掃描電子聲顯微鏡的信號(hào)激發(fā)和對(duì)材料亞表面特性的研究.pdf

1、掃描電子聲顯微鏡(SEAM)，由于它具有獨(dú)特的高分辨率、能同時(shí)獲得試樣表面電子顯微鏡像(SEM)和不同深度的亞表面SEAM像，以及試樣制備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，目前在材料界觀成像和表征方面得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)它作為一種仍處于發(fā)展中的新技術(shù)，特別是其成像機(jī)理和分辨率等關(guān)鍵的一些理論仍還需要不斷的發(fā)展和完善。本文從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了掃描電子聲顯微鏡的信號(hào)激發(fā)機(jī)理、分辨率和分層成像機(jī)理；利用SEAM技術(shù)對(duì)鐵電單晶和鐵磁體進(jìn)行成像研究；并對(duì)集

2、成電路、長(zhǎng)骨試樣以及纖維材料進(jìn)行SEAM成像研究。具體內(nèi)容如下：首先理論上采用一個(gè)改進(jìn)的二維熱源模型分布激勵(lì)一個(gè)單層各向同性試樣，采用積分變換和格林函數(shù)法，求解了該簡(jiǎn)諧電子束源在各向同性試樣中所激發(fā)的反對(duì)稱(chēng)Lamb波模式，以及耦合在試樣背面的壓電片的電壓輸出；利用格林函數(shù)的特性，分析了溫度場(chǎng)在該試樣中不同深度處所產(chǎn)生的電聲信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，理論和實(shí)驗(yàn)研究了掃描電子聲顯微鏡的信號(hào)激發(fā)、橫向分辨率和分層成像機(jī)理。結(jié)果表明：SE

3、AM的信號(hào)反差主要取決于試樣的被輻照區(qū)域的力學(xué)、熱學(xué)以及電子阻止能力。SEAM的最佳橫向分辨率的理論預(yù)期值為√2倍的電子束焦斑直徑；實(shí)驗(yàn)上對(duì)鈦酸鋇陶瓷等試樣的成像結(jié)果表明橫向分辨率可達(dá)到0.2μm，已接近該實(shí)驗(yàn)條件下的理論最佳分辨率0.14μm。由于每個(gè)深度z'上形成的SEAM信號(hào)是由電子束源和熱波同時(shí)激發(fā)。其中由電子束源直接激發(fā)的聲信號(hào)的幅度以電子衰減系數(shù)隨距離z'增加而指數(shù)衰減，其相位基本不變；而熱波激發(fā)的SEAM信號(hào)，

4、其幅度以熱擴(kuò)散長(zhǎng)度隨距離z'增加而指數(shù)衰減，其相位也隨深度z'的變化而變化。因此SEAM的分層成像技術(shù)主要包括改變電子束加速電壓、改變相位和改變頻率實(shí)現(xiàn)。但由于信噪比原因，實(shí)際中一般采用的是改變頻率而實(shí)現(xiàn)分層成像，即固定鎖相相位時(shí)，z'與調(diào)制頻率平方根成反比，于是調(diào)節(jié)頻率f,可以得到不同深度上高質(zhì)量的SEAM像，它們反映了試樣在其深度上約為一個(gè)熱擴(kuò)散長(zhǎng)度處材料的力學(xué)、熱學(xué)或電學(xué)性質(zhì)的變化和分布。實(shí)驗(yàn)上通過(guò)鋁-環(huán)氧粘接界面，分

5、別采用改變頻率和改變相位進(jìn)行了成像研究，證實(shí)了上述理論預(yù)期。為了進(jìn)一步揭示SEAM亞表面成像機(jī)理，本文開(kāi)展了兩層板的SEAM信號(hào)激發(fā)機(jī)理的研究。理論上采用積分變換和格林函數(shù)法，對(duì)鋁(15μm)-環(huán)氧界面雙層板，考慮了其內(nèi)部溫度和溫度沿深度方向梯度作用時(shí)，求解了電子束源在這一雙層板中激發(fā)的反對(duì)稱(chēng)Lamb波模式，和耦合在試樣背面的壓電換能器輸出。對(duì)溫度場(chǎng)和溫度梯度在該雙層板試樣中不同深度的激發(fā)的電聲信號(hào)的計(jì)算結(jié)果表明：溫度場(chǎng)所激

6、發(fā)的SEAM信號(hào)主要來(lái)自于上層具有高熱導(dǎo)的鋁膜，而界面溫度梯度激發(fā)的信號(hào)主要來(lái)自于界面的環(huán)氧層內(nèi)約為其自身一個(gè)熱擴(kuò)散長(zhǎng)度區(qū)域內(nèi)。同時(shí)，由于溫度場(chǎng)和溫度梯度的相位不同，以及它們?cè)诓煌l率時(shí)的分布范圍也不一致，因此理論上同樣可以通過(guò)改變頻率和相位，分層得到粘接界面附近的SEAM像。實(shí)驗(yàn)上，成功的對(duì)一埋入于鋁(15μm)-環(huán)氧界面的銅絲的雙層試樣進(jìn)行了界面附近的分層成像研究，驗(yàn)證了上述理論預(yù)期。另外本文利用掃描電子聲顯微鏡對(duì)鐵電單

7、晶和磁性試樣進(jìn)行成像研究。其中對(duì)鐵電單晶的不同深度的亞表面成像結(jié)果揭示了電疇在不同深度的變化情況。另外利用線性和非線性成像技術(shù)對(duì)磁性材料進(jìn)行了成像研究，它們揭示了磁性試樣內(nèi)部的物理信息。這些結(jié)果表明SEAM技術(shù)有可能成為一種新的，優(yōu)秀的疇成像觀測(cè)技術(shù)。最后本文還對(duì)集成電路、長(zhǎng)骨試樣以及纖維材料進(jìn)行了SEAM成像研究。得到了這些試樣在不同深度的亞表面區(qū)域的微區(qū)物理特性，并且與其各自的傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)相比，均具有一定的優(yōu)越性，拓寬