日本国立先进产业技术研究院 (AIST) 纳米系统研究所（所长：Tomohiko Yamaguchi）动态过程模拟小组组长宫本 Yoshiyuki Miyamoto（所长：Tamotsu Nomakuchi）开发了一种计算方法来预测氦离子显微镜 (HIM) 拍摄的图像，并将这种预测方法应用于石墨烯的图像，石墨烯是开发纳米级器件的重要材料，与中国四川大学的张宏教授和西班牙巴斯克大学的 Angel Rubio 教授合作。计算阐明了获得石墨烯晶格图像所需的 HIM 分辨率。
HIM可以使用低剂量的氦离子束对材料进行无损成像，同时可以使用较高剂量的氦离子束处理材料。目前的研究将一种计算方案应用于 HIM，并展示了在不久的将来进一步提高 HIM 图像分辨率的可能性。这一结果将有助于纳米设备不可或缺的材料的开发。
这项研究的详细信息将发表在物理评论信美国物理学会于 2012 年 12 月 28 日发布。
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| （左）HIM 示意图，（右）通过模拟预测的石墨烯晶格的 HIM 图像 |
HIM 通过检测氦离子碰撞发射的电子来拍摄图像。与扫描电子显微镜 (SEM) 类似，HIM 可以对器件结构中制造的样品进行无损成像，并拍摄比 SEM 测量的图像质量更高的图像。然而，HIM成像的原理以及分辨率的极限尚不清楚。因此，HIM成像原理的理论研究值得期待。
在这项研究中，采用一种基于时间相关密度泛函理论的实时电子动力学计算技术，通过用动能为 30 keV 的氦离子束照射一个石墨烯层来计算电子发射量。计算是在六个离子束照射点 A-F 上进行的，如图 1 所示。
根据第一原理模拟，发射电子量按照图1所示的A到F（氦照射点）的顺序增加。图2（a）显示了石墨烯的模拟HIM图像，该图像是通过根据照射点对计算的发射电子量进行插值而获得的。图2(b)显示了石墨烯电子密度分布，与模拟的HIM图像显示出很强的相关性。
假设模拟的HIM图像与电子密度分布相似，则可以使用通过实验获得的HIM图像来分析材料结构。图2是假设氦离子束直径为氦核直径，即无尺寸点的模拟结果。另一方面，目前可用的氦离子束的半径相当于有效氦原子半径的三倍，通过在图2（b）所示的电子密度分布中引入“展宽”，可以将其包含在模拟的HIM图像中。
图 3 显示了根据石墨烯带边缘的电子密度分布近似得出的 HIM 图像。将对应于氦离子束直径一半的高斯展宽 (Δr) 应用于电子密度分布以近似 HIM 图像。左图是通过假设氦离子束的超细直径与氦核相对应而获得的近似值，显示了原子分辨率。右图是假设现有氦离子束的直径，石墨烯带的中心部分显示出均匀的电子发射，而边缘部分显示出平坦的图像，电子发射逐渐减少。同时，中心图像是通过假设氦离子束直径稍窄来模拟的，尽管无法达到原子分辨率，但可以显示出石墨烯的蜂窝状晶格图像。这一结果表明，使用直径小于现有光束直径的氦离子束可以观察到石墨烯晶格。
氦离子与样品碰撞时电子发射的机制被认为是伴随氦离子中和的过程或伴随碳原子中核心电子激发的过程。然而，目前的模拟表明，氦离子穿过石墨烯的中和概率较低，因为其速度太快。实验测量和报告的发射电子的动能约为几个 eV，太低而无法激发碳原子的核心电子。因此，上述机制不太可能出现。目前的计算结果表明氦离子的碰撞电离导致二次电子发射。