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1、电子显微学进展及其在材料科学中的应用 电子显微学进展及其在材料科学中的应用是小柯论文网通过网络搜集，并由本站工作人员整理后发布的，电子显微学进展及其在材料科学中的应用是篇质量较高的学术论文，供本站访问者学习和学术交流参考之用，不可用于其他商业目的，电子显微学进展及其在材料科学中的应用的论文版权归原作者所有，因网络整理，有些文章作者不详，敬请谅解，如需转摘，请注明出处小柯论文网，如果此论文无法满足您的论文要求，您可以申请本站帮您代写论文，以下是正文。 摘.要文章简要介绍了高分辨电子显微学方法和电子能量损失谱的进展.文中特别指出，随着电子显微技术的发展，原子分辨电子显微图像对结构问题的深入研究有重
2、要作用.装备有能量单色器的新一代电子显微镜，可以直接给出高能量分辨率的电子能量损失谱(优于 0.1eV).这些先进技术方法的应用，推动了晶体结构学、材料科学、物理学、纳米科学及生命科学的发展，也为解决很多重要结构问题奠定了基础.文章重点讨论了几个典型功能材料体系的结构问题：利用大角度会聚束电子衍射技术，分析了应变硅器件中的应变分布；利用原位电子显微技术，研究了新型电子铁电体LuFe2O4电荷序和物理性能的关系；深入探讨了强关联体系中电子关联效应对电子能量损失谱和电子结构的影响.关键词高分辨，电子能量损失谱，功能材料Transmission electron microscopy and its
3、 applications in material scienceLIJian|QiDUANXiao|Feng(Beijing Laboratory of Electron Microscopy, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences,Beijing100190, China)AbstractRecent progress in the field of high|resolution transmission electron microscopy (TEM) and electron|energy loss spectrosco
4、py is briefly reviewed. It is emphasized that numerous significant structural issues in material science could be well addressed based on newly developed TEM techniques. For instance, strained|silicon p|type metal|oxide|semiconductor field effect transistors have been clearly studied by large angle
5、convergent|beam electron diffraction, and considerable longitudinal compressive strain, up to 2.510, in the nanometer scale channel region has been revealed. Moreover, in|situ TEM observations clearly demonstrate the remarkable structural features of structural modulations in La(Sr)2MnO4 arising fro
6、m charge order, and the direct connection between the ferroelectric polarization and charge|stripe order in LuFe2O4.Keywordshigh|resolution transmission electron microscopy, electron|energy loss spectroscopy, functional materials1.引言高分辨电子显微镜是人类认识微观世界的重要桥梁，电子显微镜把人眼睛的分辩能力从大约0.2 mm拓展至亚原子量级（2,Na0.5CoO2和
7、Na0.3CoO2•1.3H2O的电子结构特性，并结合DFT计算的结果对谱线进行解释，特别针对Na含量变化和水的插入对系统电子结构的影响进行了深入的研究.理论计算采用全势线性缀加平面波+局域轨道(APW+LO)的方法，使用第一性原理计算软件WIEN2k程序3.对于ELNES谱线，采用TELNES.2程序5计算双微分散射截面，积分得到微分散射截面，最后模拟出电子能量损失谱的近边结构.对于LELS谱线，使用OPTIC程序计算倒空间中每一个k点处各个能带之间的跃迁矩阵元，通过下面的公式可以算出复数介电函数的实部：2ii=42e2m2(-c/)2Vv,c,kckpik2(Eck-Evk-)
8、,(1)式中Eck和Evk 为本征值的准粒子近似能量，ck和vk分别是导带和价带的布洛赫函数，V为单胞体积，pi为动量算符，i=x, y, z对应于晶体的各个方向.在计算出介电函数的实部后，通过Kramers-Kronig变换得到介电函数的虚部，从而计算出相应的损失函数Im(-1/)，与实验得到的LELS谱线进行对比.由于NaxCoO2为强关联电子系统，因此我们在计算中考虑了电子关联效应，采用DFT+U的方法.普通的DFT方法中没有包含库仑势和交换关联效应，Anisimov提出DFT+U方法，在计算中引入Hubbard参数U，用来定量表示关联效应，即将两个电子放在同一个晶格位置所需要的库仑能.
9、对于Na0.3CoO2，由于其Na+在CoO2层间的晶格位置上随机排列，因此晶体具有六方对称性，对称群为P63/mmc.计算中对Na+部分占位的情况采用虚晶近似进行模拟；对于Na0.5CoO2，考虑到Na+的有序排列，计算中采用了正交结构晶体结构模型；对于超导材料Na0.3CoO2•1.3H2O，由于大量理论研究已经表明层间H2O最显著的作用是使晶格膨胀，因此在计算中暂不考虑H2O/H3O+的内在具体结构，主要考虑它们对晶格结构参数的影响. 图1为实验所得到的O-K边的高能量分辨率电子能量损失谱(HREELS)，谱线的能量分辨率为0.2eV.在x=0.3和x=0.5的样品中，EEL
10、S谱线具有相似的形状，均在530eV和543eV两处出现强的吸收峰.两条谱线最显著的差别出现在528533eV之间，其中Na0.5CoO2的峰a出现明显的分裂，成为相距1eV的两个小峰.而Na0.3CoO2的峰a则未出现这种分裂现象.为了理解Na+含量及Na+有序对NaxCoO2系统电子结构的影响，我们采用DFT+U方法计算了NaxCoO2(x=0.3, 0.5)的电子结构，并模拟了电子能量损失谱，计算中根据相关的实验结果，U值的范围取在0到5eV之间.图2(a)为Na0.5CoO2的O-K边模拟结果，显示了EELS谱线随U值增加的变化规律.这些理论谱线的能量分辨率已经展宽到0.2eV，可以与
11、实验数据进行直接的比较.从图中可以看出，当02系统中有效的电子关联强度为3eV.图2(b)给出了用相同方法对Na0.3CoO2在02的O-K边显示出对称的函数特征.当U=1eV时，模拟谱线具有完全对称的峰形，理论谱线与实验结果符合得很好.因此Na0.3CoO2中有效电子关联强度为1eV，比上面确定的Na0.5CoO2中的电子关联强度弱.基于DFT+U理论计算的高分辨EELS谱线模拟，证明Na0.5CoO2和Na0.3CoO2在电子结构上存在明显的差别.这些结果还有利于我们进一步分析实验谱线上峰a分裂的起源.根据所确定的U值，我们分析了Na0.5CoO2在U=3eV时的电子结构.事实上，HREE
12、LS(图1)谱中峰a的分裂与这种能带结构紧密相关.峰a中第一个小峰来源于O 1s电子向未占据态中的O 2p电子与CO2 eg杂化轨道的跃迁；第二个小峰则起源于O 1s电子向空态中O 2p电子和Co1 eg杂化 电子显微学进展及其在材料科学中的应用是小柯论文网通过网络搜集，并由本站工作人员整理后发布的，电子显微学进展及其在材料科学中的应用是篇质量较高的学术论文，供本站访问者学习和学术交流参考之用，不可用于其他商业目的，电子显微学进展及其在材料科学中的应用的论文版权归原作者所有，因网络整理，有些文章作者不详，敬请谅解，如需转摘，请注明出处小柯论文网，如果此论文无法满足您的论文要求，您可以申请本站帮
13、您代写论文，以下是正文。轨道的跃迁.另外，通过能态密度的分析，我们还能更深入地了解材料中的物理特性.Na0.5CoO2在U=3eV时的电子结构显示，在费米能级附近具有一个窄的能隙，大约为0.056eV，这与光电子谱实验的结果一致5.2.2.电荷有序态的结构调制和结构精修层状过渡金属氧化物 (La,Sr)n+1MnnO3n+1（n=1, 2,）体系具有多种重要的物理性能，其中电荷、自旋、轨道与晶格自由度之间存在较强的耦合，近年来得到了广泛的重视.n=2和的体系表现出很强的CMR效应，而在n=1的体系中，没有CMR效应.La1-xSr1+xMnO4 (x=0.5)在220K附近，电阻-温度以及磁化
14、率-温度曲线都有明显的跳变，通常认为在220K处发生了电荷/轨道有序相变.本文利用低温原位透射电子显微镜（TEM）观察，电子衍射多层法结构精修（MSLS）的方法以及电子结构的第一原理计算，揭示了La0.5Sr1.5MnO4在电荷有序态的晶体结构和电子结构特征6.首先，我们对La0.5Sr1.5MnO4材料在300K到100K温度范围内的结构性能进行了原位TEM分析. 室温时它具有体心四方结构，空间群为I4/mmm.图3为在300K和100K时，001 和11-0 带轴的电子衍射花样. 值得注意的是,001带轴电子衍射图中的 (a*+b*)/4 超结构衍射点揭示了体系中电荷有序相变所对应的结构变
15、化.而且，进一步分析发现,这些超衍射斑点在11-0带轴的电子衍射花样中没有出现.根据以上实验结果，我们对低温电荷有序态建立了横波调制结构模型，并利用多层法电子衍射结构精修（MSLS）,对低温调制结构进行了修正，得到了电荷有序态的原子位移，如图4所示.2.3.应变硅PMOSFET器件中应变的大角度会聚束电子衍射研究79当集成电路特征尺寸缩小到50nm时，为抑制短沟道效应而增加的沟道掺杂浓度和小尺寸器件要承受的高电场都会引起载流子迁移率的大幅度下降，造成器件驱动能力的严重衰退.采用应变硅沟道是一种跨越这个壁垒的好方法.近年来应变硅沟道MOSFET利用沟道应变诱导工艺方法，突破了MOSFET器件尺寸
16、缩减的极限.在电子显微学中有多种方法可以用来测量微小区域中的应变，如高分辨像结合傅里叶分析方法和选区电子衍射方法，但分析精度和空间分辨率都比较低；普通会聚束电子衍射方法的分析精度很高，可达10-4，但是在测量大应变时，由于高阶劳厄衍射线变得模糊不清而无法测量，另外虽然它的空间分辨率很高，但极易造成样品污染.上述几种方法还有一个共同的缺点，就是很难区分切应变和正应变.大角度会聚束电子衍射（LACBED）是一种离焦会聚束电子衍射，相当于用球面电子波照射到样品的一个区域上，这样在电子衍射图上不仅有衍射线，还叠加有样品的阴影像，使我们可以很直观地将实空间和倒空间的信息结合起来分析样品中的应变分布.在本
17、项研究中，所分析的样品是中国科学院微电子研究所硅器件与集成技术研究室提供的、用预非晶化锗离子源漏延伸区注入应变诱导工艺制备的应变硅PMOSFET器件.我们利用LACBED测量了沟道区中的应变，发现沟道区存在高达2%以上的巨大压应变，相当于Ge0.5Si0.5合金诱导的应变.对于这样一种异常现象，我们提出了沟道中的压应变与沟道宽度成反比的应变增强模型，并通过大量实验测量、有限元模拟分析和LACBED动力学模拟加以证实.图5(a)是利用Ge PAI应变诱导工艺制备的应变硅PMOSFET器件的结构示意图,图5(b)是 50 nm栅长的应变硅PMOSFE截面TTEM像.图6显示了应变硅PMOSFET器
18、件的LACBED实验衍射花样，图中器件的阴影像清晰可见.其中44-0衍射线在沟道区发生了较大的弯曲，说明在沟道中存在的切应变是由于离子注入及退火工艺产生引入的缺陷的不对称分布在截面透射电镜样品中产生的；沟道中55-1-衍射线的弯曲则是由切应变和压应变共同引起的.通过计算分析即可获得沟道中压应变的大小及分布（图7 (a)）.图7(b)为应变增强模型，当源漏延伸区经Ge离子注入后晶格膨胀，将挤压沟道区产生压应变，应变与沟道长度成反比，这就解释了源漏延伸区中很低剂量的Ge离子注入（Ge含量大约1%)在沟道中引入巨大的压应变(-2%)的现象.本项研究对半导体微电子器件研究具有重要意义. 2.4.新型电
19、子铁电体Lu-Fe-O体系的结构和物理性能研究在近期的研究中，RFe2O4结构类型化合物的铁电性能受到了广泛的关注.与传统铁电体不同，这类铁电体中的极化效应是由电子强关联产生的电荷有序引起，为新型电子铁电体.这种新型铁电体系表现出重要的磁、电和轨道耦合效应，在研制可控性多功能微电子器件方面具有广阔的应用前景10.目前，电子铁电体系的新材料探索、电荷调制结构、物理性质和铁电极化机理的研究已经成为材料物理和凝聚态物理的焦点之一.电子铁电体的基态电荷有序和自发极化的基本结构特性是该材料研究的关键问题.采用高低温原位电子显微镜技术系统研究了电子型铁电体LuFe2O4和Lu2Fe3O7随温度的变化，发现
20、这种材料在750K到20K之间经历一系列的电荷有序相变过程.LuFe2O4基态包含两个与电荷序有关的调制：q1=(1/3,1/3,2)和q2 =q1/10+(0,0,3/2)，其中强度较大的q1调制波是该体系铁电自发极化的根源11,12.图9(a)为LuFe2O4 在20K时11-0带轴的电子衍射花样,从其中可以看到清晰的超结构衍射斑点.图9（b）为结构模型，它显示了基态有序的电荷条纹相.图9（c）为Lu2Fe3O7室温时11-0带轴的电子衍射花样，分析表明，Lu2Fe3O7室温存在两个与电荷序有关的调制:q1=(1/3, 1/3, 1) +和 q2= (1/3, 1/3, 0) -,其中为无
21、公度参数，其值约为 =1/10.图9(d)为只考虑q1调制时建立的电荷有序条纹相结构模型.3.结论综上所述，本文重点讨论了几个典型的功能材料体系的结构问题.研究结果表明，实验工作结合理论和方法学研究可以提高实验结果的水平和应用价值.利用大角度会聚束电子衍射技术分析了应变硅器件中的应变分布，解释了源漏延伸区中很低剂量的Ge离子注入在沟道中产生巨大的压应变的机理，对半导体微电子器件研究具有重要意义.利用原位电子显微技术研究了新型电子铁电体LuFe2O4电荷序和物理性能的关系.深入分析了电子铁电体的基态电荷有序和自发极化的关系.参考文献1McCulloch D G, Brydson R. J. Ph
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