微分析物理及其應(yīng)用

前言

　　微分析（microanalysis）是在歷史悠久的顯微術(shù)（microscopy）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門新興交叉學(xué)科，推動(dòng)它發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)是20世紀(jì)50年代以來(lái)逐漸普及的透射電子顯微術(shù)（TEM）、掃描電子顯微術(shù)（SEM）以及離子束和X射線束激發(fā)的其他顯微術(shù)。電子束微分析發(fā)展得最快，目前它的最高橫向分辨率已經(jīng)達(dá)到O.1 nm。離子束和X射線束微分析的橫向分辨率則分別達(dá)到lum和10um量級(jí)。X射線晶體結(jié)構(gòu)分析也是一種微觀分析，它的分辨率已經(jīng)達(dá)到O.1 nm，但它是大量X射線衍射束強(qiáng)度經(jīng)過(guò)傅里葉變換后得到的晶胞中原子位置的分辨率，不是大面積內(nèi)原子位置的分辨率。x射線晶體結(jié)構(gòu)分析早已發(fā)展為成熟的學(xué)科，并且其分析理論也構(gòu)成微分析物理的一部分理論基礎(chǔ)。　　早期的TEM一般采用在常規(guī)的光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)圖像的方法，即各像素同時(shí)成像方法。同時(shí)成像的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省圖像的成像時(shí)間。光學(xué)成像理論也是微分析物理的一部分理論基礎(chǔ)。SEM采用微細(xì)的入射電子束在樣品上逐行逐點(diǎn)掃描各個(gè)像素時(shí)對(duì)激發(fā)出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行同步探測(cè)，即掃描成像方法。近期的TEM也可以縮小電子束斑的尺寸，采用掃描成像方法。掃描成像的優(yōu)點(diǎn)是：可以靈活地選用入射電子束、離子柬或X射線束激發(fā)信號(hào)，而成像信號(hào)更可以在多種電子、離子和光子信號(hào)（特別是具有區(qū)分不同元素的特征信號(hào)）中選用，如分別選擇入射電子激發(fā)的俄歇電子或特征x射線成像。相應(yīng)地，發(fā)展了多種多樣的以掃描成像為主的探測(cè)形貌、晶體結(jié)構(gòu)、元素分布以及局域電子態(tài)密度的微分析方法。電子束成像分析方法的目標(biāo)是，將其分辨率從光學(xué)顯微術(shù)的200 nm不斷向前推進(jìn)以達(dá)到原子級(jí)分辨率（0.1 nm），完成人類直接觀察原子的理想?！　∥⒎治鰯U(kuò)展了顯微術(shù)以探測(cè)樣品形貌為主的局限，把顯微術(shù)的信號(hào)種類大為擴(kuò)展，得到的圖像除了形貌圖像外，還可以是透射電子衍射襯度圖像、二次電子的表面起伏形貌圖像、背散射電子的平均原子序數(shù)分布圖像、標(biāo)識(shí)x射線的體元素分布圖像、俄歇電子的表面元素分布圖像，等等。　　微分析突破了分析化學(xué)以定量分析大范圍材料中的元素成分為主的局限，把原子級(jí)分辨率作為自己的奮斗目標(biāo)。在元素的分析方法上突破了分析化學(xué)以化學(xué)方法和光譜學(xué)方法為主的局限，引進(jìn)了許多探測(cè)電子、離子和光子信號(hào)的物理方法。因此，微分析已經(jīng)發(fā)展成為物理學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，即微分析物理。

內(nèi)容概要

　　電子顯微學(xué)和電子束微分析、掃描探針顯微術(shù)，以及和電子束微分析關(guān)聯(lián)較多的表面分析、離子束微分析和X射線束微分析。在電子束微分析中，介紹了固體中入射電子的散射、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）中的微分析、固體中電子散射的蒙特卡羅模擬、TEM的像差和分辨率、電子顯微像的各種襯度機(jī)制、高分辨透射電子顯微像的相位襯度傳遞函數(shù)理論和原子級(jí)（亞埃級(jí)）分辨率球差校正TEM的進(jìn)展。掃描探針顯微術(shù)（包括掃描隧道電子顯微術(shù)和多種原子力顯微術(shù)）異軍突起，分辨率在20世紀(jì)80年代前就達(dá)到了原子級(jí)。分析表面的電子顯微術(shù)包括低能電子顯微術(shù)、光電子（發(fā)射）顯微術(shù)、反射電子顯微術(shù)和俄歇電子顯微術(shù)。離子束微分析中，介紹了入射離子束在固體中的散射、盧瑟福背散射譜、聚焦離子束儀和二次離子質(zhì)譜。X射線束微分析中，介紹了同體對(duì)X射線的吸收、由此而來(lái)的光電子能譜、隨后的弛豫過(guò)程引起的俄歇電子能譜和X射線熒光譜。

書籍目錄

前言緒論0.1 微分析學(xué)科的發(fā)展0.2 學(xué)術(shù)交流的發(fā)展0.3 學(xué)科期刊的發(fā)展0.4 本書內(nèi)容的安排參考文獻(xiàn)第1章 有關(guān)的基礎(chǔ)物理知識(shí)1.1 有關(guān)的原子物理知識(shí)1.2 有關(guān)的固體物理知識(shí)1.3 有關(guān)的晶體衍射物理知識(shí)參考文獻(xiàn)第2章 入射電子的彈性散射和非彈性散射2.1 處理入射電子散射的量子力學(xué)方程2.2 入射電子的微分彈性散射截面2.3 入射電子的非彈性散射2.4 原子對(duì)電子的散射截面和散射平均自由程2.5 阻止本領(lǐng)和非彈性散射截面2.6 介電函數(shù)方法2.7 低能電子的非彈性散射平均自由程2.8 低能電子的非彈性散射和能帶結(jié)構(gòu)的閾值效應(yīng)參考文獻(xiàn)第3章 電子束顯微分析3.1 掃描電子顯微鏡的主體結(jié)構(gòu)與成像原理3.2 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡的分辨率3.3 掃描電子顯微鏡的信號(hào)3.4 SEM中二次電子和背散射電子信號(hào)的采集及其能譜3.5 透射電子顯微鏡（TEM）中顯微像和衍射圖樣的獲得3.6 透射電子顯微鏡（TEM）的主要部件和成像模式3.7 掃描電子顯微像的形貌襯度3.8 SEM中晶體取向的測(cè)定3.9 X射線能譜（EDS）和波譜（WDS）分析3.10 SEM中厚樣品微區(qū)成分分析方法3.11 TEM中薄膜微區(qū)成分EDS定量分析方法3.12 薄膜微區(qū)成分的電子能量損失譜（EEl。S）定量分析3.13 微區(qū)成分分析的空間分辨率和探測(cè)限參考文獻(xiàn)第4章 固體中電子散射的蒙特卡羅模擬4.1 蒙特卡羅方法簡(jiǎn)介4.2 蒙特卡羅方法的基本原理和一般步驟4.3 由已知概率分布進(jìn)行的隨機(jī)抽樣4.4 隨機(jī)數(shù)與贗隨機(jī)數(shù)4.5 蒙特卡羅模擬固體中的電子散射4.6 蒙特卡羅模擬固體中電子散射的一些結(jié)果參考文獻(xiàn)第5章 電子顯微像的像差和分辨率5.1 成像原理中常用的傅里葉變換和卷積公式5.2 透射電子束成像5.3 磁透鏡的像差5.4 瑞利判據(jù)決定的顯微像的分辨率5.5 由電子束直徑?jīng)Q定的掃描電子顯微鏡的分辨率5.6 圖像襯度（對(duì)比度）決定的顯微鏡分辨率5.7 信息通過(guò)量密度決定的顯微鏡分辨率5.8 分辨率的實(shí)驗(yàn)測(cè)量5.9 離子顯微鏡的分辨率參考文獻(xiàn)第6章 電子顯微像的襯度6.1 電子束的相干性和衍射振幅襯度6.2 晶態(tài)和非晶態(tài)樣品的襯度6.3 衍射（振幅）襯度像6.4 樣品的質(zhì)厚襯度和STEM中的2襯度6.5 SEM中的各種不相干信號(hào)的襯度參考文獻(xiàn)第7章 高分辨透射電子顯微像7.1 高分辨電子顯微像（HREM）的形成7.2 高分辨像形成過(guò)程中的襯度傳遞函數(shù)7.3 高分辨像的點(diǎn)分辨率和信息分辨率……第8章 分析表現(xiàn)的電子顯微術(shù)第9章 掃描探針顯微術(shù)第10章 入射離子束和固體的作用第11章 入射X射線束和固體的作用

章節(jié)摘錄

　　7．8　電子全息術(shù)高分辨顯微像　　全息術(shù)高分辨像利用全息術(shù)把高分辨像的振幅和相位同時(shí)記錄下來(lái)，避免了一般高分辨像的相位失落問(wèn)題，這是電子顯微學(xué)的重要發(fā)展方向之一?！　⊥瑫r(shí)記錄顯微圖像的振幅和相位的全息概念是1948年Gabor首先提出來(lái)的，他還提出可以通過(guò)校正電子全息圖中的像差以提高分辨率。20世紀(jì)50年代中期有人在電子顯微鏡中進(jìn)行了嘗試，由于當(dāng)時(shí)的電子源的相干性不夠，分辨率未能達(dá)到10nm以下。20世紀(jì)60年代激光發(fā)明后全息術(shù)在光學(xué)領(lǐng)域得到迅速發(fā)展，在此背景下1971年Gabor獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1968年Crewe發(fā)展了場(chǎng)發(fā)射電子源，使它的亮度提高了幾個(gè)量級(jí)，從而可以顯著減小電子源對(duì)物點(diǎn)的半張角，同時(shí)場(chǎng)發(fā)射源的能量漲落也顯著減小，這兩個(gè)因素使相干性大為改進(jìn)，為電子顯微全息術(shù)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)Tonomura和I．ichte等人的努力，電子顯微全息術(shù)的分辨率達(dá)到0．2～0．1 nm，即達(dá)到高分辨電子顯微術(shù)的原子級(jí)的分辨率水平。但是，電子顯微全息術(shù)的操作過(guò)程復(fù)雜，不如最近10年發(fā)展起來(lái)的球差校正電子顯微術(shù)。　　7．8．1　電子全息術(shù)　　全息術(shù)高分辨像首先將相干電子波一分為二，一束通過(guò)樣品為物波，另一束不通過(guò)樣品為參考波，兩束波可以經(jīng)折射在物鏡后焦面或像面相互干涉形成傅里葉全息圖或像面全息圖。全息圖還有同軸全息圖和離軸全息圖之分，前者的兩束波和光軸平行，后者的兩束波分別和光軸有相等、相反的小夾角。實(shí)驗(yàn)得出，分辨率最高的是離軸像面全息圖?！　D7．21表示經(jīng)過(guò)樣品（用箭頭表示）的準(zhǔn)直的物波（右側(cè)）和參考波（左側(cè)）在物鏡下后焦面會(huì)聚，隨后以兩束發(fā)散的電子波進(jìn)入電子雙棱鏡（位于物鏡后焦面和像面之間）。電子雙棱鏡由鍍金的細(xì)石英絲和左右兩個(gè)電極板組成，雙棱鏡兩側(cè)相反的電場(chǎng)使石英絲左側(cè)發(fā)散的物波向右折射，使石英絲右側(cè)發(fā)散的參考波向左折射，兩個(gè)波在像面的重疊部分相互干涉，形成離軸像面全息圖（用大箭頭表不）?！　　?/pre>








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