纳米粗糙度标准样品的设计、制备及X射线表征应用

Surface structures at micro-/nano-scale play an important role in various scientific fields, such as adhesion, lubrication, anti-reflection, and electric contact. The evaluation parameter of the rough surface stays on the stage of single dimension, often ignoring the coupling factors (such as scattering of X-ray reflectometry, X-ray band, etc.) when measuring complex distribution patterns with instruments. Accordingly, the application is made to digital design three-dimensional roughness structure, and use micro and nano-precision machining method to process nano-roughness standard samples fidelity with statistical parameters controllable, characterizing the samples with X-ray reflection measurements and scanning probe microscopy, in-depth studying the coupling effect of multiple factors when measuring the rough surface morphology and distribution using X-ray reflection. This application is innovative on computer-aided design, controllable preparation of three-dimensional roughness standard at nano-scale, and the characterization of roughness parameters. The research above can address the unreliable problem caused by single parameters characterizing during surface roughness measurement, providing robust new method for roughness surface characterization, and also be able to lay a solid foundation for the standardization of the roughness surface characterization methods and procedures at nano-scale.

微纳米尺度的表面结构在众多科研领域均扮演着重要角色，粗糙表面结构与特定器件的各种功能特性息息相关，例如粘附、润滑、抗反射以及电接触特性等等。现阶段对粗糙表面评价多停留在单一维度参数上，往往忽略粗糙三维结构的复杂分布形态与仪器测量时各类因素（如X射线反射法测量时散射、X射线波段等）的耦合作用。因此，本申请提出计算机数字化设计三维粗糙度结构，并利用微纳米加工方法高精度高保真加工统计参数可控的纳米粗糙度标准样品，结合X射线反射法以及扫描探针显微镜测量方法对其进行表征，深入研究X射线反射法测量粗糙表面分布形态时的多因素耦合效应。本申请在三维粗糙度标样的计算机辅助设计、纳米尺度标样的可控制备以及粗糙表面参数的表征上具有创新性。以上研究将解决粗糙表面结构表征参数单一引起的测量结果不可靠的问题，为粗糙表面表征提供稳健的新方法，并能够为纳米尺度粗糙表面表征方法及步骤的标准化打下坚实的基础。

本课题围绕可控参数的微纳米尺度三维粗糙度样品的设计、加工、表征和X射线应用开展研究，主要进行了以下五个方面的工作。.1）提出可控表面参数的微纳米尺度三维粗糙度样品的数字化设计创意，设计出不同偏态、峰度及相关长度的一系列的粗糙表面。应用聚焦离子束技术加工出正偏态，负偏态，高斯分布三个系列不同表面参数的三维粗糙度样品，加工精度达5 nm。利用扫描探针显微镜（SPM）对粗糙度样品进行测试表征，表面参数的定量评价表明其实测表面参数和相应的设计值吻合较好。.2）提出了一种空间填充扫描路径和自适应采样相结合的方法用于表面测量。提出了基于特殊路径和GP引导的自适应采样表面形貌测量。特殊路径可以选择表面填充的希尔伯特曲线，螺旋模式或者其他路径。沿扫描路径的自适应采样数据点在GP模型中被训练，高精度地重建表面形貌。与传统的光栅式扫描相比，该方法的精度高，且数据量可以大大减少。.3）设计三种不同形态分布（高斯分布，正偏态分布和负偏态分布）的粗糙结构，建立了comsol多物理场仿真模型，基于此模型分析不同粗糙结构的表面电场分布特性。本研究的初步结果可对X射线管等真空设备的结构设计和相关工艺技术的选择提供参考。.4）合理设计电子源真空系统中的控制极电极结构，使电极在电子束遭受轰击时电子源附近的压强值保持较小。本研究分别对四种结构的控制极电极，计算不同控制极结构出气与真空泵抽气达到平衡状态后电子源处的压强。由此可得到的结论是，相比于改变控制极结构（一字形变成锥形或者V字形），拉远引出极与控制极的距离对轰击出气的改进效果效果更明显。本研究的初步结果可对电子源等真空系统的结构设计提供参考。.5）提出了一种基于comsol多物理场仿真的粒子源真空腔导气结构设计，通过comsol对真空腔内的出气口，抽气泵等结构进行建模仿真，分析不同导气结构下真空腔内粒子源位置处的压强最大值，据此，设计一种最优化的真空腔导气结构。粒子源真空腔导气结构将真空腔划分为两个空间区域并分别进行抽气，该结构能够屏蔽粒子源不受出气的干扰，有效降低了粒子源所在空间区域的真空度，提高粒子源的寿命。