现代光学导论第三次2014PPT学习教案

1、会计学1第1页/共85页 Contents 常规常规TEM（120kV） Contents扫描电子显微镜扫描电子显微镜公司名称公司名称透射电镜型号透射电镜型号加速电压加速电压分辨率分辨率日本电子日本电子（JEOL）JEM140040kV-120kV0.2nmJEM2100F200kV0.19nmJEM-1000k RS1000kV0.1nm日本日立日本日立（HITACHI）H-765040kV-120kV0.2nmHF-3300300kV0.19nm美国美国FEITecnai G20 200kV0.19nmTecnai G2 F30 300kV0.2nm德国蔡司德国蔡司（Carl Zeiss

2、）LIBRA 12040kV-120kV0.34nmLIBRA 200 FE200kV0.24nm中科科仪（中科科仪（KYKY）DX-4（停产）100kV0.3nm上海光学技术研究所上海光学技术研究所DXT-100A(停产)100kV1nm北京航空航天大学北京航空航天大学TDX-200F200kV0.25nm第2页/共85页 照明系统照明系统电子显微镜光路原理图电子显微镜光路原理图电子枪交叉点试样平面杂散电子单聚光单聚光镜镜 双聚光镜双聚光镜（合适激励）（合适激励） 双聚光镜双聚光镜 （高激励）（高激励）通过调整聚光镜的激励，能够达到所需照明要求通过调整聚光镜的激励，能够达到所需照明要求50微

3、米束斑C1C25微米束斑 初象50微米束斑10微米束斑2微米束斑亮很亮暗1.5微米束斑 第3页/共85页成像系统成像系统TEM 模式模式衍射模式衍射模式物镜物镜第一中间镜第一中间镜第二中间镜第二中间镜投影投影镜镜第4页/共85页参考参考报价报价 1500000元元 USD (美元美元)型号型号 JSM-2100F品牌品牌 日本电子日本电子产地产地 日本日本技术参数技术参数：1.点分辨率：点分辨率：0.19nm 2.线分辨率：线分辨率：0.14nm 3.加速电压：加速电压：80, 100, 120, 160, 200kV 4.倾斜角：倾斜角：25 5.STEM分辨率：分辨率：0.20nm 第5页

4、/共85页参考参考报价报价 400000元元 USD (美元美元)型号型号 JSM-7001F品牌品牌 日本电子日本电子产地产地 日本日本技术参数技术参数：1.分辨率：分辨率：1.2nm(30kV)/3.0nm(1kV)2.加速电压：加速电压：0.2KV-30kV3.放大倍数：放大倍数：10-100万倍万倍4.大束流高分辨大束流高分辨5nA，WD10mm;15kV时分辨率时分辨率3.0nm5.束流强度：束流强度：1pA到到200nA(15KV)第6页/共85页最大直写片子尺寸Max. wafer size: 12 inch (300mm)最小电子束斑 Min. Beam spot diamet

5、er: 4nm位置及套刻精度 Position, over layer accuracy: 20nmJBX 9300 电子束直写系统主机台面片夹第7页/共85页 第8页/共85页球面像差球面像差彗形像差彗形像差像散像散像场弯曲像场弯曲畸变畸变像差像差单色像差单色像差色像差色像差像差分类像差分类像差：任何偏离理想成像的现象像差：任何偏离理想成像的现象第9页/共85页球面像差、彗形像差：大孔径成像。球面像差、彗形像差：大孔径成像。像散、像场弯曲、畸变：大视场成像。像散、像场弯曲、畸变：大视场成像。球差、彗差、像散：破坏光束同心性球差、彗差、像散：破坏光束同心性像场弯曲：使像平面弯曲像场弯曲：使像平

6、面弯曲像散：破坏物像相似性像散：破坏物像相似性单色像差影响：单色像差影响：第10页/共85页1 1 球面像差（球差）球面像差（球差）( (光学）：光学）：轴上物点发出的光束经球面折射后不轴上物点发出的光束经球面折射后不再交于一点再交于一点。QQLLlL L l第11页/共85页第12页/共85页2 2 彗形像差（彗差）彗形像差（彗差）傍轴物点发出的宽光束经球面系统傍轴物点发出的宽光束经球面系统在像平面上形成彗星状的像斑。在像平面上形成彗星状的像斑。第13页/共85页经过光瞳面上各个圆周的光线在像平经过光瞳面上各个圆周的光线在像平面上仍将落在一系列圆周上，不过这面上仍将落在一系列圆周上，不过这些

7、圆周不再是同心圆，半径愈大的圆，些圆周不再是同心圆，半径愈大的圆，其中心离理想像点愈远，形成如彗星其中心离理想像点愈远，形成如彗星状光斑。状光斑。第14页/共85页图 1 彗形弥散图形分布3030(b)(a)r环带24321图 2 彗差的形成环带1环带3环带420rra第15页/共85页3 3 像散和像场弯曲像散和像场弯曲物点远离光轴，光束大倾角入射引起物点远离光轴，光束大倾角入射引起像散：像散： 出射光束截面出射光束截面一般为椭圆一般为椭圆； 形成两互相垂直散焦线，形成两互相垂直散焦线，子午焦线子午焦线和和弧矢焦线弧矢焦线第16页/共85页子午焦线子午焦线和和弧矢焦线弧矢焦线之间，光束存在一

8、之间，光束存在一个圆截面，称为最小模糊圆，是放置接个圆截面，称为最小模糊圆，是放置接收器的最佳位置。收器的最佳位置。像场弯曲像场弯曲物平面第17页/共85页第18页/共85页 场曲和像散的弥散图像第19页/共85页4 4 畸变畸变不破坏光束同心性，因此不影响像的不破坏光束同心性，因此不影响像的清晰度，但使物像各部分比例失调清晰度，但使物像各部分比例失调。物物枕形畸枕形畸变变桶形畸桶形畸变变第20页/共85页畸变与孔径光阑位置有关畸变与孔径光阑位置有关第21页/共85页第22页/共85页5 5 色像差色像差211111rrnf薄透镜焦距：薄透镜焦距：波长不同波长不同折射率不同折射率不同焦距不同焦

9、距不同像位置和大小不同像位置和大小不同第23页/共85页色差消除：色差消除：使用不同材料做成的凹凸透镜胶合起使用不同材料做成的凹凸透镜胶合起来可以对选定的两种波长消除色差。来可以对选定的两种波长消除色差。大小不同横向色差。大小不同横向色差。位置不同轴向色差；位置不同轴向色差；位置色差位置色差放大率色差放大率色差第24页/共85页032121212zFrFrrFxrcos)/(（1）电极电位扰动为： 引入变量 cos),(),(1rzrFzr微分方程： 边界条件： xrrF11扰动电极上 其他电极上 01F非对中和倾斜将会引起束的偏移和彗差，椭圆变形将会引起像散。提高加工和装配的精度减小机械变形

10、引起的像差，还应采用非对称场进行校正 。第25页/共85页2/1minmax4/103/120)(ln)(2bbkTmqnEn为离子密度，0为初始速度，q为离子的电荷，m为离子质量，k为热力学系数，0T初始振动周期，2/1maxnb为离子间minb为碰撞后散射偏转角等于2/的瞄准距离。 的平均距离， 离子间的库仑力主要集中在源发射区域附近和聚焦系统中，一般采用蒙那卡罗方法模拟仿真，库仑作用引起的像差主要包括四种：球差、轨迹偏移、散焦以及色差，其中色差方面的像差跟热初速有关，与源的参数关系最为密切，不能消除。 第26页/共85页第27页/共85页EEEEE 第28页/共85页第29页/共85页第

11、30页/共85页第31页/共85页第32页/共85页1/43/40.66sC理论1/41.3( /)sC最佳1/41.41( /)sC最佳1/43/40.43sC极限物镜球差系数1.38mm，最佳角8.49mrad。像差系数分清物方和像方第33页/共85页)()109788. 01 (227. 16nmUU当速度当速度u与光速与光速c可比时为可比时为:0.61 / 3ssC341ssC第34页/共85页单位：单位：mm第35页/共85页物镜的优化设计物镜的优化设计 磁透镜的一般结构磁透镜的一般结构：SD第36页/共85页极靴参数极靴参数S/DS/D的选择的选择：第37页/共85页极靴参数极靴参

12、数S/DS/D的选择的选择：S/D=1.8S/D=1.8时，球差和色差对透镜的影响最小时，球差和色差对透镜的影响最小第38页/共85页材料的选择：材料的选择： 物镜加工材料的选择，极靴部分采用物镜加工材料的选择，极靴部分采用1J221J22铁钴合金，其它磁路部分采用铁钴合金，其它磁路部分采用DT4CDT4C电工纯铁。电工纯铁。1J22: B1J22: BS S=2.4T=2.4TDT4C: BDT4C: BS S=1.6T=1.6T第39页/共85页物镜的关键参数：物镜的关键参数：/3e S25302 1/500SNI222l SSD /S D下极靴第一锥下极靴第一锥角角第40页/共85页 下

13、极靴第一锥角的选择：下极靴第一锥角的选择：5960616263646566671.481.491.51.511.521.535960616263646566671.3621.3641.3661.3681.371.372锥角色差系数(mm)球差系数(mm)第41页/共85页下极靴第一锥角的选择：下极靴第一锥角的选择：5960616263646566671.481.51.521.54锥角球差系数(mm)极靴最大磁场(T)5960616263646566672.552.62.652.763.43第42页/共85页物镜结构：物镜结构：第43页/共85页物镜轴上磁场分布：物镜轴上磁场分布：第44页/共8

14、5页物镜极靴和磁路上磁场分布：物镜极靴和磁路上磁场分布：第45页/共85页物镜光学特性物镜光学特性：物镜的激励物镜的激励像平面位置像平面位置物镜的光学物镜的光学特性参数特性参数透镜透镜激励激励透镜透镜中心中心主平主平面面物方物方焦点焦点焦距焦距大小大小像平像平面面放大放大倍率倍率球差球差系数系数理论理论点分点分辨率辨率优化优化目标目标分辨分辨率率9926.1700633.02mm634.7582mm632.9558mm1.8023mm809.4947mm96.5651.25mm0.247nm0.25nm第46页/共85页48物镜极靴设计图物镜极靴设计图第47页/共85页第48页/共85页压力3

15、500N自重底面支撑有限元模型及载荷边界条件有限元模型及载荷边界条件第49页/共85页第50页/共85页52第51页/共85页第52页/共85页1A热发射热发射高温钨灯丝阴极高温钨灯丝阴极2B场发射场发射105V/cm，肖特基效应肖特基效应3C量子隧道效应量子隧道效应-STM4场发射分类场发射分类发射体前电子的发射体前电子的势能曲线势能曲线 V(z)， 外加电场外加电场 -e I E I z。第53页/共85页第第1 1种种第第2 2种种第第3 3种种冷场冷场 (Cold Field (Cold Field Emission ,CFE)Emission ,CFE)热发射热发射(Thermal

16、Field (Thermal Field Emission ,TF)Emission ,TF)肖特基肖特基(Schottky (Schottky Emission ,SE)Emission ,SE)第54页/共85页六硼化镧灯丝钨灯丝场发射灯丝第55页/共85页第56页/共85页nevj n电子数目；e电子电荷量；v电子的运动速度；第57页/共85页kTeVj0第58页/共85页灯丝：高熔点，低逸出功Wu 4.5eVLaB6 3.0eV第59页/共85页第60页/共85页第61页/共85页 2300 1800 1800 室室温温 2.0eV 1.5eV 0.8eV 5x105 A/cm2sr

17、5x106 A/cm2sr 5x108 A/cm2sr 100小小时时 500 1000 小小时时 6 8 月月 100uA 50 uA50 uA100 nA 连续连续激活激活 每天一次每天一次 工作温度工作温度能量能量发发散散度度亮度亮度灯灯丝丝寿命寿命总总束流束流枪枪尖激活尖激活 第62页/共85页类别钨灯丝LaB6场发射枪逸出功（eV）4.52.44.5工作温度(K)27001700300电流密度（A/m2）5x1041061010交叉斑直径（m）50100.01能量散度(eV)31.50.3发射电流稳定度(%/小时)11000各种电子枪的性能对比(100kV)第63页/共85页栅极和灯

18、丝组件高压瓷瓶栅极和灯丝组件高压瓷瓶第64页/共85页第65页/共85页第66页/共85页电子源的设计采用专用软件进行理论计算和优化设计。用有限元方法进采用专用软件进行理论计算和优化设计。用有限元方法进行模拟，最大网格和最小网格相差几十万倍（阴极网格是行模拟，最大网格和最小网格相差几十万倍（阴极网格是亚微米级，组件宏观尺寸是几十毫米），完成了大量的数亚微米级，组件宏观尺寸是几十毫米），完成了大量的数据文件程序编写。据文件程序编写。a) a) 场发射电子枪场发射电子枪进行电子光学计算和设计进行电子光学计算和设计- -光路设计光路设计第67页/共85页发射阴极网格设计发射阴极网格设计发射源网格设计

19、发射源网格设计发射源程序粗网格输出发射源程序粗网格输出发射源程序细网格输出发射源程序细网格输出a) a) 场发射电子枪场发射电子枪进行电子光学计算和设计进行电子光学计算和设计网格设计网格设计第68页/共85页电子束轨迹电子束轨迹- -程序输出程序输出场发射枪电子光学光路场发射枪电子光学光路- -网格设计图网格设计图a) a) 场发射电子枪场发射电子枪进行电子光学计算和设计进行电子光学计算和设计场计算场计算第69页/共85页a) a) 场发射电子枪场发射电子枪电子光学计算电子光学计算发射尖端发射尖端第70页/共85页b b）场发射电子源）场发射电子源第71页/共85页材料特殊，加工精度、材料特殊

20、，加工精度、装配精度都非常高，部装配精度都非常高，部分精度到微米级分精度到微米级a) a) 场发射电子枪场发射电子枪设计核心组件设计核心组件场发射枪组件场发射枪组件第72页/共85页场发射枪组件装配、调节装置（在显微镜下安装、调节、粘接）场发射枪组件装配、调节装置（在显微镜下安装、调节、粘接）a) a) 场发射电子枪场发射电子枪设计核心组件设计核心组件枪组件装配、调节装置枪组件装配、调节装置第73页/共85页枪组件要求耐高枪组件要求耐高温、高压，极间温、高压，极间连接件材料硬度连接件材料硬度极高，刚性强，极高，刚性强，表面光洁度要求表面光洁度要求也很高，加工难也很高，加工难度大，通过各种度大，

21、通过各种实验，确定材料。实验，确定材料。a) a) 场发射电子枪场发射电子枪设计核心组件设计核心组件做实验，确定特殊材料做实验，确定特殊材料第74页/共85页场发射枪零件的小场发射枪零件的小孔、平面等精度要孔、平面等精度要求很高，加工要求求很高，加工要求高。高。a) a) 场发射电子枪设计制造场发射电子枪设计制造 第75页/共85页a) a) 场发射电子枪场发射电子枪设计设计200kV200kV加速极加速极场枪工作在场枪工作在200kV200kV下，一般要采用多级下，一般要采用多级陶瓷和金属封接构成加速管。该组件要陶瓷和金属封接构成加速管。该组件要求耐高压求耐高压200kV200kV，内部真空达到，内部真空达到1010-9 -9 TorrTorr，外部，外部7 7个大气压，所以需要特殊个大气压，所以需要特殊陶瓷。组件的同心度和平面度要求很高，陶瓷。组件的同心度和平面度要求很高，加工、封接工艺都属于特殊工艺。目前加工、封接工艺都属于特殊工艺。目前我们已经完成了图纸设计，正在国内进我们已经完成了图纸设计，正在国内进行调研。现在已经和多家单位探讨过合行调研。现在已经和多家单位探讨过合作