低能电子显微镜的波动光学理论与实验验证

摘要

低能电子显微镜是一种对低维和表面样品进行实时原位、单原子层敏感、纵向原子分辨的高端表面分析技术，并具备在实空间和倒易空间对低维材料原位生长动力学、物理化学反应过程进行实时分析的功能。利用低能电子成像是低能电子显微镜最基本也是最重要的表征手段，低能电子显微成像拥有丰富的衬度信息，其衬度形成机理可分为衍射衬度和相位衬度两种。深入理解低能电子显微镜的成像原理和衬度机制将为低能电子显微镜进行表面分析研究提供有效手段。
　　我们利用重庆大学独特的三磁偏转器像差纠正低能电子显微镜首次观测到了单原子台阶的高阶菲涅尔衍射条纹，实验验证了菲涅尔双光阑模型、衬度传递函数理论和傅里叶光学模型对原子台阶高阶菲涅尔衍射条纹的理论预测。
　　本论文研究了低能电子显微镜不同波动光学理论模型下的成像机制，重点运用衬度传递函数理论(Contrast Transfer Function)系统研究了衬度光阑(Contrast Aperture)、色差包络函数(Chromatic EnvelopeFunction)、离焦条件(Defocus)和点源扩展函数(Source Extension)对像差纠正和非像差纠正的低能电子显微镜下单原子台阶衬度强度分布的影响。
　　研究结果表明：
　　(1)原子台阶的高阶菲涅尔衍射是一种普适现象。不仅在台阶上，在表面吸附和划痕两侧也有高阶菲涅尔衍射条纹。这为反射式低能电子全息显微镜提供直接实验证据；
　　(2)衬度光阑所限制的空间截止频率拥有一个阈值：高于这个阈值，光阑对原子台阶的衬度分布没有影响；电子源的色差会增宽低能电子显微镜下原子台阶衬度的衍射条纹并抑制高阶衍射项的出现；较大的离焦成像会弱化低能电子显微镜中像差对成像的影响，并放大点源扩展函数对成像的贡献；
　　(3)衬度传递函数理论对Ag(111)单原子台阶高阶菲涅尔衍射条纹的模拟结果与实验数据匹配，证明了衬度传递函数理论在低能电子显微镜单原子台阶衬度分析的有效性；
　　(4)通过数据拟合，我们得到冷场发射电子源的发散角α为0.05 mrad,并获得物镜激励电流与成像离焦值的线性关系，为确定低能电子显微镜的成像离焦条件提供了一种新的方法。进一步地，如果分析聚焦条件附近的原子台阶衬度数据，理论上可以得出该设备的像差系数，并通过衍射条纹重构原子台阶高度，对表面缺陷等结构提供有效新手段。

目录

1 绪论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的目的和研究内容

2 基础知识

2.1 电子的波粒二象性

2.2 傅里叶光学的数学基础

2.3 低能电子显微的工作原理

2.4 本章小结

3 低能电子显微镜的波动光学

3.1 单原子台阶衬度的菲涅尔双光阑模型

3.2 镜像电子显微镜 (MEM) 的波动光学成像

3.3 低能电子显微镜的傅里叶光学

3.4 低能电子显微镜的衬度传递函数理论 (CTF)

3.5 本章小结

4 实验验证

4.1 Ag(111) 单原子台阶高阶菲涅尔衍射条纹

4.2 Cu2Si 原子台阶高阶菲涅尔条纹

4.3 多晶铜箔原子台阶高阶菲涅尔条纹

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录：