各向同性媒质中的扫描电子声显微镜的信号激发

在前期研究(声学学报;1991;16(3):161—169)的基础上,建立了改进的热源分布模型。利用积分变换和特征函数展开法,求解了强度简谐调制的电子束源在各向同性试样中所激发的各种Lamb波模式,以及耦合在试样背面的压电片的电压输出,并分析了扫描电子声显微镜(SEAM)的信号激发机理。结果表明SEAM是一种高分辨率的近场成像技术,它的最佳横向空间分辨率为22~(1/2)倍的电子束焦斑半径。实验结果表明SEAM的空间分辨率可优于0.5μm,小于试样的热扩散长度,从实验上证实了理论预计的SEAM的近场成像特征。     

“扫描电声成像系统及其相关器件和材料”项目简介

扫描电声成像系统是在电子显微镜（SEM）的基础上，增加一电子束斩波系统，使入射到试样表面的电子束强度以频率f变化。由于电子与试样原子之间的非弹性散射，在电子束焦斑附近就形成一时变的热弹源，会同时激发出热波和声波。声波作为信息的载体透过试样，而被在试样背面相耦合的压电换能器接收，该信号经锁相放大器检测后再输入电子显微镜的成像系统。当强度调制的电子束在试样表面上扫描时，由于试样表面的形貌、局域的力学、热学、电学特性等的差异，形成具有不同衬度的电子声像（SEAM）。由于SEAM是一近场成像技术，它的成像分辨率不受远场夫朗和费衍射和中场的费涅尔衍射所确定的波长限制，它的最佳分辨率可优于0.5μm。而且它可以获得原位的试样表面的SEM像和亚表面的SEAM像。此外还有试样制备简单等优点。     

扫描探针声显微镜轻敲模式中相位像的反差机理

根据扫描探针声显微镜(SPAM)轻敲工作模式中探针作周期振动的特点,以及在探针与试样相接触过程中激振力和悬臂探针自由振动的阻尼力很小的假设下,解析求解了探针与试样的碰撞运动方程,得到了最大压痕深度和碰撞时间与探针半径、等效杨氏模量以及界面吸附能等之间的关系式,较直观地说明了SPAM中轻敲模式的相位像反差机理:信号的相位与试样微区的性质、探针振幅、设置点以及试样形貌等有关。并定量预计了纳米金刚石像中的相位差值72.59°,与实验测量平均值73.2°±8.2°一致。同时,合理地解释了实验得到的光学薄膜试样相位像的反差。这些表明SPAM轻敲模式的相位成像是一种纳米分辨率测量材料表面物理性质的成像技术。      

弱界面压电覆层复合结构中的声导波

建立压电覆层复合结构中声导波传播模型,结合弱界面“弹簧”模型,推导了压电覆层复合结构存在刚性、滑移联接界面等几种不同界面条件下声导波的广义频散方程,数值计算钛锆酸铅基压电陶瓷覆层复合结构在不同界面条件下声导波的频散曲线,分析了界面特性对导波传播相速度的影响。数值计算和分析表明为了能够有效地评价界面的特性,选择合适的声波模式和声波频率是非常重要的。实验结果验证了界面假设的有效性,为进一步深入研究以多模式声导波参量为基础的压电覆层复合结构界面特性参数反演方法提供了理论基础。     

强耦合尘埃等离子体中正电扰动下的尘埃声激波

研究了强耦合尘埃等离子体的尘埃声波的线性色散关系和尘埃声孤波的非线性传播。考虑一个包含电子、离子、正电扰动尘埃颗粒的完全电离的三成分模型等离子体。假定其电子、离子数密度服从玻尔兹曼分布,而大质量的尘埃成分用一组经典流体方程描述,对系统方程进行线性化,得到了尘埃声波的线性色散关系,发现离子的集中参数对色散关系的影响很大。用约化摄动法对系统方程进行展开,得到了描述小振幅孤波的伯格斯方程。基于伯格斯方程研究了尘埃声孤波的基本特性,发现尘埃颗粒的强耦合效应对尘埃声孤波有很大的修正作用。该研究结果有助于理解尘埃空间等离子体中局域波的一些特性。     

基于温度梯度分布的宽频带声聚焦效应

研究基于温度梯度分布的宽频带声聚焦效应. 利用两个恒温热源产生的温度梯度分布, 控制声波传播路径, 实现声波聚焦效应. 该机理源于温度场连续变化引起声折射率连续变化, 无反射能量损失, 具有宽频带及高聚焦性能等优点. 在此基础上, 分析入射声源频率、热源温度、分界面空间分布、热源位置、介质的衰减系数、热源温度不对称分布等因素对声聚焦性能的影响, 利用气凝胶材料验证单一介质中基于温度梯度分布的声聚焦系统的可行性.     

几种非光学显微镜介绍

电子显微镜（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ） 电子显微镜是一种利用电子束照射物体并形成像的非光学显微镜．电子束通过作为电子折射媒质的静电透镜或磁透镜进行聚焦,通过加速电压,能够产生波长比普通光要短若干倍的电子波．根据显微镜原理,波长愈短,其分辨本领愈大．所以电子显微镜的放大倍数是普通光学显微镜的放大倍数的几千至数十万倍．电子显微镜一般有：透射电子显微镜、扫描电子显微镜和发射式电子显微镜等多种．透射电子显微镜的原理如图１所示． 它由以下几部分构成：产生等速电子束的电子源,把电子集中在样品上的…     

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研究了强耦合尘埃等离子体的尘埃声波的线性色散关系和尘埃声孤波的非线性传播。考虑一个包含电子、离子、正电扰动尘埃颗粒的完全电离的三成分模型等离子体。假定其电子、离子数密度服从玻尔兹曼分布,而大质量的尘埃成分用一组经典流体方程描述,对系统方程进行线性化,得到了尘埃声波的线性色散关系,发现离子的集中参数对色散关系的影响很大。用约化摄动法对系统方程进行展开,得到了描述小振幅孤波的伯格斯方程。基于伯格斯方程研究了尘埃声孤波的基本特性,发现尘埃颗粒的强耦合效应对尘埃声孤波有很大的修正作用。该研究结果有助于理解尘埃空间等离子体中局域波的一些特性。     

光声显微镜——热弹波的一种应用

当物体某部分温度起伏时,发生热弹振动并发射弹性波,称为热弹波(Thermal wave或Thermoelastic wave)。热弹波的应用是很广泛的。热能的变化可以是不同类型的能量转换而来,不同形式的能都有可能成为热弹波的能源,其中光能是很早以前就被发现并用作热弹波的能源的,最近又有用扫描电镜的电子束作能源来照射样品产生热弹波从而成像的实验,因而,除电镜显微像外,同时又获得一种新信息——热弹像。 一束强度被调制的光束照射在样品上,产生频率与调制频率相同的声波(即热弹波),这一现象称为光声效应(Photoacoustic effect)。当然光能变为声能的过程中是经过了热能这个阶段的,而且反映了样品的吸收光谱特性。早期光吸收谱的研究仅限于透光物质,自1880年光声     

弱相对论等离子体横向扰动下的离子声孤波

在低阶近似下，得到了描述无磁场相对论热离子等离子体的KP(Kadomtsev-Petviashvilli) 方程.研究表明，相对论热离子等离子中的非线性离子声孤波在高阶横向拢动下是稳定的， 且在相对论热离子等离子体中仅存在压缩型孤波. 关键词： 离子等离子体 孤波 声波 约化摄动法     

Rijke管自激热声振荡的数值模拟

为了对热声不稳定的发生及控制机理进行研究,对Rijke管内的自激热声振荡现象进行了数值模拟。采用具有低频散低耗散特点的计算气动声学方法,对带有非线性热源项的声波方程进行数值求解,并比较了不同的热源模型及边界条件对非线性效应的影响。结果表明,计算气动声学方法可以成功捕捉到Rijke管内压力的起振过程,而且在速度扰动达到平均流速度的1/3时,振荡会由线性增长转为非线性增长,最终达到有限幅值极限循环。相比热源项,考虑管口辐射耗散的非线性边界条件在振荡幅值和频谱方面对结果的影响都比较小。数值模拟得到的结果与实验符合较好,表明计算气动声学方法适合于热声振荡问题的研究。     

热波成像技术及应用

 热波成像技术是人们根据热波形成的机理,并与现代扫描电镜实验技术相结合而进行的一种显微成像技术。该技术对物质表面和亚表面缺陷进行非破坏性无损检测具有独特的优越性。一、热波成像技术的物理过程热波成像技术按其检测信号方式的不同,可分为两类:第一类为气体传声器光声检测系统,第二类为压电光(电子)声检测系统。气体传声器光声检测系统使用得最早,也最为普遍。在这里,用于热波成像的光源是经过聚焦的激光束,当强度受到调制、且经过聚焦的一束激光通过透明窗口照射在密闭空腔内的试样上时,试样吸收光能,并把光能转变为热能,热能以热波的形式出现,从样品内部传播到样品的表面上.     

声子和温度对球型量子点中极化子性质的影响

采用求解能量本征方程、幺正变换及变分相结合的方法,研究声子和温度对球型量子点中极化子性质的影响.数值计算表明,声子效应导致极化子的基态能量低于电子能量,且极化子基态能量随电子-声子耦合强度的增大而降低.数值计算还表明,当温度较低,使得电子热运动能量小于声子能量时,声子不会被激发,极化子的基态能量不随温度的变化而变化;在温度较高,使得电子热运动能量大于声子能量时,电子和晶格热运动加剧,更多的声子被激发.极化子的基态能量随温度的升高而增大.     

声波和由电子粘滞性和声子粘滞性所引起的位错阻尼

在完美晶体中,声波只能同横过晶体的其它类型的波,即声子(热波)和电子或空穴,发生相互作用。在金属中业已证明:声波的衰减是由于相邻平面间电子动量的交换——粘滞效应——所引起的,其有效粘滞性等于     

光热反射技术测量表面下微尺度热结构

采用周期半导体激光为加热源,连续半导体激光为探测光,光学显微镜物镜聚光,应用稳态的光热反射探测技术得到相应于表面温度响应的周期反射信号,建立一套5～10微米分辨率的实验室用测试系统.利用光刻的形式,制作了掩埋在金属表面下si基体中的SiO2的图形,分别使用不同频率对其进行-维扫描,在合适的频率下得到被埋藏物的信息,实现微米量级简单结构复合试样的热结构测量.     

对含有非热力学平衡离子的尘埃等离子体中孤波特性的理论研究

得到了描述由尘埃颗粒电荷变化、非热力学平衡分布的离子和Boltzmann分布的电子组成的未磁化的热尘埃等离子体中的尘埃声波的修正的KdV (mKdV) 方程. 并对诸多的尘埃等离子体参数对尘埃声孤波结构的影响进行了理论研究，结果表明，尘埃等离子体参数决定着尘埃声孤波结构，且只在这些参数特别选定的一些区域，才会出现稳定的孤波. 关键词： 非热力学平衡离子 尘埃颗粒电荷变化 尘埃声孤波     

Rijke管自激热声振荡的数值模拟

为了对热声不稳定的发生及控制机理进行研究,对Rijke管内的自激热声振荡现象进行了数值模拟。采用具有低频散低耗散特点的计算气动声学方法,对带有非线性热源项的声波方程进行数值求解,并比较了不同的热源模型及边界条件对非线性效应的影响。结果表明,计算气动声学方法可以成功捕捉到Rijke管内压力的起振过程,而且在速度扰动达到平均流速度的1/3时,振荡会由线性增长转为非线性增长,最终达到有限幅值极限循环。相比热源项,考虑管口辐射耗散的非线性边界条件在振荡幅值和频谱方面对结果的影响都比较小。数值模拟得到的结果与实验符合较好,表明计算气动声学方法适合于热声振荡问题的研究。      

新型高分辨率电子能量损失谱仪与表面元激发研究

高分辨率电子能量损失谱仪利用单色平行电子束入射样品表面,与表面吸附基团的化学键振动、表面声子、电子及其集体激发模式等相互作用而被散射,通过分析散射电子的能量和动量,可以测量表面化学键、晶格动力学、电子态占据以及表面等离激元等的精确信息,是表面科学研究的有力工具.最近,能够对电子能量、动量做二维成像探测分析的半球形电子能量分析器被引入电子能量损失谱仪,实现了高能量、动量分辨率的高效率测量.在对FeSe/SrTiO_3界面超导增强物理机制的研究中,不同厚度的FeSe膜表面的电子能量损失谱表明衬底光学声子产生的偶极电场能够穿透到薄膜内部,诱导较强的电子-声子耦合作用,从而增强薄膜中电子的配对作用,进而使超导转变温度显著提高.三维拓扑绝缘体Bi_2Se_3表面大动量范围的电子能量损失谱还显示出一支奇异的电子集体激发模式,其色散特征不受晶格周期性的限制,而且其寿命和强度几乎不随动量的增加而衰减.这说明在拓扑绝缘体表面,不仅是狄拉克电子态本身,其集体激发也受到拓扑保护.充分发挥新型电子能量损失谱仪观测表面元激发分辨率高、动态范围大的优势,将有力地推动表面界面凝聚态物理问题研究的深入和发展.     

北极水下声信号跨冰层变化分析

北极海冰阻碍了海水和空气两个空间的信息传输。为获得冰层对水下声信号跨冰层传输的影响,采用三维检波器在北冰洋中心区开展了水下声信号的跨冰层实验。利用水冰界面反射模型和自由冰层Lamb波模型,对水下声信号小角度(小于10°)入射冰层时测量数据进行分析,结果表明:(1)20 Hz~1 kHz声信号入射到光滑冰层时,某些频率声波的反射率会明显降低,其中93%的反射率低点超过-10 dB,有的甚至会达到-20 dB以上。(2)冰层反射率低点对应的频段声波,能被冰层上方检波器接收到,并显示出较强的合振速谱,且与该站位自由冰层模型中同时产生的A2和S2模态Lamb波在频段上相符。这些结果可为跨冰层水声信号拾取和水声传播研究提供参考。      

有限温度下正常金属/d波超导体结的隧道谱中的零偏压电导峰

在Blonder-Tinkham-Klapwijk(BTK）理论框架下，通过求解Bogoliubov-de Gennes(BdG)方程，计算了考虑界面粗糙情形的正常金属／d波超导体结的零偏压电导峰值。研究表明：正常金属／d波超导体结的零偏压电导峰值随结的温度升高而降低，并强烈地依赖于d波超导体的晶轴方位和界面粗糙强度。