10 nm厚超薄金属薄膜的纳米晶体学表征能力对比

厚度在10nm及以下的超薄金属薄膜在电子器件、光学传感器以及有机光伏等领域的应用愈发广泛，其微观结构特征极大影响器件宏观性能。SEM中使用的同轴透射菊池衍射技术（On-Axis TKD）和TEM中使用的旋进电子衍射技术（PED）是进行晶体学mapping的主要手段。早期学者们主要在>50nm厚的金属薄膜上进行了两种技术的比较研究（可参见本公众号推文：同轴TKD（SEM）VS. PED(TEM) 纳米级晶体学表征能力对比），相比之下，更薄的超薄金属薄膜（~10nm）存在更少的晶粒衍射信号重叠，可更好的反映两种技术的极限分辨能力，因此有必要在超薄金属薄膜上进行同轴TKD和PED的技术对比。

浸没式同轴TKD是一种可在SEM中采用浸没式物镜进行同轴TKD表征的技术。在磁场浸没模式下作用于样品的电子束斑尺寸减小，有效提高同轴TKD的空间分辨率。近日，丹麦技术大学、挪威科学与技术大学的研究团队合作制备了含粘合层厚度~10nm超薄Au薄膜，采用Bruker Optimus 同轴TKD与JEOL JEM 2100F配置的PED在超薄Au薄膜上进行同位表征，对比了常规同轴TKD、浸没式同轴TKD与PED技术的表征能力。

文中提到的空间分辨率指的是物理空间分辨率（Physical Spatial Resolution，简称 PSR） 即大角晶界两侧产生两个完全互不相关的点之间的距离，可采用Digital Image Correlation(DIC)方法量化PSR。图1是采用DIC方法量化PSR的结果，从结果可知浸没式同轴TKD与PED的空间分辨率相当(PSR分别为5.4nm、5.2nm)，均优于常规同轴TKD(PSR=8.7)。

图1 衍射花样及相关性系数关于距离的变化取向（高斯曲线半高宽即为PSR值）（a）常规同轴TKD；（b）浸没式同轴TKD；（c）PED

图2与图3是常规同轴TKD分别与PED和浸没式同轴TKD在超薄Au膜相近区域的测试结果。可以看出，受限于SEM束斑尺寸以及薄膜过薄导致的衍射信号减弱，常规同轴TKD空间分辨率弱于PED。采用浸没模式物镜减小SEM束斑尺寸后，浸没式同轴TKD可获得与PED相近的表征结果（分辨出小于10nm的晶体学特征）。可见，进行超薄薄膜表征时，更小的束斑尺寸、更高的横向空间分辨率是提高PSR的关键。

图2 样品相近区域常规同轴TKD和PED测试及数据处理结果

（a）（c）（e）常规同轴TKD；（b）（d）（f）PED

图3 样品相近区域常规同轴TKD和浸没式同轴TKD测试及数据处理结果(a)(c)(e)常规同轴TKD；(b)(d)(f) 浸没式同轴TKD

选取PED和常规同轴TKD的取向标定差异区进行原始花样比对（见图4、5），发现PED晶体取向出现误标。PED是通过衍射斑点与数据库进行匹配来识别晶向，在匹配过程中，近光轴的高亮点往往被赋予更高的权重，因此易产生标定误差，其角分辨率仅1°，不如角分辨率~0.1°的同轴TKD。需要注意的是，因取向标定误差，PED还可能会产生与真实形貌相悖的、具有误导性的更细小晶粒尺寸（见图6d、e）。

图4 样品的STEM ADF照片及常规同轴TKD与PED技术在同一区域的标定差异：(b)(d)(f) 常规同轴TKD；(c)(e)(g) PED

图5 取向标定差异区的原始花样与模拟花样比对:（a）(d)TKD (b)(c)(e)PED

图6  同一区域ADF STEM、PED与TKD的微观形貌图片（a） STEM ADF反衬度图像；（b）PED IPF-Z；（c）TKD IPF-Z ；（d）STEM ADF照片，e) PED匹配相关性指数图；f) TKD花样质量图

综上所述，在10nm超薄金属薄膜的表征上，基于TEM的PED技术的空间分辨率优于常规同轴TKD，新一代的浸没式同轴TKD可以缩短两者的差距，获得接近PED的空间分辨mapping结果。值得一提的是，由于取向标定方法的差异，同轴TKD角分辨率高，取向标定更为精确。

更多详细信息请参考：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044580322002133

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