掃描電子聲顯微鏡的信號激發(fā)和對材料亞表面特性的研究.pdf

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

2、成電路、長骨試樣以及纖維材料進行SEAM成像研究。具體內(nèi)容如下：首先理論上采用一個改進的二維熱源模型分布激勵一個單層各向同性試樣，采用積分變換和格林函數(shù)法，求解了該簡諧電子束源在各向同性試樣中所激發(fā)的反對稱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，分析了溫度場在該試樣中不同深度處所產(chǎn)生的電聲信號。在此基礎(chǔ)上，理論和實驗研究了掃描電子聲顯微鏡的信號激發(fā)、橫向分辨率和分層成像機理。結(jié)果表明：SE

3、AM的信號反差主要取決于試樣的被輻照區(qū)域的力學、熱學以及電子阻止能力。SEAM的最佳橫向分辨率的理論預期值為√2倍的電子束焦斑直徑；實驗上對鈦酸鋇陶瓷等試樣的成像結(jié)果表明橫向分辨率可達到0.2μm，已接近該實驗條件下的理論最佳分辨率0.14μm。由于每個深度z'上形成的SEAM信號是由電子束源和熱波同時激發(fā)。其中由電子束源直接激發(fā)的聲信號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，

4、其幅度以熱擴散長度隨距離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現(xiàn)。但由于信噪比原因，實際中一般采用的是改變頻率而實現(xiàn)分層成像，即固定鎖相相位時，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熱擴散長度處材料的力學、熱學或電學性質(zhì)的變化和分布。實驗上通過鋁-環(huán)氧粘接界面，分

5、別采用改變頻率和改變相位進行了成像研究，證實了上述理論預期。為了進一步揭示SEAM亞表面成像機理，本文開展了兩層板的SEAM信號激發(fā)機理的研究。理論上采用積分變換和格林函數(shù)法，對鋁(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，求解了電子束源在這一雙層板中激發(fā)的反對稱Lamb波模式，和耦合在試樣背面的壓電換能器輸出。對溫度場和溫度梯度在該雙層板試樣中不同深度的激發(fā)的電聲信號的計算結(jié)果表明：溫度場所激

6、發(fā)的SEAM信號主要來自于上層具有高熱導的鋁膜，而界面溫度梯度激發(fā)的信號主要來自于界面的環(huán)氧層內(nèi)約為其自身一個熱擴散長度區(qū)域內(nèi)。同時，由于溫度場和溫度梯度的相位不同，以及它們在不同頻率時的分布范圍也不一致，因此理論上同樣可以通過改變頻率和相位，分層得到粘接界面附近的SEAM像。實驗上，成功的對一埋入于鋁(15μm)-環(huán)氧界面的銅絲的雙層試樣進行了界面附近的分層成像研究，驗證了上述理論預期。另外本文利用掃描電子聲顯微鏡對鐵電單

7、晶和磁性試樣進行成像研究。其中對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)對磁性材料進行了成像研究，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)秀的疇成像觀測技術(shù)。最后本文還對集成電路、長骨試樣以及纖維材料進行了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)檢測技術(shù)相比，均具有一定的優(yōu)越性，拓寬