厚样品透射电子成像中的结构效应研究

Imaging of specimens of new materials and devices of micrometers thick with Transmission Electron Microscopy (TEM) is a prospective aspect in the application of electron microscopy. However, the special effects from the structure complexity of specimens in geometry and component on transmission electron imaging still need further investigation. In this project, the theoretical model of the interation between electrons of different energy with specimens of complex structures, and the process of transmission electron imaging of thick specimens in the conventional TEM mode will be set up. Using the Monte-Carlo method, the elastic and inelastic scattering of electrons in amorphous thick specimens and the formation of the mass-thickness contrast in TEM will be simulated to explor the structure effects on imaging of thick specimens. The correlative experiment of tranmission electron imaging of thick specimens will also be carried out. The aim of the investigation is to elucidate the influence of the structure's position on image quality, the properities of electron transmission and its deviation from the linearity, and image degradation by diffraction from crystal sturctures for thick specimens with complex structures. The influence of parameters of TEM in the experiment and specimen properities on the sturcture effects will also be evaluated. This project will have scientific and applied significance in clarifing imaging properites of thick specimens, and promoting the technology of transmission electron imaging of thick specimens.

利用透射电子显微成像技术对材料、器件等领域微米级厚样品进行成像与结构表征是目前电子显微学应用的一个重要发展方向，而厚样品结构与组分的复杂性对透射电子成像质量影响的结构效应尚缺乏深入研究。本项目将建立在透射电镜条件下综合考虑各能量段的电子与复杂结构样品相互作用，以及透射电子成像过程的物理模型，采用蒙特卡罗方法模拟非晶态厚样品中的各种电子散射过程及质厚衬度图像的形成，开展相关的厚样品成像实验，来研究厚样品复杂结构在成像时的各种结构效应。通过研究阐明厚样品中结构的位置信息对其成像质量影响的规律与物理机制、复杂组分与结构厚样品电子透过率的变化规律及其非线性特性、以及厚样品中晶体结构衍射对质厚衬度图像质量影响的规律，定量评估各种电镜实验参数和样品结构特性等因素对结构效应的影响。本项目对于揭示复杂结构厚样品成像规律及其微观机理、促进我国厚样品微观结构表征技术的发展具有重要的科学意义。

本项目开展了复杂结构与组分厚样品的透射电子成像与电子断层成像的研究，以及电子辐照条件下利用聚合物样品带电特性对内部结构成像的研究。建立了综合考虑各能量段的电子散射、透射电子成像过程，以及较低能量电子辐照条件下介质样品带电过程的物理模型，采用蒙特卡罗方法模拟非晶态厚样品中的各种电子散射过程及质厚衬度图像的形成，并开展相关的厚样品成像实验，获得了厚样品复杂结构在成像时的各种结构效应的规律和微观机理，及其对电子断层成像质量的影响，阐明了利用样品带电对厚样品深层结构检测的机制。具体完成了以下的工作。. 建立了不同能量电子与非晶态厚样品相互作用的物理模型，对于电子散射过程，根据电子能量选择相应的弹性散射及非弹性散射截面，采用蒙特卡罗方法模拟电子与复杂结构厚样品的散射过程，考虑透射电镜条件下物镜磁场对透射电子的作用，得到物镜光阑限制下的电子透过率，以及在物镜像平面处的透射电子图像。对于低能电子辐照厚样品，通过对散射电荷在材料中的迁移、扩散和捕获过程的计算，建立样品带电的物理模型。.通过模拟和实验研究了厚样品内部结构的深度信息对透射电子成像质量的影响，发现随着成像结构深度的增大，图像模糊量减小，这种模糊量的变化在样品厚度较大时更为显著，且提高电子能量至2 MeV有助于减小结构深度对成像质量的影响。此外，与深度信息相关的投影像质量也会对电子断层成像质量带来影响，结构的深度减小，投影像质量变差，导致其三维重构结果中图像质量也会变差。. 厚样品成像过程中电子多重散射效应引起投影像的模糊和电子透过率的非线性效应，通过模拟分别获得了两种因素对厚样品电子断层成像质量的影响规律。发现多重散射引起的投影像模糊是限制电子断层成像质量的首要因素。因此，为提高厚样品大视场投影像的分辨率，提出采用CCD图像拼接的手段获得高质量的图像，以进一步提高电子断层成像质量。此外，对复杂结构厚样品成像中出现的金属衍射现象开展了实验研究，获得了在不同样品倾斜角度下金属结构成像特性变化的实验规律。. 研究了低能电子辐照条件下，聚合物样品带电的特性以及出射电子的变化规律，获得了在样品表面负带电的情况下出射电子的倍增过程，以及利用表面带电检测样品内部深层结构的机制。