In Situ Observation of Crystal Growth by Scanning Electron Microscopy

Formation Mechanism of Secondary Electron Contrast of Graphene Layers on a Metal Substrate

“…On the other hand, in contrast to LEEM for which the image formation mechanism is well understood, 16 the formation mechanism of secondary electron (SE) images of atomic-layered material is complex and thus poorly understood. 17 Considering the weak interaction between primary electrons and the atomic-layered material, the direct SE emission from graphene should be much smaller than that from the substrate. Nevertheless, monolayer graphene can be clearly imaged.…”

“…Although in situ imaging of graphene segregation can be nicely performed by low energy electron microscopy (LEEM), − SEM is capable of in situ observation of graphene CVD with introduction of hydrocarbon or alcohol gases, which is unsuitable for LEEM because of a high voltage applied to the specimen. On the other hand, in contrast to LEEM for which the image formation mechanism is well understood, the formation mechanism of secondary electron (SE) images of atomic-layered material is complex and thus poorly understood . Considering the weak interaction between primary electrons and the atomic-layered material, the direct SE emission from graphene should be much smaller than that from the substrate.…”

Multi-scale Crystallization Materials: Advances in in-situ Characterization Techniques and Computational Simulations

“…的作用 [1] 。我国人工晶体材料的研究开创于 20 世纪 50 年代中期，经历从无到有、从实验室研发到大规 模产业化，进展相当迅速 [2] 。近年来，随着高新技 术的飞速发展，获取大尺寸、高品质晶体材料已成 为制约相关行业发展的瓶颈。2021 年，中国科学技 术协会在第二十三届中国科协年会闭幕式上发布了 10 个对科学发展具有导向作用的前沿科学问题。其 中中国科学院深圳先进技术研究院提出的"如何突 破大尺寸晶体材料的制备理论和技术？"成为十个 前沿科学问题之首，说明大尺寸晶体材料制备方面 的基础科学问题成为制约该行业快速发展的重心 [3] 。 晶体材料结晶是一个物质发生相变的复杂过程 [4] 。晶体材料结晶生长的典型方法，包括气相、溶 液和熔体法，均涉及到了籽晶在生长界面处的成核 和生长过程 [5] 。晶体生长过程涉及复杂的物理和化 学问题，大尺寸晶体的生长更涉及到不同尺度上的 相变、界面变化、缺陷形成与增殖机理。在工业生 产层次，亟需根据晶体生长原理和技术建立可靠的 结晶工艺，设计可计量的智能化、数字化晶体生长 装备。通过化学、物理学、数学、材料学和工程等 相关领域科学家的共同努力，提出了晶体平衡形态 理论、界面理论模型、结晶生长的化学键合理论等 来解决晶体生长过程中工程问题。材料结晶模型是 以相图为基础，确定材料的组成与相关物理化学参 数，结合材料结晶理论和生长方法共同实现大尺寸 晶体材料制备 [6] (GB/T 39131-2020) [7] 中规定了部分晶体和生长机理 的定义，例如： [8][9] (图 1)。 图 1 由结晶生长的化学键合理论创新的快速晶体提拉生长 技术所制备的 Ce: LYSO 闪烁晶体 [9] Fig. 1 Ce: LYSO scintillation crystals prepared by the innovative fast crystal lifting growth technique of the chemical bonding theory of crystalline growth [9] 2 原位显微技术研究晶体生长过程 2.1 原位光学显微镜 原位光学显微镜常用于观察生长过程中晶体形 态的变化 [10] ，或是晶体生长界面形貌的演变。如观 测 KDP 在玻璃表面生长的枝晶形貌(图 2)，由此可 以探究晶体生长速率的影响因素 [11] ，且原位光学显 微镜也可以用于高温环境下的原位监测。光学显微 成像测量技术的空间分辨率较低，因此光学显微镜 目前常与其他原位表征技术相结合，从而获取到更 多结晶信息。 图 2 KDP 生长原位光学显微镜结晶图像 Microscopy)使用卤素灯作为加热源，具有快速升温 (1200 K/min)和降温(3000 K/min)功能。近年来，高 温激光共聚焦扫描显微镜被用来原位研究高温熔体 的结晶和生长行为，例如不同气氛、不同降温速率 条件下的凝固和相转变机制 [12] 。 2.2 电子显微镜 扫描电子显微镜(Scanning electronic microscopy, SEM)是材料研究的主要表征手段，相比较光学 显微镜可以在更小尺度观测材料特征。通过合适的 结晶腔室设计，SEM 可以原位观测到晶体生长过程 的界面形貌和形态转变，帮助探究晶体成核与生长 机理。 利用原位 SEM 观察分子束外延砷化镓和硅生 长的初始阶段，可以显示 10 nm~100 m 宽范围内 的原子台阶和二维岛。成功观测了取决于吸附原子 扩散长度和台阶尺寸的不同生长模式，真实空间图 像分为二维岛成核、台阶流和不稳定台阶流 [13] 。通 过环境 SEM 观测到六方冰晶在过饱和水蒸气环境 中通过台阶生长形成。这些台阶来自两个不同的起 源，即螺钉位错位和初始台阶 [14] 。但是受限于技术 限制，用 SEM 观测高温熔体结晶过程还鲜有报道。 透射电子显微镜(Transmission electron microscope, TEM)比 SEM 具有更高的电子能量，可以做 到原子分辨率表征 [15] 。 相较于原位 SEM， 原位 TEM 可以获取更多的微观信息。该技术在溶液法纳米材 料结晶机理研究得到了广泛应用，但对高温熔体结 晶研究相对较少 [16] 。采用 HRTEM(High Resolution Transmission Electron Microscope)观察了浮区硅熔 融凝固过程中的结晶行为，发现了在高温下形成的 点缺陷簇 [17]…”

Microscopic Analysis of Graphene and Carbon Nanotube Growth

“…An observation method capable in a gas environment at high temperatures is necessary for nanocarbon materials. We have employed scanning electron microscopy (SEM) for the observation of monolayer growth and sublimation on various material surfaces [1]. SEM is advantageous in the wide field of view ranging up to millimeter, and capability of gas introduction in the observation chamber.…”