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研究生: 陳一銘
論文名稱: 強度傳遞方程式對靜電場相位回復之研究
Phase Retrieval of Electrostatic Field by Using Transport of Intensity Equation
指導教授: 開執中
陳福榮
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 78
中文關鍵詞: 強度傳遞方程式靜電場材料平均內位能氧化鎂
外文關鍵詞: Transport of Intensity Equation, Electrostatic field, Mean inner potential of material, MgO
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  • 相位訊息對顯微鏡學一直是非常重要的,不論是在光學或電子光學的領域中,許多學者一直都在尋求方法來獲得相位訊息。而相位對於生物學家來說也是非常重要,如光學顯微鏡中最著名的Zernike相位板,它可以令原本對比不佳的生物試片不需經由染色,也可以利用相位對比來提升試片的清晰度。
    在電子顯微鏡中雖然也有一群人利用了Zernike相位板的概念,想要在電子顯微鏡中得到相位訊息,雖然在生物試片上有初步的成果,但是對於材料方面的使用還是有問題的。這時候電子全像術就是另一個較佳的選擇,因此有許多顯微鏡學家紛紛投入電子全像術的研究,使得這一技術也已經漸趨成熟。但電子全像術畢竟所費不貲,且試片製備不易等種種的缺點,最後才會有人再提出一堆非干涉式成像法的理論來進行相位回復的研究。
    電子全像術最令人滿意的並不僅僅在於相位影像的取得,而是相位影像中的相位變化量的可信度極高,這一部份就是目前非干涉式成像法所要追求的最終目的,因此在本論文中所訴求的就是相位定量的部分。另一方面到目前為止在非干涉式成像法的實驗中,實驗的對象都侷限在材料試片上,而僅在電子全像術有帶電探針靜電場量測的實驗。有鑑於此,我們在本研究中也試著將帶電探針靜電場當做實驗對象,並得到不錯的定性結果,而定量部分也與模擬的結果差不多;而且我們更進一步的將這個方法應用到氧化銦奈米線,也一樣得到還不錯的結果。
    因此透過本實驗的研究,相信這個方法往後可以應用不僅在靜電場量測方面,甚至於加以改良後,可以應用於奈米線的場發射效應觀察。


    目錄 頁次 目錄 ………………………………………………………………. I 表、圖目錄 ……………………………………………………… IV 第一章 前言 ……………………………………………………… 1 1.1 背景及動機 ………………………………………………. 1 1.2 研究目的 …………………………………………………. 2 1.3 研究方法 …………………………………………………. 2 第二章 文獻回顧 ………………………………………………… 3 2.1 相位的基本性質介紹 ……………………………………. 3 2.2實空間中的電子波相位變化來源 ……………………….. 4 2.3相位物與弱相位物 ……………………………………….. 5 2.4相位對比與振幅對比 …………………………………….. 6 2.5 相位回復的動機 …………………………………………. 7 2.6相位回復的方法 ………………………………………….. 8 2.6.1 硬體方面 …………………………………………… 8 2.6.2 軟體方面 …………………………………………… 11 2.7 電子全像術的靜電場量測實驗 …………………………. 13 第三章 理論背景、實驗儀器及方法 …………………………… 21 3.1 理論背景 ………………………………………………… 21 3.1.1 相位回復 …………………………………………… 21 3.1.2 強度傳遞方程推導 ………………………………… 22 3.1.3 強度傳遞方程的Poisson形式及快速傅立葉轉換近似解 ………………………………… 24 3.2 相位訊息的來源 …………………………………………. 26 3.3 實驗設備 …………………………………………………. 27 3.3.1 穿透式電子顯微鏡 ………………………………… 27 3.3.2 即時掃描穿遂式顯微鏡 …………………………… 27 3.4 實驗方法 …………………………………………………. 29 3.4.1 試片製備 …………………………………………… 29 3.4.2 實驗流程概述 ……………………………………… 30 第四章 實驗結果與討論 ………………………………………… 38 4.1 模擬的影像及相位回復結果 ……………………………. 38 4.1.1 模擬的模型建立 …………………………………… 38 4.1.2 模擬的回復結果 …………………………………… 39 4.2 氧化鎂內位能相位回復實驗 ……………………………. 40 4.2.1氧化鎂之觀測 ………………………………………. 40 4.2.2氧化鎂相位回復實驗過程 …………………………. 41 4.2.3氧化鎂平均內位能之估計 …………………………. 42 4.3 靜電場相位回復實驗 ……………………………………. 44 4.3.1 金探針的實驗與結果分析 ………………………… 44 4.3.1.1 定性方面的探討 ……………………………..... 44 4.3.1.2 相位分佈的模擬 ………………………………. 45 4.3.1.3 定量方面的探討 ………………………………. 47 4.3.2氧化銦(In2O3)奈米線的實驗與結果分析 …………. 48 4.3.2.1 定性的結果分析 ………………………………. 48 4.3.2.2 定量的結果分析 ………………………………. 48 第五章 結論 ……………………………………………………… 73 第六章 參考文獻 ………………………………………………… 75 表、圖目錄 頁次 表(4.1) 氧化鎂平均內位能估計之文獻整理 …………………… 72 圖(2.1) 振幅與相位及相位差的定義 …………………………… 14 圖(2.2) 相位差的概念 …………………………………………… 15 圖(2.3) Aharonov-Bohm效應示意圖 …………………………… 15 圖(2.4) 同軸電子全像術示意圖 ………………………………… 16 圖(2.5a) 離軸電子全像術示意圖 ……………………………….. 16 圖(2.5b) 離軸電子全像術重建相位示意圖 …………………….. 17 圖(2.6) K. Nagayama等人製作的薄膜式相位板 ……………….. 18 圖(2.7) Matsumoto等人提出的靜電式相位板雛形設計 ………. 19 圖(2.8) 電子全像術的靜電場量測實驗結果 …………………… 20 圖(3.1) 強度分佈傳遞方程的基本概念示意圖 ………………… 32 圖(3.2) 穿透式電子顯微鏡數簡單裝置圖 ……………………… 33 圖(3.3) STM示意簡圖 …………………………………………… 34 圖(3.4) 奈米碳管在電子全像術下所拍攝得到的相位影像結果 ………………..……………………………………….. 35 圖(3.5) STM holder及TEM影像簡單示意圖 ………………….. 36 圖(3.6) TEM-STM設備 ………………………………………….. 37 圖(4.1) 模擬的振幅與相位影像影像 …………………………… 50 圖(4.2) 模擬的影像利用TIE/FFT回復後的結果 ……………… 51 圖(4.3) 動力學繞射造成的厚度條紋 …………………………… 52 圖(4.4) 氧化鎂晶粒[111]的系列欠焦影像 ……………………… 53 圖(4.5) 圖(4.4)的碳膜區域利用CTF校正欠焦值的結果 ……… 54 圖(4.6) 利用TIE/FFT相位回復的相位影像 ……….………….. 55 圖(4.7) 為 與 的量變曲線 ……………………………. 56 圖(4.8) 氧化鎂晶粒平均內位能結果 …………………………….. 57 圖(4.9) 金探針的系列欠焦影像 ……………………………….... 58 圖(4.10) 金探針外加電壓5V的正負欠焦值相減後的影像 ……. 59 圖(4.11) 金探針在不同外加電壓下相位回復的結果 …………... 60 圖(4.12) 2根長為 的帶電探針(紅色區域)在空間中相對位置的簡單示意圖 …………..……………………………………….. 61 圖(4.13) 金探針外加1V電壓下實驗與模擬比較的結果 …….... 62 圖(4.14) 金探針外加5V電壓下實驗與模擬比較的結果 ….…... 63 圖(4.15) 金探針外加1V電壓下實驗與模擬之等高線圖比較的結□G ….……………………………………………………... 64 圖(4.16) 金探針外加5V電壓下實驗與模擬之等高線圖比較的結□G ….……………………………………………………... 65 圖(4.17) 氧化銦奈米線的系列欠焦影像 ……………………….. 66 圖(4.18) 氧化銦奈米線在不同外加電壓下相位回復的結果 ….. 67 圖(4.19) 氧化銦奈米線外加70mV電壓下實驗與模擬比較的結果 ……………………………….……………………..... 68 圖(4.20) 氧化銦奈米線外加110mV電壓下實驗與模擬比較的結果 …………………………………………………...…... 69 圖(4.21) 氧化銦奈米線外加70mV電壓下實驗與模擬之等高線圖比較的結果 ….……………………………………………... 70 圖(4.22) 氧化銦奈米線外加110mV電壓下實驗與模擬之等高線圖比較的結果 ….……………………………………………... 71

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