基于原子层沉积技术制备超大高宽比X射线菲涅尔波带片

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X射线具有能量高,波长短,穿透性强等特点,在显微成像邻域得到广泛应用和长足发展。其在显微成像邻域应用能够实现深的穿透能力,具有高分辫率和丰富的成像衬度等特点,能够对样品内部结构灵活无损的进行三维成像观测。在生物医学、纳米材料、集成电路和环境检测等科学领域有重要应用。在X射线显微成像系统中,X射线能够聚焦成像依托的是菲涅尔透镜,其基于衍射原理聚焦成像,结构是由透明与不透明的圆环交替组成,圆环宽度向外逐渐递减。分辨率由公式(△δ=0.61~1.22△r)决定,最外环尺寸△r越小,分辨率越高。衍射效率取决于自身高宽比(在外环厚度/切割厚度),入射X射线能量越高,波带片的切割厚度也越大。目前基于电子束曝光与金属电镀等传统加工技术制备波带片无法实现大高宽比且加工精度低价格昂贵。现在基于传统加工制备工艺,努力寻求突破技术极限,实现高分辨率大高宽比波带片制备。本文基于原子层沉积技术(ALD)在具有一定直径的中心衬底沉积透明与不透明的叠层膜结构,再结合聚焦离子束微纳加工技术(FIB)对其切割抛光,实现高分辨率超大高宽比波带片制备,主要研究内容和具体工作如下:(1)介绍了波带片的聚焦成像原理、结构特点,详细讨论了波带片空间分辨率和衍射效率与波带片结构参数之间的内在联系。讨论了波带片多层膜叠层材料选取依据,给出(Hf O2/Al2O3、Si O2/Al2O3、Ir/Al2O3、Ta2O5/Si O2)四种不同材料组合体系波带片在不同X射线入射能量(500e V、8ke V、15ke V)对应的最大衍射效率以及最佳的加工厚度。根据实际应用场景需求,设计了X射线入射能量在500e V、8ke V,多层膜叠层材料组合为Hf O2/Al2O3的波带片参数结构,中心衬底直径分别为190μm和45μm,多层膜环带数为382和339,最外环尺寸△r为25nm和40nm,波带片成像焦距为19.355mm和2.117mm。(2)基于原子层沉积技术制备氧化铝、氧化铪和氧化坦薄膜,用SEM、AFM和XPS表征薄膜生长特性,椭圆偏振仪考察薄膜生长速率研究不同的基底加热温度对三种薄膜沉积生长的影响。采用电化学腐蚀法和高稳等离子体加热技术分别制备具有一定直径且表面光滑的中心衬底钨丝和光纤。结合原子层沉积技术在中心衬底结构制备一系列软、硬X射线波带片叠层结构。(3)采用聚焦离子束微纳加工方法,切割抛光、转移固定8ke V、最外环40nm X射线波带片,在北京同步辐射光源(4W1A)X射线成像实验平台,开展X射线波带片聚焦成像性能测试,研制的波带片实现了50nm分辨率聚焦成像。
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