Разработка и применение пакета программ для моделирования электронно-микроскопических изображений высокого разрешения

• Автор: Чувилин, Андрей Леонидович
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 117 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
1 ВВЕДЕНИЕ
2 ПРОГРАММА РАСЧЕТА ЭМ ИЗОБРАЖЕНИЙ
2 Л Теория метода
2.2 Пакет программ для расчета ВРЭМ изображений
2.3 Методики интерпретации модельных изображений
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ КОНТРАСТА МАЛЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ НА АМОРФНОЙ ПОДЛОЖКЕ
3.1 Постановка задачи
3.2 Построение атомных моделей металлических частиц с правильной структурой
3.3 Построение атомных моделей икосаэдрических частиц
3.4 Построение атомной модели аморфного носителя
3.5 Расчет изображений
3.6 Обсуждение результатов
3.6.1 Влияние величины ускоряющего напряжения на характер контраста28 3.6.23ависимость контраста частиц от их ориентации относительно
пучка
З.б.ЗВлияние дефокусировки
3.6.4Влияние сходимости пучка
3.6.50 возможности наблюдения дисперсных частиц №
З.б.бКонтраст частиц икосаэдрического строения
3.7 Резюме
4 ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТРАСТА УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
4.1 Строение и свойства углеродных нанотрубок. Постановка задачи
4.2 Построение моделей
4.3 Результаты расчетов и обсуждение
4.4 Резюме
5 ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ЭМ КОНТРАСТА СТРУКТУРНЫХ ПОЛИТИПОВ КАРБИДА КРЕМНИЯ
5.1 Обзор проблемы и постановка задачи
5.2 Модели и параметры расчетов
5.3 Результаты моделирования
5.3.1 Кремний
5.3.2Кубический карбид кремния
5.3.3Гексагональный бН-политип карбида кремния
5.4 Метод определения полярности кристаллов БЮ
5.5 Резюме
6 ВЫВОДЫ
7 ПРИЛОЖЕНИЕ
8 ЛИТЕРАТУРА

1 Введение
Электронная микроскопия высокого разрешения (ЭМВР) является уникальным методом исследования атомной структуры материалов. Метод позволяет путем прямого разрешения атомных колонок исследовать структуру дефектов и границ в полупроводниках, строение активных частиц катализаторов и их взаимодействие с носителями, определять структуру дисперсных кристаллических фаз и локальные вариации химического состава. Современная аппаратура и методы интерпретации изображений позволяют получать информацию с пространственным разрешением до 0.1 нм [1].
Оптическая схема метода ЭМВР аналогична схеме, применяемой в оптической фазовоконтрастной микроскопии, с учетом иной природы используемого излучения [2, 3]. Особенности формирования контраста электронномикроскопических (ЭМ) изображений определяются двумя факторами:
- большой константой взаимодействия электронов с веществом, что обуславливает вторичное рассеяние электронной волны даже при небольших (несколько нанометров) толщинах образца и нарушает простую линейную зависимость фазы прошедшей волны от потенциала объекта;
- принципиальной невозможностью сконструировать электромагнитную оптическую систему без аберраций, в результате чего предельное разрешение электронных микроскопов ограничивается не столько длиной волны используемого излучения (длина волны электрона с энергией 200кэВ составляет 0.0025 нм), сколько коэффициентами аберраций электромагнитных линз; при предельном разрешении контраст на ЭМ изображениях в значительной степени определяется комплексной передаточной функцией оптической системы.
Ранее было показано, что только в узком диапазоне экспериментальных условий можно получить ЭМ изображение, соответствующее проекции структуры. Эти условия включают точную установку кристалла по оси зоны, малую

сходимости пучка и Шерцеровской дефокусировке, остается оптимальным с точки зрения контраста частицы.
При высоких ускоряющих напряжениях увеличение сходимости пучка также приводит к размыванию деталей изображения при дефокусировках, далеких от Шерцеровской. В таблице изображений, приведенной в Приложении, можно выделить несколько интересных областей. При сходимости более 2.5 мрад и больших отрицательных дефокусировках фазовый контраст полностью подавляется, и частица становится видна за счет амплитудного контраста как размытое темное пя гно (Рис. 13 б). Хотя прямые измерения размеров по этому изображению невозможны, контраст такого типа можно легко анализировать компьютерными методами, что не является простой задачей для изображений, полученных при "оптимальных" (для высокого разрешения) условиях (Рис. 13 а).
Другая интересная возможность связана с особенностями передаточной функции при больших углах сходимости. На Рис. 14 приведены графики передаточной функции для 1ЕМ-2010 при угле сходимости освещения 3.5 мрад для различных значений дефокусировки. Видно, что только вблизи Шер-церовского фокуса функция имеет широкую полосу пропускания пространственных частот. В диапазоне

0,5 * А А
Л г
-0.5- А/
Рис. 14. Графики передаточной функции для 1 НМ-2010 при 200кУ и сходимости пучка 3.5 мрад и разных значений дефокусировки: 1(1 нм (Рис. 13а),—60 мм (Рис. 1 Зв). 80 им, -100 мм (Рис. 136). Ромбики соответствуют положениям рефлексов (111} и {200}
а) 6) в)
Рис. 13. Изображения 25 атомной частицы на фоне 15 нм силикагеля при 200кУ. а) сходимость — 0 мрад. Шсрцсровская дефокусировка, б) сходимость - 3.5 мрад, дефокусировка -100 нм. в) сходимость - 3.5 мрад, дефокусировка -80 нм