同步辐射光刻

同步辐射及其应用(讲义)同步辐射因具有高亮度、光谱连续、频谱范围宽、高度偏振性、准直性好以及可用作辐射计量标准等一系列优异特性，已成为自X 光和激光诞生以来的又一种重要光源。

尤其是在真空紫外和X射线波段的性能，非其他光源可比，很多以往用普通X光和激光不能开展的研究工作，有了同步辐射光源以后才得以实现。

近几年来还发现，在红外波段同步辐射同样具有常规红外光源所无法比拟的优越特性。

同步辐射也因此在物理学、化学、生命科学和医药学、材料科学、信息科学、环境科学、地矿、力学、冶金等研究领域，以及深亚微米光刻和超微细加工等高新技术领域中得到广泛应用。

据统计，70年代以来，已有22个国家和地区，建成或正在建设同步辐射装置50余台，其中，超过40台已投入使用。

我国北京正负电子对撞机国家实验室(BEPC NL)的同步辐射装置(BSRF)和中国科技大学国家同步辐射实验室(NSRL)分别于1989年和1991年建成并投入使用。

1．什么是同步辐射1947年，美国通用电器公司的一个研究小组首次在同步加速器上观测到高能电子在作弯曲轨道运动时会产生一种电磁辐射，称其为同步加速器辐射，简称同步辐射。

其实，据《宋会要》记载，早在公元1054年，我国古代天文学家就观测到金牛座中天关星附近出现异象：“昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。

”这是人类历史上第一次详细记载超新星爆炸。

这颗超新星爆炸后的遗迹形成今夜星空的蟹状星云。

现代天文学家确认该星云的辐射，包括红外线、可见光、紫外线和X射线的宽频谱，正是高能电子在星云磁场作用下产生的同步辐射。

1963年法国Orsay 建成世界上第一台电子储存环，高能物理学家在储存环上进行正负电子对撞实验的同时发现所产生的同步辐射是一种性能优良的光源，于是，开始了人类历史上第一次利用同步加速器上产生的同步辐射来做非高能物理的研究工作。

这种在做高能物理研究的加速器上，利用同步辐射作为光源的工作模式为寄生模式或兼用模式。

上海光源是一台高性能的中能第三代同步辐射光源，它的英文全名为Shanghai Synchrotron Radiation facility，简称SSRF。

它是我国迄今为止最大的大科学装置和大科学平台，在科学界和工业界有着广泛的应用价值，每天能容纳数百名来自全国或全世界不同学科、不同领域的科学家和工程师在这里进行基础研究和技术开发。

上海光源工程总投资约12亿元人民币,其中国家安排投资4亿元,上海市和中科院各出资4亿元。

工程座落在浦东张江高科技园区的张衡路239号，于2004年12月启动，目前已开工近4年，按节点顺利进入最后1/4工期。

2008年内，在这座体育场大小的圆形建筑内，直线电子加速器、小环增强器、大环储存器"三大件"都将完成安装，预计再经过一个调试周期，这一光源工程可于后年初正式建成投运。

工程用地范围约20万平方米，相当于28个足球场。

这种先进的同步辐射光源装置，可同时提供从"硬X射线"到"远红外波段"的高亮度光束。

自1974年同步辐射现象被首次观察到，这类光源装置至今已发展出第三代。

各国家和地区现有同步辐射光源50多台，像上海光源这样的第三代光源，已建成11台，在建和设计中的有13台。

预计2010年前后，全球每天都有上万名科学家和工程师利用这些光源产生的不同波长的光，从事前沿学科研究和高新技术开发。

据悉，上海光源建成后总能量可跻身世界四强，成为我国新世纪必不可少的大科学平台。

该工程主体结构分为三部分，外圈为432米周长的大环储存器，与之相切的内圈是一个180米周长的小环增强器，它连接着中心位置上的直线电子加速器---这一整条"光电隧道"的能量传送方向为"直线－小环－大环"。

目前，"直线"、"小环"内的设备均已安装到位，并且完成了调试，进度比预期快很多，创造出了光源建设领域的世界级速度。

同步辐射技术在材料科学中的应用一、简介同步辐射技术是一种研究材料结构、性质及物理化学过程的强有力工具，具有高亮度、高空间分辨率、高时间分辨力的特点。

本文将介绍同步辐射技术在材料科学和工程领域中的应用。

二、X射线吸收光谱技术同步辐射X射线吸收光谱技术是一种非常有用的表征材料化学环境的方法。

该技术可以提供元素的价态、化学键信息以及局部晶体结构信息。

通过同步辐射X射线吸收光谱技术，我们可以探测到材料的电子状态，进而研究材料的表面反应和化学性质。

三、X射线衍射技术同步辐射X射线衍射技术是研究材料结构的重要方法。

衍射光谱可以提供晶体或非晶体结构的信息，包括晶格常数、晶体缺陷等。

同时，衍射技术还可以提供材料的晶体生长机理、晶体取向以及相互作用的信息。

在材料制备和研究中，该技术有着广泛的应用。

四、X射线荧光光谱技术同步辐射X射线荧光光谱技术是一种分析材料化学成分的非常有效的方法。

该技术可以提供元素的化学信息及浓度信息。

通过同步辐射X射线荧光光谱技术，我们可以确定材料的表面或纳米颗粒的化学成分和分布，探究它们在材料合成和加工过程中的分子、离子交互作用。

五、X射线磁吸收光谱技术同步辐射X射线磁吸收光谱技术是一种研究材料磁学性质的方法。

该技术可以探测到磁性材料的电子结构、磁性离子的态、磁性互作用强度等信息。

同时，该技术还可以提供在材料中磁性成分的分布和动力学过程的信息。

六、同步辐射显微成像技术同步辐射显微成像技术是一种对材料内部微观结构进行成像的方法，可以获得图像的高对比度、高分辨率。

该技术可以用于研究材料的结构、组成、动态过程。

我们可以通过该技术观察纳米材料的结构演变和过程控制，从而有效提高材料制备的相关技术。

七、结论同步辐射技术是一种强大的分析方法，被广泛应用于材料科学和工程领域。

该技术可以提供丰富的信息，如材料的化学成分、电子状态、晶体结构、磁学等信息，帮助我们更高效、全面地了解和研究材料的性质和过程。

可以预见，在未来的研究中，同步辐射技术在材料科学和工程中的地位将愈加重要，为材料科学的发展提供更加强有力的支持。

同步辐射xrd
同步辐射X射线衍射（Synchrotron X-ray diffraction）是一种利用同步辐射光源进行X射线衍射研究的技术。

同步辐射光源是一种高亮度的X射线光源，具有非常强的辐射能力和高度聚焦的特点。

通过将样品暴露于同步辐射光源下，可以获得非常细致的X 射线衍射数据。

同步辐射X射线衍射技术可以提供高分辨率的晶体结构信息，以及材料的晶体学、表面结构和缺陷结构等信息。

同步辐射X射线衍射技术在材料科学、固体物理学、生物化学、地质学等领域有广泛的应用。

它可以用于研究材料的相变行为、晶格畸变、材料的应力状态等问题，对于理解材料的性质和开发新材料具有重要的意义。

同步辐射X射线衍射技术的发展离不开现代光源的进步。

同步辐射光源包括第三代加速器、自由电子激光器和四代加速器等。

这些光源的发展不仅提高了同步辐射X射线衍射技术的分辨率和灵敏度，还开辟了新的研究领域和实验方法。

总的来说，同步辐射X射线衍射技术是一种非常强大的分析工具，可以为科学家提供丰富的结构信息和材料性质的了解，为材料科学和相关领域的研究提供重要支持。

什么是同步辐射光是一种电磁波，也是一种粒子，叫做光子。

能够用波长或频率表征光波，也能够用能量表征光波。

光的波长可从10-4厘米到10-16厘米，相应于光子的能量为100电子伏到10E12电子伏。

波长越短，能量越高。

在雨中快速转动雨伞时，沿伞边缘的切线方向会飞出一簇簇水珠。

利用弯转磁铁能够强迫高能电子束团在环形的同步加速器以接近于光速作回旋运动，在切线方向会有电磁波发射出来。

接近光速运动着的电子或正电子在改变运动方向时放出的电磁波叫做辐射波，因为这一现象是在同步加速器上发觉的，因此称为同步辐射。

这种电子的自发辐射，强度高、覆盖的频谱范围广，能够任意选择所需要的波长且持续可调，因此成为一种科学研究的新光源。

同步辐射和常规光源的比较同步辐射光的特点高强度如用X光机拍照一幅晶体缺点照片，通常需要7-15天的感光时刻，而利用同步辐射光源只需要十几秒或几分钟，工作效率提高了几万倍。

高亮度的特性决定了同步辐射光源能够用来做许多常规广源所无法进行的工作。

宽波谱同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软X射线一直延伸到硬X射线（如图），是目前唯一能覆盖如此宽的频谱范围又能取得高亮度的光源。

利用单色器能够随意选择所需要的波长，进行单色光的实验。

高准直性利用同步辐射光学元件引出的同步辐射广源具有高度的准直性，通过聚焦，可大大提高光的亮度，可进行极小样品和材料中微量元素的研究。

脉冲性同步辐射光是由与贮存环中周期运动的电子束团辐射发出的，具有纳秒至微秒的时刻脉冲结构。

利用这种特性，可研究与时刻有关的化学反映、物理激发进程、生物细胞的转变等。

偏振性与可见光一样，贮存环发出的同步辐射光依照观看者的角度可具有线偏振性或圆偏振性，可用来研究样品中特定参数的取向问题。

同步辐射的历史、现状及进展同步辐射是速度接近光速的带电粒子在作曲线运动时沿切线方向发出的电磁辐射——也叫同步光。

这种光是1947年在美国通用电器公司的一台70Mev的同步加速器中第一次观看到的，因此被命名为同步辐射，但对同步辐射的研究与熟悉并非从此开始，关于这种高速运动的电子的速度改变时会发出辐射的现象早就被人们所熟悉并经历了长期的理论研究，但要从实验上观看到这种辐射却不是一件容易的事，需要有以近光速运动的高能量电子，电子加速器的进展成为取得同步辐射的技术基础。

同步辐射及应用同步辐射是什么？同步辐射是一种性能优异的光源，是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射。

形象的说，同步辐射的轨迹就如同转动湿漉的雨伞时沿着伞的切线方向飞出的水滴。

由于它最初是在同步加速器上观察到的，所以被称为“同步辐射”。

图1. 同步辐射装置示意图自1965年发现同步辐射以来，经历三代的发展，目前已开始建造第四代同步辐射光源。

同步辐射的亮度也从107增加到1024，大约相当于太阳光亮度的100亿倍和医用X光机的1000亿倍。

如果把光比作一把尺子，那么波长就是尺子上的刻度。

波长连续可调的同步辐射就像一把可以连续调节长度的软尺，包含了从红外线、可见光、紫外线、到X射线等一系列不同波长的光。

同步辐射的另一个特点是准直性好，也就是说方向性好，能把高亮度的光集中在一个很小的区域内沿着某个特定的方向发射出去，类似激光。

不同的同步辐射光源其光的特性也有不同。

以合肥的国家同步辐射实验室（NSRL）为例，它是我国第一台以真空紫外和软X射线为主的专用同步辐射光源，由一台能量200 MeV的电子直线加速器作注入器，加速电子至接近光速后注入一台能量为800 MeV的电子储存环中，在一个均匀磁场的作用下，电子在一个环形中运行，在环的不同位置的切线方向上引出十四条光束线，产生的同步辐射光最强区域在真空紫外和软X射线波段；而日本SPRing8光源的储存环能量是8 GeV（居世界第一），其能量是合肥同步辐射光源的十倍，最强波段则在硬X射线波段。

同步辐射能做什么？同步辐射是多学科交叉的研究平台。

当我们想研究特定样品体系时，依照微观尺寸范围选取不同波长的光，而同步辐射宽光谱特性可以保证我们方便地选取和利用不同波长的光。

例如：研究分子团簇的类别时，使用红外光；研究分子间结构时，使用真空紫外光；对原子内部结构进行解析时，则需要X射线。

与可见光一样，同步辐射也具有透射、散射、吸收、衍射等光学特性，使用这些特性对物体进行测试，可以获得原子、电子和分子等信息。

北京理工大学李营利用同步辐射光源开展超材料变形机理研究力学超材料具有优越的抗冲击性、抗剪切性和减振降噪等特性，因其优异的力学性能在船舶、航空航天、生物医学和智能传感等行业展现出广阔的应用潜力。

然而，在使用微纳米增材制造技术制造微纳尺度的力学超材料的过程中，会在材料内部引入大量随机缺陷。

随机制造缺陷不仅仅对微纳曲面点阵结构力学超材料的几何形态产生影响，也会对其力学性能和变形模式产生不可忽略的影响。

因此，亟需开展具备更优异力学特性的微纳曲面点阵结构的力学设计与表征研究，揭示缺陷对微纳点阵结构力学行为的影响机理。

针对上述问题，北京理工大学李营团队以微纳陀螺（gyroid）曲面点阵结构为研究对象，利用投影微立体光刻曝光技术（PμLSE）和同步辐射X射线断层扫描技术（SR-μCT) ，研究了在压缩载荷下陀螺曲面点阵结构的弹性响应、失效过程和诱因机制。

投影微立体光刻曝光技术（PμLSE）作为一种微纳米增材制造技术，为制造轻质、高强度高刚度的微纳力学超材料提供了机会。

同步辐射X射线断层扫描技术（SR-μCT)作为一种无损的三维成像技术，在微纳米级力学超材料的缺陷表征和微观结构演化过程的研究具有显著优势。

在这项研究中，提出了一种具有陀螺拓扑特征的点阵材料的缺陷表征方法，首先，采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和同步辐射X射线断层扫描（SR-μCT）表征微纳曲面点阵表面和内部形态和缺陷。

之后，通过结合SR-μCT三维成像和原位压缩实验，分析了结构的缺陷特征、失效模式和诱因。

最后，利用基于图像的有限元分析(FEA) 对重建样本和设计模型的变形和失效机制进行了比较，并将仿真结果与实验进行了比较。

图1 具有陀螺拓扑特征的点阵材料的缺陷表征和数值模拟流程图基于上述的缺陷表征方法，研究结果表明具有陀螺拓扑特征点阵结构的主要缺陷为凸起、曲面厚度偏差和表面规则划痕。

层的堆叠、原材料中的杂质和灰尘使力学超材料在PµLSE增材制造过程中出现了不完善的划痕和颗粒。

微机电系统（MEMS）的一种制造工艺——LIGA技术1，简单介绍LIGA技术是微细加工的一种较理想的新方法.LIGA 是德文 Lithographie、Galvanoformung 和 Abfor-mung 三个词的缩写 , 是深度同步辐射X光光刻、电铸和塑铸工艺的相结合的一种工艺方法.下图为LIGA技术的基本原理图：2，工艺过程2. 1 深度同步辐射X光光刻利用深度同步辐射 X光光刻,将掩模吸收体图形转移到厚度近 1000μm 光刻胶层上, 利用适当显影液,溶去被照射部分,留下未受照射区原分子链结构。

2. 2 电铸利用光刻胶层下面的金属薄层作为电极进行电镀,将显影后的光刻胶所形成的三维立体结构间隙用金属填充,直至光刻胶上面完全覆盖了金属膜为止,形成一个与光刻胶图形互又补稳定的相反结构金属图形,这种金属微结构体就成为廉价的铸塑模子,以实现工业大规模生产。

2.3 塑铸由于深度同步辐射 X射线光刻是非常昂贵的一道工序,在大批量复制生产中,出于经济上考虑应尽量避免使用。

塑铸为大批量生产电铸产品,提供了塑料铸模。

经过金属注塑板上的小孔,将树脂注入到金属模具的腔体内,待树脂硬化以后,脱去模具就可以得到一个塑模微型结构,在塑铸完成的塑模微型结构上,再电铸所需要的产品结构，清除掉胶和注塑板，就可以得到三维立体金属结构器件。

3，优缺点：与传统微细加工方法相比, LIGA技术具有如下优点:1，可制造有较大高宽比的微结构。

(高深宽比是指宽度可小到亚微米量级，深度可达数百微米甚至毫米量级）2，取材广泛,可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等。

3，可以获得亚微米级精度的微结构;4，便于批量生产和大规模复制, 因而成本低廉价格便宜。

缺点：1，同步辐射X光的成本较高。

2，由于微结构尺寸很小，同时具有很大的高宽比，因此电镀要求较严格。

（由于要电铸的孔较深, 必须克服电铸液的表面张力, 使其进入微孔中, 因此, LIGA 技术对电铸液的配方和电铸工艺都有特殊的要求。

同步辐射技术同步辐射是速度接近光速（v≈c）的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射，由于它最初是在同步加速器上观察到的，便又被称为“同步辐射”或“同步加速器辐射”。

所以研究同步辐射技术需要先了解加速器的相关知识。

加速器加速器是用人工方法借助于不同形态的电磁场，将各种带电粒子加速到较高能量的电磁装置。

一般，只有带电粒子的能量（动能）比较高时，如大于1MeV 时，才称之为加速器。

而其它如X光管、显像管等虽然它们也是利用电场加速电子的电磁装置，但是，它们不是真正意义上的加速器。

加速器的本质是提高带电粒子的能量，它分为两个过程：当带电粒子的速度远小于光速时，带电粒子的速度快速增加；但当速度接近于光速时，此时由于相对论效应粒子质量快速增加，而速度增加缓慢。

最早的加速器是利用高电压在直线轨道加速粒子，但是这种方法存在高压瓶颈问题，而且加速轨道特别长，加速能量不高。

于是发展出了其他不同类型的加速器：回旋加速器、准共振加速器、电子感应加速器、强聚焦加速器、射频直线加速器和同步加速器等。

其中同步加速器由于较高的加速能量和其他良好性能，被广泛采用。

在同步加速器中，带电粒子从直线加速器出来并围绕着一个固定的圆形轨道作回旋运动，并在回旋中加速，直至达到预期的能量，在这个过程中同步加速器既调频，又调磁。

接近光速运动着的电子或正电子改变运动方向时，沿其切线方向放出的电磁波(光波形式)，这就是同步辐射。

同步辐射的发现及特点1947年4月16日，美国纽约州通用电气公司的实验室中，在调试一台能量为70 MeV的电子同步加速器上，偶然从反射镜中看到了在水泥防护墙内的加速器里有强烈“蓝白色的弧光”，并且光的颜色随着电子能量的变化而变化，这种弧光就是同步辐射。

长期以来，同步辐射是不受高能物理学家欢迎的东西，因为它消耗了加速器的能量，阻碍粒子能量的提高。

但是，人们很快便了解到同步辐射是具有一些其他光源不具有的特性，可以用以开展其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。

同步辐射光刻
同步辐射光刻是一种利用同步辐射光源进行光刻的技术。

同步辐射光源是一种高亮度、高单色性的光源，能够提供非常强大的光束。

在光刻过程中，光源发出的光束经过光刻模板，形成特定的图案，并投射到光刻胶上。

通过一系列的化学反应和物理过程，将图案转移到硅片上，从而实现半导体器件的制造。

同步辐射光刻具有许多优势，例如高分辨率、高精度、高对比度等，能够实现非常精细的图案刻画。

此外，同步辐射光刻还具有光源稳定、光束质量好、可连续工作等优点，因此在微电子制造、生物医学、材料科学等领域得到广泛应用。

同步辐射原理
同步辐射是一种高度同步的电磁辐射，它是由高速运动的带电粒子在磁场中做
加速运动时产生的。

同步辐射广泛应用于物理、化学、生物学、医学和材料科学等领域，成为研究微观世界的重要工具。

本文将介绍同步辐射的原理及其在科学研究和应用中的重要性。

同步辐射的原理主要涉及带电粒子在磁场中做加速运动时产生的电磁辐射。

当
带电粒子在磁场中做螺旋运动时，由于受到洛伦兹力的作用，它会不断改变方向并加速运动，从而产生电磁辐射。

这种电磁辐射具有高度同步性，频率范围广，辐射强度大的特点。

同步辐射在科学研究中具有重要意义。

它可以提供高亮度、高能量、高分辨率
的辐射光束，用于研究物质的结构、性质和动力学过程。

在材料科学领域，同步辐射被广泛应用于表征材料的晶体结构、表面形貌和微观组织，为材料设计和制备提供重要依据。

在生物学和医学领域，同步辐射被用于研究生物大分子的结构和功能，为药物研发和疾病诊断提供重要支持。

此外，同步辐射在工业生产和环境监测中也具有重要应用价值。

它可以用于材
料加工、光刻、表面改性和无损检测等工艺，提高生产效率和产品质量。

在环境监测中，同步辐射可用于分析大气污染物、土壤污染物和水体污染物，为环境保护和治理提供科学依据。

总之，同步辐射作为一种高度同步的电磁辐射，具有广泛的科学研究和应用价值。

它在物理、化学、生物学、医学和材料科学等领域发挥着重要作用，为人类认识世界、改善生活和保护环境做出重要贡献。

随着科学技术的不断发展，同步辐射必将在更多领域展现出无限的潜力。

同步辐射X射线技术在材料研究中的应用同步辐射X射线技术是一种先进的分析工具，它可以在高能光束的作用下对物体进行高分辨率的结构分析，广泛应用于材料科学研究中。

本文将详细介绍同步辐射X射线技术在材料研究中的应用。

一、同步辐射X射线技术简介同步辐射X射线技术是一种利用电子加速器产生高能量X射线的方法。

同步辐射源是具有同步加速器的设备，它能够产生连续的、高亮度、高能量的X射线。

这些X射线具有非常高的单色性和方向性，能够提供非常高的空间和时间分辨率，对物体的表面和内部结构进行分析。

二、同步辐射X射线技术在材料科学中的应用1. 晶体结构研究同步辐射X射线技术可以用于研究晶体的结构。

由于X射线的单色性和方向性，同步辐射X射线技术能够分析晶体的大量结构信息，包括晶格常数、原子位置、电子云和晶体中缺陷等。

这些结构信息对于材料的性能分析和改进非常重要，可以为材料的设计和生产提供重要的参考。

2. 表面和界面分析同步辐射X射线技术还可以用于表面和界面的分析。

X射线的高能量和方向性使得同步辐射X射线技术能够对材料表面和界面进行非常高精度的分析，包括表面和界面的原子结构、化学成分和电子结构等。

这些信息对于材料表面和界面的性能分析和优化非常重要，能够为材料的应用提供重要的支持。

3. 应力分析同步辐射X射线技术还可以用于材料的应力分析。

应力分析对于材料的结构和性能分析非常重要，同步辐射X射线技术能够通过对材料的表面和内部进行X射线散射分析，确定材料的微观应力分布，为材料的设计和分析提供重要的参考。

4. 磁性材料研究同步辐射X射线技术还可以用于磁性材料的研究。

磁性材料具有特殊的磁性行为和微观结构，同步辐射X射线技术能够通过对材料的磁性行为和微观结构进行分析，掌握磁性材料的内在规律和特性，为磁性材料的应用提供重要的支持。

三、结语同步辐射X射线技术是一种非常重要的分析工具，对材料科学的研究和应用具有重要的影响。

本文主要介绍了同步辐射X射线技术在材料研究中的应用，包括晶体结构研究、表面和界面分析、应力分析和磁性材料研究等。