电子全息原理及实验简介

        离轴电子全息是基于相干干涉原理进行相位成像的技术，其光路示意图如图1所示，在平面波入射的TEM模式下，穿过样品的物波和穿过真空区域的参考波在电子双棱镜的作用下偏转并发生干涉，在探测器上形成干涉条纹图样，即得到电子全息图1。

        随后，可通过数值重构算法从全息图中提取振幅和相位信息，具体做法如图2所示：对全息图做傅里叶变换得到二维频率域信息，得到一个中心带（Center band）和两个边带（Side band），分别代表图像波的傅里叶变换及其复共轭；选取其中一个边带并进行反傅里叶变换可以获得完整的物波振幅和相位信息。为了补偿由TEM透镜和电子双棱镜引起的微弱相位畸变，需要在无样品的真空区域同步记录参考全息图。

        最终得到的重构相位信息反映了样品中电磁场信号引起的电子相移φ(x, y)，其表达式为

        V(x,y,z)为静电势，A(x,y,z)为磁矢势，z平行于电子束入射方向，CE为取决于入射电子速度的相互作用常数。如果样品主要表现为静电作用，那么电子相移主要反映样品内部和周围的静电势分布；如果样品具有磁性，电子相移还会包含与磁场/磁感应分布相关的信息。正因如此，离轴电子全息能够将常规显微图像中难以直接呈现的“无形电场”和“无形磁场”可视化、定量化。

        从实验角度来看，静电双棱镜是全息实验的关键元件，通常为一根直径数百纳米的表面镀金石英细丝，在外加偏压的情况下，石英丝与接地的电极间产生空间电场，经过双棱镜丝两边的电子受电场的影响产生偏转，并在双棱镜的下方干涉，该干涉条纹经后级透镜放大并最终作为离轴全息图被电荷耦合器件相机记录。电子全息实验依赖于高相干电子源、稳定的TEM平台以及高质量薄样品，以确保干涉条纹的清晰度与相位记录的准确性。因此，一般采用场发射电子源进行实验。同时，高质量TEM样品的制备不仅要求足够薄，还要尽量减少污染、表面氧化、制样损伤和充电效应。对于半导体器件这类对电势极为敏感的对象，样品制备和实验条件往往直接决定最终结果是否可信。

电子全息应用案例

案例一：MOSFET内部结区电势分布测量

        离轴电子全息在半导体领域最重要的应用之一就是测量器件中的结区电势分布。例如，在PN结、异质结和纳米晶体管结构中，研究者可以利用重构得到的相位图，定量提取电势剖面，从而判断结区位置、内建电场强弱以及掺杂变化带来的局域势垒差异。图3（a）为典型MOSFET结构经电子全息实验后重构得到的相位图，绿色区域展示了金属栅下方高掺杂漏区的电势分布2。通过分析等相位线特征，可以定量提取扩展区/源漏极结位置、金属栅长度以及漏区横纵向电场差异3，这意味着TEM能从简单的工艺结构尺寸测试转化为电学有效尺寸的直接测量。

案例二：MOSFET结区二维电势演化的原位观测

        除了静电势分布测量之外，器件在工作状态下的真实电势分布测量也十分重要。将电子全息实验与原位电学样品杆复用，能够从实验上观测沟道、源漏附近的二维电势演化4。实验示意图如图4（a）所示，通过将钨探针的样品杆，在 TEM 中对栅极和漏极加偏压，观察MOSFET 截面二维静电势分布。如图4（b）所示，外加栅压Vg改变沟道处相位的深度剖面，从而引起相位分布的变化，通过实验结果可判断沟道表面处于积累、耗尽还是反型的状态。如图4（c）施加漏极电压使漏区的相位差相对于源区增大，显著改变了器件内部电势分布，即外加漏极电压会产生对沟道势垒的削弱。这类方法未来可用于功率器件、存储单元等器件在不同工作模式下的原位分析。

        常规TEM测试能够给出样品的基础形貌、物理尺寸、元素等相关信息，离轴电子全息技术能进一步给出样品内部及周围电磁场分布，将原本不可见的相位信息转化为可分析、可定量的图像，因此在半导体、低维纳米结构和磁性材料研究中具有独特价值。随着原位偏压、原位磁场和三维重构技术的发展，离轴电子全息正在逐渐从静态测量走向动态演化实验的功能测试平台。

参考文献：

        [1] Ultramicroscopy 2019, 198, 58–72.

        [2] IEEE Trans. Mater. Electron Devices 2024, 1, 136–150.

        [3]IEEE Trans. Electron Devices 2007, 54 (12), 3336–3341.

        [4]2011 International Electron Devices Meeting; 2011; p 6.2.1-6.2.4.