физ. 63 (1993) 47.

2. I. Baranov et al. Measurement of masses up to 10⁷ amu of clustersas a result of inelastic sputtering of thin layers by ions. NIM B65 (1992) 177.

3. V.-Tan Nguyen, К. Wien, I. Baranov et al. Detection of large cluster ions by ion-to-ion conversion. Rapid Commun. Mass-Spectrom., 10 (1996) 1463.

4. I. Baranov et al. Macrocluster effect caused by single multiply ions: masses of gold nanoclusters (3-30 nm) arising as a result of electronic processes induced by fission fragment bombardment in ultradispersed targets of gold. NIM В 146 (1998) 154.

5. I. Baranov, S. Kirillov, A. Novikov, V. Obnorsky, A. Pchelintsev, S. Yarmijchuk, to be published in Nucl. Instr. and Meth. В (2001).

Использование: изобретение относится к ионной физике и физике взаимодействия быстрых ионов и направлено на получение направленных пучков жидкометаллических нанокластерных ионов, ускоренных до различных энергий. Сущность изобретения: предложено устройство для получения направленного пучка жидкометаллических нанокластерных ионов, получаемых методом десорбции из нанодисперсных мишеней одиночными многозарядными ионами типа осколков деления ²⁵²Cf, со средними размерами в диапазоне единиц и десятков нм с узкими размерными распределениями. Использован мишенный электрод с нанодисперсной мишенью, которая представляет из себя совокупность металлических наноблоков со средними размерами в единицы и десятки нм, нанесенных на подложку, закрепленной конусным держателем, и герметичным спектрометрическим источником осколков деления ²⁵²Cf, размещаемым параллельно мишени на расстоянии, не превышающем 2 мм, и введены в конструкцию вытягивающий электрод, выполненный в виде диафрагмы с конусным утолщением со стороны держателя мишени, и заземленный электрод, обеспечивающие как фокусировку пучка жидкометаллических нанокластерных ионов в плоскости электродов, так и его ускорение до различных энергий. Техническим результатом изобретения является возможность получения пучков ускоренных жидкометаллических нанокластерных ионов с заранее заданными средними размерами в диапазоне единиц и десятков нм с узкими размерными распределениями. 4 ил.

Устройство для получения пучков жидкометаллических нанокластерных ионов, включающее нанодисперсную мишень, которая представляет из себя совокупность металлических наноблоков со средними размерами в единицы и десятки нм, нанесенных на подложку, источник многозарядных ионов - герметичный спектрометрический источник осколков деления ²⁵²Сf, размещаемый параллельно мишени на расстоянии, не превышающем 2 мм, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит конусный держатель мишени, вытягивающий и заземленный электроды, расположенные последовательно на одной оси, обеспечивающие первичную электростатическую фокусировку пучка, причем вытягивающий электрод выполнен в виде диафрагмы с конусным утолщением со стороны держателя мишени.