【摘要】：掃描電子顯微鏡是納米結(jié)構(gòu)材料的尺度和形貌表征分析的重要工具,其中二次電子像是最為常用的成像模式。二次電子信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程極為復(fù)雜,同時(shí)關(guān)于二次電子成像分辨率的定義和測(cè)量方法也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于掃描電子顯微鏡二次電子成像的理解有賴于對(duì)其中的主要物理過(guò)程,電子與固體相互作用過(guò)程,進(jìn)行深入的理論研究。本文首先簡(jiǎn)單介紹了掃描電子顯微鏡的基本原理和發(fā)展情況,以及模擬電子與固體相互作用過(guò)程的理論方法。其次,概述了與二次電子成像相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究背景,包括二次電子產(chǎn)生機(jī)制、二次電子圖像分辨率和銳度、原子級(jí)分辨率二次電子像,以及入射電子束形狀對(duì)二次電子成像質(zhì)量的影響等。(第一章) 電子在固體中的產(chǎn)生和輸運(yùn)過(guò)程是掃描電子顯微鏡中二次電子成像的物理基礎(chǔ)。由于電子與固體相互作用的復(fù)雜性以及邊界條件的多樣性,很難用解析方法求解,因此我們用Monte Carlo方法模擬該過(guò)程。電子在固體中的輸運(yùn)過(guò)程一般可簡(jiǎn)化為一系列彈性散射和非彈性散射,對(duì)電子散射過(guò)程及相應(yīng)截面的準(zhǔn)確描述是二次電子成像模擬的關(guān)鍵。Mott彈性散射截面和full-Penn介電函數(shù)方法可以較準(zhǔn)確地描述電子在固體中的彈性散射、非彈性散射和二次電子級(jí)聯(lián)激發(fā)過(guò)程。文中詳細(xì)描述了電子散射的相關(guān)理論和所使用的散射截面,介紹了Monte Carlo模擬的抽樣方法和程序架構(gòu)。為模擬真實(shí)樣品成像,還需要對(duì)樣品的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建,我們引入了兩種三維構(gòu)件的構(gòu)造模型：實(shí)體結(jié)構(gòu)幾何法與射線追蹤算法結(jié)合,構(gòu)造特殊幾何結(jié)構(gòu)；有限元三角形網(wǎng)格法與空間分割和直線步進(jìn)算法結(jié)合,近似構(gòu)造任意復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。為模擬電子與晶體的相互作用,我們還發(fā)展了量子Monte Carlo模型,其中玻姆力學(xué)被用于計(jì)算描述電子在晶體中彈性散射和衍射的量子軌跡。從而完整描述了利用Monte Carlo方法模擬二次電子成像所涉及的物理和幾何模型。(第二章) 基于以上模型,本學(xué)位論文具體開(kāi)展了如下與二次電子成像機(jī)制和圖像分辨率相關(guān)的研究工作： 1、實(shí)驗(yàn)上用球差校正的掃描透射電子顯微鏡收集二次電子信號(hào)實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)分辨成像,挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)對(duì)二次電子成像機(jī)制的理解。我們發(fā)展了一套新的理論方法,量子Monte Carlo模擬,用于研究電子束與晶體樣品的相互作用過(guò)程。該方法結(jié)合了用于描述電子彈性散射及衍射的玻姆量子軌跡方法和沿量子軌跡路徑描述電子非彈性散射事件的傳統(tǒng)Monte Carlo抽樣方法,并引入了隨碰撞參數(shù)變化的內(nèi)殼層電離截面以便對(duì)由入射電子沿量子軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)激發(fā)高能二次電子的內(nèi)殼層電離事件進(jìn)行Monte Carlo抽樣。我們用此量子Monte Carlo模型模擬了會(huì)聚電子束入射晶體樣品后電子的散射及二次電子的產(chǎn)生過(guò)程,成功計(jì)算了Si(110)晶體的原子級(jí)分辨二次電子像并與相應(yīng)實(shí)驗(yàn)圖像作比較,證實(shí)了實(shí)驗(yàn)上觀察到原子級(jí)分辨二次電子像的主要成像機(jī)制來(lái)源于由高能電子束導(dǎo)致的內(nèi)殼層電離事件。(第三章) 2、利用真實(shí)儀器條件下的Monte Carlo模擬二次電子圖像來(lái)評(píng)價(jià)幾種常見(jiàn)的圖像銳度測(cè)量方法。在掃描電鏡成像的Monte Carlo模型中加入儀器參數(shù)模型(如電子束聚焦、像散、漂移及振動(dòng)),產(chǎn)生了一系列處于不同儀器參數(shù)下真實(shí)樣品(碳襯底上的金顆粒(Au/C))的模擬二次電子圖像,表明各種儀器條件下的實(shí)際圖像可以精確地預(yù)知和調(diào)控。用這些模擬圖像評(píng)價(jià)三種二次電子圖像銳度測(cè)量方法：傅立葉變換法、襯度梯度法、微分法；并研究了圖像銳度測(cè)量方法對(duì)各種儀器條件的響應(yīng)。由于各種銳度測(cè)量方法對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的不同響應(yīng)行為,我們提出用一種平均值方法作為合適的二次電子圖像銳度測(cè)量結(jié)果。(第四章) 3、掃描電子顯微鏡的二次電子圖像分辨率與入射電子束斑的形狀和大小密切相關(guān)。實(shí)際的電子束斑大小受電子源、電子光學(xué)系統(tǒng)的像差等影響。傳統(tǒng)對(duì)二次電子成像的Monte Carlo模擬中常假設(shè)電子束形狀近似于二維高斯分布,與實(shí)際經(jīng)過(guò)電磁透鏡聚焦的電子束形狀存在一定差異。我們從幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)的角度分析了電子束形成過(guò)程,構(gòu)建了不同的電子束聚焦模型,并用于Monte Carlo模擬二次電子圖像,探討了電子束聚焦形狀對(duì)二次電子成像質(zhì)量的影響。(第五章) 4、二次電子產(chǎn)額作為掃描電子顯微學(xué)中的一個(gè)基本參數(shù),與二次電子成像密切相關(guān)。然而由于電子與固體樣品相互作用的復(fù)雜性,二次電子的產(chǎn)生機(jī)制以及相應(yīng)的產(chǎn)額和能譜還是不能很好地確定,不同實(shí)驗(yàn)組所得到的二次電子產(chǎn)額數(shù)據(jù)差別很大。我們用Monte Carlo模擬方法,選取基于Mermin介電函數(shù)的MELF-GOS模型和full-Penn介電函數(shù)方法分別描述電子非彈性散射,探討了介電函數(shù)的選取對(duì)二次電子產(chǎn)額和能譜模擬結(jié)果的影響。(第六章)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O462.2;TB383.1
【圖文】：

E圖1.3: (a)電子與固體相互作用過(guò)程中激發(fā)的主要信號(hào)的空間范圍；（b)從樣品表面出射的電子能譜圖。[1]下面分別介紹電子在固體樣品內(nèi)部發(fā)生非相干散射和相干散射的研宄方法。1.2.1電子非相干散射的Monte Carlo模擬方法研究電子與無(wú)定形態(tài)固體的相互作用主要有兩種方法：求解Boltzmann輸運(yùn)方程[43，44]和Monte Carlo模擬方法。前者的缺點(diǎn)是由于電子與固體相互作用非常復(fù)雜，而樣品邊界條件也存在多樣性，很難解析求解輸運(yùn)方程；同時(shí)物理模型的細(xì)節(jié)也很難考慮，因此在數(shù)值計(jì)算上面臨諸多困難[3]。而Monte Carlo方法作為計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的一種主要手段，己在電子顯微學(xué)、表面和微區(qū)分析、電子能譜學(xué)等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，數(shù)值處理方便，己成為電子與固體相互作用最強(qiáng)有力的研究工具[45]。首先簡(jiǎn)單介紹Monte Carlo方法。20世紀(jì)40年代，von Neumann和Ulam在研究原子彈的中子輸運(yùn)問(wèn)題時(shí)首先提出Monte Carlo方法[46，47],該方法利用隨機(jī)數(shù)決定事件發(fā)生的概率

圖1.5是Philippidis采用玻姆量子軌跡方法計(jì)算單電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中不同初始位置電子的量子軌跡[86]。圖1.5:玻姆量子軌跡方法計(jì)算單電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中不同初始位置電子的量子軌跡[86]。1.3 二次電子成像二次電子成像是掃描電子顯微鏡中最重要的一種成像模式，因?yàn)槎坞娮幽芰繕O低，故而極易通過(guò)電場(chǎng)收集。另外，二次電子的非彈性散射平均自由程很短，極易損失能量，在金屬中的平均逃逸深度約為1 nm，因此它對(duì)樣品表面形貌和組成等信息非常敏感，能有效反映樣品表面的微觀形貌，這也是二次電子成像得到廣泛研究的重要原因[87]。電子在固體中由于非彈性散射及級(jí)聯(lián)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量二次電子，但只有從樣品表面出射的電子才能被探測(cè)器收集從而成為真正的二次電子信號(hào)。如圖].6 [88]所示，根據(jù)出射位置不同，二次電子信號(hào)可分為三種類型[89

而是類似同心圓的衍射圖樣，第一級(jí)衍射峰稱為愛(ài)里斑（Airy disk)，如圖1.9所示。如果兩個(gè)物點(diǎn)過(guò)于靠近，其像斑大部分將重疊，可能分辨不出其來(lái)自兩個(gè)物點(diǎn)，說(shuō)明光學(xué)系統(tǒng)中存在分辨極限。通常采用瑞利提出的判據(jù)[164]描述光學(xué)分辨極限：當(dāng)一個(gè)愛(ài)里斑的中心落在另一個(gè)愛(ài)里斑的第一級(jí)暗環(huán)時(shí)，恰好能分辨兩個(gè)像。愛(ài)里斑的最小直徑與光源的波長(zhǎng)成正比，決定了光學(xué)顯微鏡的極限分辨率。J可分辨iII 感>墨 ，瑞|縵弈

本文編號(hào)：2748893