TW201743364A - 一種透射型低能量電子顯微系統 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一種透射型低能量電子顯微系統，其包括：一真空腔體；一電子槍，用於發射電子束；一繞射腔體；一成像裝置；一樣品支架，用於固定二維奈米材料樣品，上述電子束可以從所述二維奈米材料樣品透射之後形成進入所述繞射腔體內的透射電子束與繞射電子束，並在所述成像裝置上成像；一芯柱；一抽真空裝置；以及一控制電腦；其中，所述控制電腦還包括工作模式切換模組，所述工作模式切換模組可以實現大束斑的成像模式和小束斑的繞射模式之間切換；所述大束斑的成像模式為採用大於樣品的電子束照射整個樣品表面，並進行繞射成像；所述小束斑的繞射模式為採用小於樣品的電子束照射樣品的局部表面或掃描整個表面，並進行繞射成像。
Description
本發明涉及微奈米技術領域，尤其涉及一種透射型低能量電子顯微系統和表徵二維奈米材料的方法。
奈米材料提供了製造新型邏輯器件和提高器件集成度的可能，在新型的能源、探測、柔性電子、生物醫學等方面也有很多優異特性和廣泛的應用前景。實現奈米材料最終應用的關鍵步驟是大面積的均勻製備。目前石墨烯和二硫化鉬等二維奈米材料都已經可以採用化學氣相沈積的方法實現大面積製備。例如，石墨烯單晶的製備達到厘米級，二硫化鉬單晶可以達到亞毫米的尺寸，二硒化鎢和二硒化鉬也已經百微米的尺寸。故，發展對於得到的大面積樣品的結構和性能方便快捷的表徵方法和儀器也必將能夠促進材料製備及其應用，是當前材料研究的重要需求。
材料結構和性能有著各種不同的表徵方法及相應設備，由於電子波長與材料的原子間距相近，能量和運動便於控制，同時由於電子主要受原子核的散射，其繞射角小、繞射斑點強、輻射深度和作用試樣的體積比較小，電子顯微成為表徵奈米材料包括二維材料的結構和形貌最合適的手段之一。透射電子顯微術（transmitted electron microscopy，TEM）可以對非常少量的樣品進行原子級別的結構成分分析和成像，然而，已經成熟的透射電子顯微設備都還是針對三維材料而設計，為了獲得大放大倍數和好的解析度，電鏡的工作電壓大都在20kV到300kV，電子束斑都取得盡可能小，樣品托也是只有3毫米直徑的金屬環，高能電子輻照會對材料的結構造成破壞，對於奈米材料這種效應非常明顯，而且樣品分析的區域不能太大。低能電子繞射（Low energy electron diffraction, LEED）及低能電子顯微（Low energy electron microscopy, LEEM）採用能量較低的電子對材料表面原子的結構的進行表徵，非常適合於分析材料的二維結構以及吸附。然而，由於這種表徵也是為傳統的材料結構所設計，與TEM有同樣電子束束斑較小的問題，表徵大面積材料的效率不高。同時，LEED和LEEM由於觀測的是反射電子束，生長在基底上的材料如石墨烯只是表面的一層原子，電子束穿過樣品之後繼續跟基底材料相互作用才會反射，故，在LEED圖案中還存在基底材料的信號。
因而，發展合適的具有大電子束斑的透射型低能量的電子顯微分析方法將有望解決目前奈米材料表徵中的面臨的大面積樣品本徵表徵問題，是當前奈米材料尤其是二維材料材料研究發展的內在需求。
本發明提供一種透射型低能量電子顯微系統。
一種透射型低能量電子顯微系統，其包括：一真空腔體；一設置於該真空腔體內的電子槍，用於發射的電子束；一與該真空腔體連接的繞射腔體；一設置於該繞射腔體內的成像裝置；一樣品支架，用於固定二維奈米材料樣品，上述電子束可以從所述二維奈米材料樣品透射之後形成進入所述繞射腔體內的透射電子束與繞射電子束，並在所述成像裝置上成像；一與該繞射腔體連接的芯柱；一與該真空腔體連接的抽真空裝置；以及一控制電腦，用於控制整個系統工作和資料處理；其中，所述控制電腦還包括工作模式切換模組，所述工作模式切換模組可以實現大束斑的成像模式和小束斑的繞射模式之間切換；所述大束斑的成像模式為採用大於樣品的電子束照射整個樣品表面，並進行繞射成像；所述小束斑的繞射模式為採用小於樣品的電子束照射樣品的局部表面或掃描整個表面，並進行繞射成像。
如上述透射型低能量電子顯微系統，其中，所述控制電腦還包括影像處理模組以及距離控制模組；所述影像處理模組用於對採集的圖像進行處理從而獲取繞射環半徑R，所述距離控制模組可以調節所述樣品與成像裝置之間的距離D。
如上述透射型低能量電子顯微系統，其中，所述控制電腦還包括一計算模組，所述計算模組用於根據繞射環半徑R和所述樣品與成像裝置之間的距離D計算出繞射電子束與透射電子束之間的夾角θ，以及根據公式dsinθ=λ計算所述二維奈米材料樣品的點陣週期d, 其中，λ為電子束的波長。
如上述透射型低能量電子顯微系統，其中，所述成像裝置為螢光屏。
如上述透射型低能量電子顯微系統，其中，所述成像裝置為CCD圖像感測器，通過該CCD圖像感測器採集透射電子和繞射電子的圖像，並發送至所述控制電腦。
如上述透射型低能量電子顯微系統，其中，所述電子槍提供的電子束能量為800eV-3000eV，電子束流為0.1微安-1微安，且電子束斑直徑為100微米-。
如上述透射型低能量電子顯微系統，其中，進一步包括一噴淋部件，所述噴淋部件靠近所述樣品支架設置，從而使從噴淋部件噴出的分子材料可以吸附在所述樣品表面。
如上述透射型低能量電子顯微系統，其中，進一步包括一導電桿，所述導電桿可以轉動，從而使該導電桿可以轉動到所述成像裝置前面，從而將透射斑擋住，從而僅獲得繞射圖案。
如上述透射型低能量電子顯微系統，其中，所述樣品支架還包括一加熱元件和溫度感測器，所述加熱範圍為從室溫到1500K。
如上述透射型低能量電子顯微系統，其中，所述樣品支架還包括一移動裝置，從而使樣品移動，實現電子束對該樣品的掃描。
本發明提供的透射型低能量電子顯微系統，可以直接用於觀察單層至複數層二維奈米材料，獲取二維奈米材料的電子透射和繞射圖像；尤其所述大束斑的成像模式為採用大於樣品的電子束照射整個樣品表面，並進行繞射成像，大大提高了大面積二維奈米材料的表徵效率。
圖1為本發明實施例提供的透射型低能量電子顯微系統的結構示意圖。
圖2為本發明實施例提供的透射型低能量電子顯微系統的電子繞射和透射方法示意圖。
圖3為本發明實施例提供的透射型低能量電子顯微系統的抽真空裝置的結構示意圖。
圖4為本發明實施例提供的透射型低能量電子顯微系統的電子繞射和透射原理示意圖。
圖5為本發明實施例1採用的石墨烯島樣品的光學顯微照片，其中a-b為採用CVD法長在銅箔上的石墨烯島的光學顯微照片，c為將石墨烯島設置於交叉設置的奈米碳管膜形成的CGF(CNT/graphene hybrid film)樣品的光學顯微照片。
圖6a-6b為本發明實施例1的石墨烯島1的中心透射圖像和繞射圖像，其中，a為透射圖像，b為繞射圖像。
圖6c-6d為單層單晶石墨烯片的透射圖像和繞射圖像的示意圖，其中，c為透射圖像的示意圖，d為繞射圖像的示意圖。
圖7a-7b為本發明實施例1的石墨烯島2的中心透射圖像和繞射圖像，其中，a為透射圖像，b為繞射圖像。
圖7c-7d為三層單晶石墨烯片的透射圖像和繞射圖像的示意圖，其中，c為透射圖像的示意圖，d為繞射圖像的示意圖。
圖8為本發明實施例1的石墨烯島1的四個不同區域的選區繞射圖像。
圖9為本發明實施例1的石墨烯島2的四個不同區域的選區繞射圖像。
圖10a為本發明實施例2採用的石大面積連續的多晶石墨烯膜樣品的光學顯微照片。
圖10b為本發明實施例2採用的石大面積連續的多晶石墨烯膜樣品的選區繞射圖像。
圖10c-10d為本發明實施例1的電子束覆蓋整個石墨烯島2的繞射圖像，其中，c為電子束聚焦之前，d為電子束聚焦之後。
圖11a為本發明實施例3採用的MoS2
薄片樣品的光學顯微照片。
圖11b為本發明實施例3中，電子束覆蓋整個MoS2
薄片樣品的繞射圖像。
圖11c為本發明實施例3中，電子束覆蓋少數只有一個晶體取向的MoS2
薄片樣品的繞射圖像，。
圖11d為本發明實施例3中，電子束覆蓋少數具有兩個晶體取向的MoS2
薄片樣品的繞射圖像。
圖12為本發明實施例4的單晶石墨烯吸附水分子後的透射電子繞射圖像隨時間的變化，該繞射圖像先出現再消失，其中，每15秒曝光一次。
圖13為本發明實施例5的不同樣品吸附水分子之後的透射繞射圖像，其中，a為只有一個主要晶體取向的多晶石墨烯膜，b為具有兩個主要晶體取向的多晶石墨烯膜，c為具有三個主要晶體取向的多晶石墨烯膜。
圖14為本發明實施例6的樣品旋轉前後的透射繞射圖像，其中，a為旋轉前的多晶石墨烯膜的透射繞射圖像，b為旋轉90度後的多晶石墨烯膜的透射繞射圖像。
圖15為本發明實施例7的樣品掃描後得到的一系列透射繞射圖像，其中，箭頭表示電子束移動的方向，先上後下。
圖16為本發明實施例8的樣品的不同晶面的sinθ與電子束波長之間的函數關係。
以下將結合上述附圖和不同實施例說明本發明提供的透射型低能量電子顯微系統和表徵二維奈米材料的方法。
參見圖1-2，本發明實施例提供的透射型低能量電子顯微系統10包括：一真空腔體11、一電子槍12、一繞射腔體13、一樣品支架14、一芯柱15、一抽真空裝置16以及一控制電腦17。
所述電子槍12設置於所述真空腔體11內。所述真空腔體11與所述繞射腔體13連接。所述樣品支架14設置於所述真空腔體11與所述繞射腔體13連接的連接處，從而使得所述電子槍12發射的電子可以從所述樣品支架14上的樣品20透射之後可以進入所述繞射腔體13內。所述芯柱15與所述繞射腔體13連接。所述抽真空裝置16與所述真空腔體11連接。所述控制電腦17用於控制整個透射型低能量電子顯微系統10的工作。
所述繞射腔體13內具有一成像裝置132和陽極電極134。所述成像裝置132設置於所述電子槍12和所述陽極電極134之間。所述電子槍12發射的電子在所述陽極電極134作用下向所述陽極電極134方向運動，並從所述樣品支架14上的樣品20透射之後，在成像裝置132上進行繞射成像點或/和進行繞射成像。通過所述成像裝置132上的繞射斑點或/和繞射成像可以分析二維奈米材料樣品20的結構。所述成像裝置132可以為螢光屏，也可以替換為一CCD圖像感測器。通過該CCD圖像感測器採集透射電子和繞射電子的圖像，並發送至所述控制電腦17。
所述電子槍12提供的電子束能量為800eV-3000eV，電子束流為0.1微安-1微安，且電子束斑直徑為100微米-1厘米。所述電子槍12的電子源可以是熱陰極也可以為場發射冷陰極。參見圖2，本實施例中，所述電子槍12是一種預聚焦的多透鏡細束電子槍，其採用四極式靜電聚焦系統，具體包括陰極發射體C、以及一次設置的四個聚焦電極A1，A2，A3，A4。通過所述聚焦電極可以調節所述電子束斑直徑大小。可以理解，所述電子槍12也可以採用其他電子槍，例如層流槍。層流槍可以實現更均勻束斑和更大的電流密度，有望提高成像和繞射的品質。進一步，所述透射型低能量電子顯微系統10還可以包括一移動台19。通過該移動台19可以移動所述電子槍12，從而實現電子束對該樣品20的掃描。
所述樣品支架14用於固定樣品20。所述樣品支架14的結構和尺寸不限，可以根據需要設計。本實施例中，所述樣品支架14為一中間具有圓形通孔的銅圓盤。所述通孔直徑略小於樣品20尺寸。所述樣品支架14還包括一移動裝置，從而可以使樣品20在xyz方向可移動。通過使樣品20移動，可以實現電子束對該樣品20的掃描。進一步，所述樣品支架14還包括加熱元件，可研究樣品20隨溫度變化的結構和相互作用現象。所述加熱範圍為從室溫到1500K。本實施例中，所述樣品支架14包括兩個間隔設置的電極142。當將樣品20固定在所述樣品支架14上時，承載所述樣品20的導電支撐體，例如銅網或奈米碳管膜，可以與該兩個間隔設置的電極142電連接。通過電極142向所述導電支撐體通電，從而對設置於導電支撐體上的樣品20進行加熱。所述樣品支架14還可以包括溫度感測器，用來監所述測樣品20的溫度。
進一步，所述透射型低能量電子顯微系統10還可以包括一噴淋部件18。所述噴淋部件18靠近所述樣品支架14設置，從而使從噴淋部件18噴出的分子材料可以吸附在所述樣品20表面。如此，可以研究所述樣品20對不同種材料的吸附和反應。
進一步，所述透射型低能量電子顯微系統10還可以包括一導電桿29。所述導電桿29一端固定於所述繞射腔體13側壁上，且可以轉動，從而使該導電桿29可以轉動到所述成像裝置132前面，從而將零級斑或透射斑擋住，從而僅獲得繞射圖案。可以理解，所述透射型低能量電子顯微系統10還可以包括一法拉第杯（圖未示），從而測量某一繞射束的強度。
參見圖3，所述抽真空裝置16的具體結構不限制，可以根據需要設計。本實施例中，所述抽真空裝置16包括一離子泵161、一第一分子泵162、一第二分子泵163、一機械泵164以及一控制裝置165。所述離子泵161和第二分子泵163分別直接與所述真空腔體11連接。所述第一分子泵162通過一預抽室166與所述真空腔體11連接。所述機械泵164則分別與所述第一分子泵162和第二分子泵163連接。所述控制裝置165用於控制整個抽真空裝置16的工作。通過所述抽真空裝置16，可以使所述真空腔體11的真空度達到10-3
-10-6
Pa，在這一段真空範圍內都可以觀察到透射電子的繞射斑點及繞射成像。
所述控制電腦17包括工作模式切換模組、計算模組、影像處理模組以及距離控制模組。所述工作模式切換模組可以實現大束斑的成像模式和小束斑的繞射模式之間切換。其中，所述大束斑的成像模式為採用大於樣品20的電子束照射整個樣品20表面，並進行繞射成像。所述小束斑的繞射模式為採用小於樣品20的電子束照射樣品20的局部表面或掃描整個表面，並進行繞射成像。所述計算模組用於計算所述樣品20的點陣週期，詳見後面描述。所述影像處理模組用於對採集的圖像進行處理，例如，獲取繞射環半徑R。所述距離控制模組可以調節所述樣品20與成像裝置132之間的距離D。
與傳統的電子繞射不同，這一儀器針對的是大面積二維材料的快速結構表徵，二維材料尤其是只有一層原子組成結構的繞射原理上會不同於三維材料。以下介紹採用本發明提供的透射型低能量電子顯微系統10對二維奈米材料進行繞射的原理與傳統電鏡對三維材料行繞射的原理之區別。
參見圖4，對於圖4（a）所示的二維材料而言，所滿足的繞射的條件為dsinθ=λ，這裡的d為二維材料的點陣週期，θ是繞射電子束24與透射電子束26之間的夾角。而對於如圖4（b）所示的傳統三維材料而言，所滿足的繞射條件為2d’sinθ’=λ，這裡的d’是三維材料的晶面間距，θ’是入射電子束22與三維材料晶面28的夾角。在傳統三維材料的繞射中，透射電子束26和繞射電子束24之間的夾角則為2θ’。需要注意的是在通常的選區電子繞射中，θ都非常小，滿足。對於二維材料而言為，其中θ為繞射電子束24和透射電子束26的夾角。對於三維材料而言，，其中θ’是入射電子束22與晶面28的夾角，而2θ’則為透射電子束26和繞射電子束24之間的夾角。
所述控制電腦17的計算模組通過可以計算所述樣品20的點陣週期d。具體地，參見圖2，在同一晶向上，繞射電子束24在成像裝置132上形成一繞射環，透射電子束26在所述成像裝置132上形成一透射斑點。所述繞射環距離透射斑點的距離等於所述繞射環的半徑R。通過影像處理軟體可以獲得該半徑R。所述樣品20與所述成像裝置132之間的距離為D。通過R和D就可以計算出繞射電子束24與透射電子束26之間的夾角θ。另外，當入射電子束22的能量確定時，其波長λ也為確定值。這樣，根據可以計算所述樣品20的相應晶向的點陣週期d。
可以理解，透射電子顯微鏡的選區繞射和微繞射採用的都是平行或者近似平行的電子束，由於物鏡聚焦和球差的限制，選區繞射的範圍在0.5-1微米，0.5微米以下的稱為微繞射。會聚束繞射是將電子束以大的會聚角聚焦在樣品表面，發散的光束使得透射斑點和繞射斑點擴展成為圓盤。透射電子顯微鏡中可以採用某一繞射束得到暗場像，然，通常都是只觀察透射像和繞射像。傳統的電子繞射儀也都採用小電子束斑，且由於傳統材料樣品仍然比較厚，一般只用於小尺寸範圍的繞射。LEED同時可以集成LEEM模式，然，LEEM中也只是選取一個繞射束進行成像，且束斑也較小。本儀器所面向的是大面積樣品的結構表徵，可以分別看到單晶和多晶樣品的成像，零級斑的明場像與繞射斑的暗場像同時得到，大束斑情況下成像及繞射將不同於已有儀器的針對小束斑情況的規律，對電子光學以及繞射物理需要新的考慮。
本發明提供的透射型低能量電子顯微系統10可以用於觀察單層至複數層石墨烯及MoS2
等二維材料，具有以下有益效果。其一，一次觀察樣品20的尺寸可以從十微米量級到毫米量級。通過移動樣品20，可以對尺寸為厘米量級見方的範圍進行快速的結構表徵。其二，採用了透射型設計，電子束能量較低，降低了對於樣品的破壞。而且，本設計所提出的透射型低能電子繞射可以研究二維材料表面的吸附狀態，將會對二維材料的特性研究及在探測、能源、催化等領域的應用有所幫助。在儀器中增加一原位的提供不同類型分子源的功能，從而可以改變材料表面的吸附種類。這種在懸空的材料表面的吸附狀態的研究可以避開基底的影響，更能夠說明材料本身的特性。其三，為實現對於材料自身的徹底去氣，同時集成樣品的局域加熱功能。簡單起見，因為所用的大部分材料體系都是導電的，對於不導電的樣品體系也可以將其轉移到奈米碳管膜上，故，可以採用焦耳加熱的方式即可。即使對於材料本身特性研究而言，集成了加熱功能使得研究樣品的結構特性隨溫度的變化成為可能。其四，樣品支架為xyz可移動，同時集成一個方向的旋轉。在成像裝置前方放置一導電桿，可以擋住零級斑，當安裝一法拉第杯時可以測量某一繞射束的強度。
以下介紹採用本發明提供的透射型低能量電子顯微系統10觀察石墨烯及MoS2
等二維材料的實施例。
實施例1
參見圖5a-5b，本發明實施例1的樣品為長在銅箔上的石墨烯島，其中兩個面積為平方毫米量級的石墨烯島分別標記為1和2。參見圖5c，該標記為1和2的兩個石墨烯島被轉移至奈米碳管拉膜上。由於奈米碳管拉膜包括複數個間隔且有序排列的奈米碳管，該兩個石墨烯島通過該奈米碳管拉膜部分懸空設置。該支撐有石墨烯島的奈米碳管拉膜懸空設置於圓形銅片的中心通孔上。由於奈米碳管拉膜是一種超薄的稀疏多孔的結構，對於樣品的影響比較小，此外還因為碳管拉膜最主要的繞射斑是管壁間的繞射，位於低角度，不會對所研究材料的繞射斑點產生影響。
採用本發明提供的透射型低能量電子顯微系統10觀察該樣品。當電子束覆蓋整個石墨烯島1，該石墨烯島1的中心透射圖像和繞射圖像如圖6a-6b所示。由圖6a-6b可見，該石墨烯島1的透射圖案和繞射圖案與該石墨烯島1的圖案一致。參見圖6c-6d，為單層單晶石墨烯片的透射圖像和繞射圖像的示意圖。對比圖圖6a-6b和圖6c-6d，說明了石墨烯島1為單層單晶石墨烯片。
當電子束覆蓋整個石墨烯島2，該石墨烯島2的中心透射圖像和繞射圖像如圖7a-7b所示。由圖7a-7b可見，該石墨烯島2的透射圖案與該石墨烯島1的透射圖案相似，但該石墨烯島2的繞射圖案卻比該石墨烯島1的繞射圖案變得複雜。參見圖7c-7d，為三層單晶石墨烯片的透射圖像和繞射圖像的示意圖。對比圖圖7a-7b和圖7c-7d，說明了石墨烯島2為三層單晶石墨烯片。
由於電子穿透不同的石墨烯片後會在不同的方位角發生繞射，故，複數層單晶石墨烯片的繞射圖像為每一層石墨烯片的繞射圖像的疊加。當把電子束聚焦後，得到類似於選區繞射（selected area electron diffraction, SAED)的圖像。圖8為該石墨烯島1的四個不同區域的選區繞射圖像。圖9為該石墨烯島2的四個不同區域的選區繞射圖像。由圖8可見，該石墨烯島1的選區繞射圖像為單一的六邊形繞射點陣，表明該石墨烯島1為單層單晶石墨烯片。而由圖9可見，該石墨烯島2的選區繞射圖像為三個不同的六邊形繞射點陣，表明該石墨烯島2為三層單晶石墨烯片。圖9中，不同的六邊形繞射點陣用不同數位標記。
實施例2
參見圖10a，本發明實施例2的樣品為大面積連續的多晶石墨烯膜，其被轉移至一矽基片表面的二氧化矽層上。從圖10b的選區繞射圖像看出，該樣品為單層石墨烯膜。圖10c-10d為電子束覆蓋整個樣品的繞射圖案。圖10c-10d為實施例2的樣品的電子透射繞射圖像。從圖10c可見，該大面積連續的多晶石墨烯膜的電子繞射圖像與圖6e的單層單晶石墨烯片的電子繞射圖像不同。該大面積連續的多晶石墨烯膜的電子繞射圖像包括兩組相同的繞射點陣。如圖10d所示，當將電子束聚焦之後，可以得到透射繞射圖像包括兩組相同的六邊形繞射點陣。圖10c-10d顯示了該毫米尺寸的大面積連續的整個多晶石墨烯膜的晶體分佈（crystal distribution）。由於實施例2的多晶石墨烯膜包括複數個微小的單晶石墨烯片，該平方毫米尺寸的多晶石墨烯膜的繞射圖案為成千個微小的單晶石墨烯片的繞射圖案的疊加。如圖10d的兩組相同的六邊形繞射點陣表明，該多晶石墨烯膜具有兩個擇優的晶體取向。
實施例3
參見圖11a，本發明實施例3的樣品為MoS2
薄片，其長在一矽基片表面的二氧化矽層上。該從圖11a可見，該MoS2
薄片不連續且在矽基片上的覆蓋率約為19%。圖11b為電子束覆蓋整個樣品的繞射圖案。從圖11b可見，該MoS2
薄片為多晶結構，且包括許多的繞射點陣。故，該MoS2
薄片沒有擇優的晶體取向。當電子束僅覆蓋少數MoS2
薄片時，可以清楚的看到這些MoS2
薄片的晶體取向。圖11c顯示了兩個晶體取向的MoS2
薄片的透射電子繞射圖像。圖11d顯示了只有一個晶體取向的MoS2
薄片的透射電子繞射圖像。由於MoS2
薄片的尺寸為幾十微米，遠小於電子束斑點尺寸，故，本發明提供的透射型低能量電子顯微系統10的解析度超越了其電子束尺寸的限制。
實施例4
本發明實施例4的樣品與為實施例1基本相同，其區別為，採用透射型低能量電子顯微系統10觀察前將該樣品採用去離子水清洗過。本實施例中，本發明提供的透射型低能量電子顯微系統10觀察到了除了石墨烯以外的額外繞射點陣。如圖12a所示，最初，在透射點附近觀察到一組六邊形繞射點陣。這些繞射點陣的旋轉角度與石墨烯{10-10}繞射點陣的旋轉角度相同。然而，如圖12b-12d所示，幾秒之後，這些的額外繞射點陣逐漸消失。將電子槍移動到新的位置，相同的繞射圖像再次出現和消失。然而，將樣品在真空中加熱至發光，並沒有觀察到額外繞射點陣。當在採用電子束照射該樣品之後或將該樣品加熱之後，採用噴淋部件噴灑水蒸汽，發現額外繞射點陣再次出現然後消失。故，該額外繞射點陣可能為由於樣品吸附水分子造成。
實施例5
本發明實施例5的樣品與實施例2基本相同，其區別為，本實施例分別包括只有一個主要晶體取向的多晶石墨烯膜、具有兩個主要晶體取向的多晶石墨烯膜和具有三個主要晶體取向的多晶石墨烯膜。如圖13所示，本實施例分別觀察了三個樣品吸附水分子之後的透射繞射圖像。
實施例6
本發明實施例6的樣品為大面積連續的多晶石墨烯膜，其被轉移至一奈米碳管拉膜上。本實施例分別觀察樣品不同旋轉角度的電子繞射圖案。如圖14所示，當樣品旋轉90度之後，其對應的電子繞射圖案也相應地旋轉90度。
實施例7
本發明實施例7的樣品為大面積連續的多晶石墨烯膜，其被轉移至一奈米碳管拉膜上。本發明實施例7的樣品與實施例6基本相同，其區別為，本實施例在樣品上刻蝕形成與1毫米寬的縫隙。本實施採用電子束沿著垂直於該縫隙的方向移動掃描該樣品，並劃過該縫隙，獲得一系列電子繞射圖案。如圖15所示，當電子束劃過縫隙時，電子繞射圖案的繞射點逐漸變暗，消失，然後再變亮出現。由此可見，所述電子繞射圖案由樣品而非縫隙所致。
實施例8
本發明實施例8的樣品為單晶石墨烯片，其被轉移至一奈米碳管拉膜上。本實施例分別測量該樣品的晶面(10-10)和晶面(11-20)的面間距d。如圖16所示，為單晶石墨烯片樣品的sinθ與入射電子束22的波長λ之間的函數關係。其中，θ1
為晶面(10-10)對應的繞射電子束24與透射電子束26之間的夾角。θ2
為晶面(11-20)對應的繞射電子束24與透射電子束26之間的夾角。根據d=λ/sinθ可以計算所述樣品的相應晶面的點陣週期d。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧透射型低能量電子顯微系統
11‧‧‧真空腔體
12‧‧‧電子槍
13‧‧‧繞射腔體
132‧‧‧成像裝置
134‧‧‧陽極電極
14‧‧‧樣品支架
142‧‧‧電極
15‧‧‧芯柱
16‧‧‧抽真空裝置
161‧‧‧離子泵
162‧‧‧第一分子泵
163‧‧‧第二分子泵
164‧‧‧機械泵
165‧‧‧控制裝置
166‧‧‧預抽室
17‧‧‧控制電腦
18‧‧‧噴淋部件
19‧‧‧移動台
20‧‧‧樣品
22‧‧‧入射電子束
24‧‧‧繞射電子束
26‧‧‧透射電子束
28‧‧‧晶面
29‧‧‧導電桿
無
10‧‧‧透射型低能量電子顯微系統
11‧‧‧真空腔體
12‧‧‧電子槍
13‧‧‧繞射腔體
132‧‧‧成像裝置
134‧‧‧陽極電極
14‧‧‧樣品支架
15‧‧‧芯柱
16‧‧‧抽真空裝置
17‧‧‧控制電腦
18‧‧‧噴淋部件
19‧‧‧移動台
20‧‧‧樣品
29‧‧‧導電桿
Claims (10)
- 一種透射型低能量電子顯微系統，其包括：
一真空腔體；
一設置於該真空腔體內的電子槍，用於發射的電子束；
一與該真空腔體連接的繞射腔體；
一設置於該繞射腔體內的成像裝置；
一樣品支架，用於固定二維奈米材料樣品，上述電子束可以從所述二維奈米材料樣品透射之後形成進入所述繞射腔體內的透射電子束與繞射電子束，並在所述成像裝置上成像；
一與該繞射腔體連接的芯柱；
一與該真空腔體連接的抽真空裝置；以及
一控制電腦，用於控制整個系統工作和資料處理；
其改良在於，所述控制電腦還包括工作模式切換模組，所述工作模式切換模組可以實現大束斑的成像模式和小束斑的繞射模式之間切換；所述大束斑的成像模式為採用大於樣品的電子束照射整個樣品表面，並進行繞射成像；所述小束斑的繞射模式為採用小於樣品的電子束照射樣品的局部表面或掃描整個表面，並進行繞射成像。 - 如請求項1所述的透射型低能量電子顯微系統，其中，所述控制電腦還包括影像處理模組以及距離控制模組；所述影像處理模組用於對採集的圖像進行處理從而獲取繞射環半徑R，所述距離控制模組可以調節所述樣品與成像裝置之間的距離D。
- 如請求項2所述的透射型低能量電子顯微系統，其中，所述控制電腦還包括一計算模組，所述計算模組用於根據繞射環半徑R和所述樣品與成像裝置之間的距離D計算出繞射電子束與透射電子束之間的夾角θ，以及根據公式dsinθ=λ計算所述二維奈米材料樣品的點陣週期d, 其中，λ為電子束的波長。
- 如請求項1所述的透射型低能量電子顯微系統，其中，所述成像裝置為螢光屏。
- 如請求項1所述的透射型低能量電子顯微系統，其中，所述成像裝置為CCD圖像感測器，通過該CCD圖像感測器採集透射電子和繞射電子的圖像，並發送至所述控制電腦。
- 如請求項1所述的透射型低能量電子顯微系統，其中，所述電子槍提供的電子束能量為800eV-3000eV，電子束流為0.1微安-1微安，且電子束斑直徑為100微米-1厘米。
- 如請求項1所述的透射型低能量電子顯微系統，其中，進一步包括一噴淋部件，所述噴淋部件靠近所述樣品支架設置，從而使從噴淋部件噴出的分子材料可以吸附在所述樣品表面。
- 如請求項1所述的透射型低能量電子顯微系統，其中，進一步包括一導電桿，所述導電桿可以轉動，從而使該導電桿可以轉動到所述成像裝置前面，從而將透射斑擋住，從而僅獲得繞射圖案。
- 如請求項1所述的透射型低能量電子顯微系統，其中，所述樣品支架還包括一加熱元件和溫度感測器，所述加熱範圍為從室溫到1500K。
- 如請求項1所述的透射型低能量電子顯微系統，其中，所述樣品支架還包括一移動裝置，從而使樣品移動，實現電子束對該樣品的掃描。
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