厚樣品透射電子成像中的結構效應研究

《厚樣品透射電子成像中的結構效應研究》是依託西安交通大學，由王芳擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：厚樣品透射電子成像中的結構效應研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王芳
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

利用透射電子顯微成像技術對材料、器件等領域微米級厚樣品進行成像與結構表征是目前電子顯微學套用的一個重要發展方向，而厚樣品結構與組分的複雜性對透射電子成像質量影響的結構效應尚缺乏深入研究。本項目將建立在透射電鏡條件下綜合考慮各能量段的電子與複雜結構樣品相互作用，以及透射電子成像過程的物理模型，採用蒙特卡羅方法模擬非晶態厚樣品中的各種電子散射過程及質厚襯度圖像的形成，開展相關的厚樣品成像實驗，來研究厚樣品複雜結構在成像時的各種結構效應。通過研究闡明厚樣品中結構的位置信息對其成像質量影響的規律與物理機制、複雜組分與結構厚樣品電子透過率的變化規律及其非線性特性、以及厚樣品中晶體結構衍射對質厚襯度圖像質量影響的規律，定量評估各種電鏡實驗參數和樣品結構特性等因素對結構效應的影響。本項目對於揭示複雜結構厚樣品成像規律及其微觀機理、促進我國厚樣品微觀結構表征技術的發展具有重要的科學意義。

結題摘要

本項目開展了複雜結構與組分厚樣品的透射電子成像與電子斷層成像的研究，以及電子輻照條件下利用聚合物樣品帶電特性對內部結構成像的研究。建立了綜合考慮各能量段的電子散射、透射電子成像過程，以及較低能量電子輻照條件下介質樣品帶電過程的物理模型，採用蒙特卡羅方法模擬非晶態厚樣品中的各種電子散射過程及質厚襯度圖像的形成，並開展相關的厚樣品成像實驗，獲得了厚樣品複雜結構在成像時的各種結構效應的規律和微觀機理，及其對電子斷層成像質量的影響，闡明了利用樣品帶電對厚樣品深層結構檢測的機制。具體完成了以下的工作。 建立了不同能量電子與非晶態厚樣品相互作用的物理模型，對於電子散射過程，根據電子能量選擇相應的彈性散射及非彈性散射截面，採用蒙特卡羅方法模擬電子與複雜結構厚樣品的散射過程，考慮透射電鏡條件下物鏡磁場對透射電子的作用，得到物鏡光闌限制下的電子透過率，以及在物鏡像平面處的透射電子圖像。對於低能電子輻照厚樣品，通過對散射電荷在材料中的遷移、擴散和捕獲過程的計算，建立樣品帶電的物理模型。 通過模擬和實驗研究了厚樣品內部結構的深度信息對透射電子成像質量的影響，發現隨著成像結構深度的增大，圖像模糊量減小，這種模糊量的變化在樣品厚度較大時更為顯著，且提高電子能量至2 MeV有助於減小結構深度對成像質量的影響。此外，與深度信息相關的投影像質量也會對電子斷層成像質量帶來影響，結構的深度減小，投影像質量變差，導致其三維重構結果中圖像質量也會變差。 厚樣品成像過程中電子多重散射效應引起投影像的模糊和電子透過率的非線性效應，通過模擬分別獲得了兩種因素對厚樣品電子斷層成像質量的影響規律。發現多重散射引起的投影像模糊是限制電子斷層成像質量的首要因素。因此，為提高厚樣品大視場投影像的解析度，提出採用CCD圖像拼接的手段獲得高質量的圖像，以進一步提高電子斷層成像質量。此外，對複雜結構厚樣品成像中出現的金屬衍射現象開展了實驗研究，獲得了在不同樣品傾斜角度下金屬結構成像特性變化的實驗規律。 研究了低能電子輻照條件下，聚合物樣品帶電的特性以及出射電子的變化規律，獲得了在樣品表面負帶電的情況下出射電子的倍增過程，以及利用表面帶電檢測樣品內部深層結構的機制。