基于透射电镜晶格图像数字云纹的应变测量方法

发布时间：2020-09-15 13:59

　　微纳米尺度下应力/应变测量方法是实验力学研究的重要方向之一。近年来发展了多种具有不同空间分辨率的微纳米实验力学新方法。其中,显微拉曼光谱法已成为微米尺度力学行为的有效实验手段;在纳米尺度下,已有研究将SPM、SEM、TEM的高分辨能力与光测力学的测量理论相结合,实现了具有纳米乃至亚纳米分辨率的全场变形测量。然而,在十纳米到百纳米之间这个过渡尺度量级上,尚缺少一种有效的实验手段,这使得在跨尺度的实验力学分析中,纳观尺度与微观尺度的实验分析结果时常难以建立量化的关联。本文提出一种通过量化几何转角实现应变测量的数字云纹新方法RST。该方法以高分辨透射电镜获取的晶格图像为基础,通过傅立叶变换-反傅里叶变换,将晶格图像生成三个不同倾角的TEM栅。以已知应变状态位置获取的TEM栅为参考栅,以所需测量位置获得的TEM栅为试件栅,分别对倾角接近的参考栅与试件栅进行逻辑运算,得到各倾角栅对应的数字云纹图像。基于几何云纹法的基本原理,建立参考栅与试件栅二者之间栅线倾角的变化(即栅线转角θ)、该栅线转角所对应几何云纹条纹的倾角与栅线间距变化(即栅线法向应变分量)之间的解析关系。计量TEM栅线转角与几何云纹条纹的倾角φ,将其代入以上关系得到试件栅位置上三个不同方向的正应变,从而实现面内应变各分量的解耦测量。通过开展单向、双向、刚体转动的验证实验,本文证明了RST方法的准确性并排除了刚体转对测量的影响。本文将RST方法应用于硅锗固溶合金多层异质半导体结构与MOS管结构横截面样品的应变分析,并将测量结果与显微拉曼分析数据进行对比。结果显示,RST方法能够以十纳米量级的空间分辨,定量给出面内应变三个分量的细节信息。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN16;TP391.41
【部分图文】：

格图,透射电子显微术,成像原理,高分辨

第二章 RST 的理论与技术基础所使用方法中所用到的原理，其中包括高分角几何云纹测量应变、数字云纹算法、TEM格图像的栅线提取微术是一种研究晶体内部结构的有效方法。以直接观测样品的晶体结构和原子排列信息射电镜以达到了亚亚纳米的空间分辨能力，体及矿物质等多种领域的研究。子显微术的成像原理是相位衬度成像，如图性结构可被视为一个周期性的势场，当电子。基于波粒二象性原理，电子束也可被视为面波的振幅，但对波的相位有调节作用。当品结构的周期性信息时，透射电子束和若干品的高分辨像[80]。

栅线,云纹

图 2-2 TEM 晶格图像的栅线提取[81](a) 单晶硅在(111)晶面的高分辨 TEM 图像；(b) 图(a)傅立叶变换后的衍射图像；(c) 反傅立叶变换得到的 g1, g2和 g3方向的栅线图Figure 2-2 grating patterns from TEM lattice image[81](a) High resolution TEM image of c-Si on (111) crystal plane; (b) Fourier transform image of (a);(c) grating patterns in g1, g2and g3directions, respectively, achieved by anti-Fourier transform2.2 转角几何云纹原理所有云纹测量技术的基本元素都是栅线。两组栅线叠合在一起产生的云纹条纹会随着栅线几何形状的微小改变而发生宏观移动，云纹法就是通过测量条纹的移动量来分析物体的位移场。栅线是物体变形信息的载体，因此选用合适的栅线可以方便快捷地提取出物体的变形信息。两栅线叠加后，其中一个栅线节距增加或者减小会导致两者相互遮挡光线，从而形成云纹。当两组栅线是平行时会形成与栅线平行的云纹，当两个栅线有相对转角时依然能够形成云纹，即转角云纹。图 2-3 给出了平行云纹和转角云纹的示意图。

云纹,转角,栅线

格图像的栅线提取[81](a) 单晶硅在(111)晶面的高分辨 TEM 图换后的衍射图像；(c) 反傅立叶变换得到的 g1, g2和 g3方向的Figure 2-2 grating patterns from TEM lattice image[81]tion TEM image of c-Si on (111) crystal plane; (b) Fourier transfotterns in g1, g2and g3directions, respectively, achieved by anti-Fo何云纹原理测量技术的基本元素都是栅线。两组栅线叠合在一起几何形状的微小改变而发生宏观移动，云纹法就是通物体的位移场。栅线是物体变形信息的载体，因此选地提取出物体的变形信息。两栅线叠加后，其中一个致两者相互遮挡光线，从而形成云纹。当两组栅线是云纹，当两个栅线有相对转角时依然能够形成云纹，平行云纹和转角云纹的示意图。

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