电子显微镜单色器三维数值研究

Monochromators (MCs) are important optical components for advanced electron microscopes. MCs generate monochromatic beams decreasing chromatic aberration,, which improve spatial resolutions in (scanning) transmission electron microscopy ((S)TEM) and scanning electron microscopy (SEM)..There is a fundamental problem: Analyzing and calculating the electron optic properties of monochromators. It is very difficult and cumbersome to derive and calculate the aberration coefficients of monochromators with the 3D electromagnetic field using the traditional aberration integrals method. If using the ray tracing methods, lots of rays must be calculated in high accuracy. An obvious drawback to this approach is that the last stage of the calculation involves forming the difference between two small quantities. .In this proposal, a differential algebraic (DA) method for practical monochromators is presented; the electron optics properties of monochromators can be obtained by 3-D numerical computation in very high accuracy. Using DA method, we do not need the specific expressions for each order aberration but only the correlative calculation of a reference trajectory. Programs will be written and tested as well. A new monochromator model with optimized design will be investigated its applicability to SEMs operating at such extra-low energies. Based on this investigation, the high order aberration of monochromators will be calculated very well by 3-D numerical computation in high accuracy and this work will be applied into research and development of advanced monochromator and electron microscope for improving the performance capabilities.

单色器是应用于高分辨电子显微镜的重要的光学部件，通过降低电子束能量展宽减小色差，有效的提高电镜的分辨率。目前已经广泛的应用于各种电子显微镜中。.单色器研究最基本的问题是分析计算其电子光学特性。由于单色器电磁场分布具有空间三维分布的特性，利用传统的逐次近似法推导和求解都非常繁琐。轨迹追踪法需要追踪大量的轨迹，而且很难得到高计算精度。.本项目提出利用微分代数方法三维计算单色器的电子光学特性包括高阶像差。追踪一条参考轨迹，即可给出任意平面高阶电子光学像差，避免级数展开带来的局限性和误差，提高了计算精度；编写数值计算软件，优化设计单色器结构提高其能量分辨率和空间分辨率。设计具有单色工作模式的纳米级超低能扫描电子显微镜。在解决了上述技术关键之后，能够方便的解决单色器高阶像差计算和分析问题，为研究和发展先进的单色器和电子显微镜奠立必要的科学技术基础。

单色器是应用于高分辨电子显微镜的重要的电子光学部件，通过降低电子束能量展宽减小色差，有效的提高了电子显微镜的分辨率。.为了解决单色器电子光学特性包括高阶像差难以分析和计算的问题，本项目提出了一种基于微分代数方法的单色器三维数值计算方法。利用有限元和有限差分法计算了单色器的三维电磁场分布，并采用傅里叶级数分析方法将三维场分布分解为多极场分量叠加。对每个多极场分别采用16点二元高次插值，以及轴上场函数高斯基拟合两种方法，将每个多极场分量空间分布转换为微分代数扩展束；进而将多极场叠加，获得了单色器三维场分布的微分代数扩展束。研究并发展了微分代数算法，基于获得的电磁场量的三维微分代数扩展束，从物平面到像平面追踪一条参考轨迹作为光轴，实现了直光轴和曲光轴单色器直到五阶的高阶像差计算，有效的解决了单色器电子光学特性特别是高阶像差难以计算的问题，并编写了计算软件。基于微分代数方法设计的扫描电子显微镜，已经初步实现了成像功能。.本项目研究工作的顺利完成，发展了一套用于电子显微镜的单色器的三维数值计算方法，为研究和发展先进的电子显微单色器奠立了必要的科学技术基础，为我国发展基于单色器的高分辨电子光学装置提供了一种有效的分析、计算和优化方法。.在本项目的实施过程中，形成了由3名教师和10余名博士生和硕士生构成的电子光学研究团队，也为我国高分辨电子显微和半导体加工检测等卡脖子技术方面培养了紧缺人才，共培养硕士研究生4名；目前还有2名博士生和5名硕士生在读。.项目执行期间，相关研究成果在《ULTRAMICROSCOPY》、《IEEE Transactions on Electron Devices》和《Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A》等电子光学权威期刊发表学术论文6篇，授权国家发明专利5件。