独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）纳米系统研究部[研究部主任 Tomohiko Yamaguchi] 动态过程仿真研究组 Yoshiyuki Miyamoto 该研究组组长与中华人民共和国四川大学张宏教授和西班牙巴斯克大学 Angel Rubio 教授合作氦离子显微镜 (HIM)开发计算技术来预测图像并在纳米器件开发中发挥重要作用石墨烯的观察使用这种计算技术，我们模拟了石墨烯的 HIM 图像，并确定了观察石墨烯晶格图像所需的 HIM 分辨率。
HIM可以通过减弱离子束强度在不破坏样品的情况下对样品进行成像，并且可以通过增加离子束强度来处理样品。在这项研究中，我们对这个问题进行了模拟，并证明了在不久的将来捕获高分辨率图像的可能性。该结果预计将有助于构成纳米器件的材料的开发。
有关该技术的更多信息，请参阅《美国物理学会杂志》物理评论信2013 年 1 月 4 日杂志。
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| （左）氦离子显微镜概念图，（右）通过模拟预测的石墨烯晶格图像 |
HIM 根据样品与氦离子碰撞后释放的电子强度来拍摄图像。与扫描电子显微镜（SEM）类似，可以在不破坏器件结构内部的情况下观察其内部的样品，并且可以获得比SEM更清晰的图像。然而，HIM成像原理的机制尚未阐明，如何提高高分辨率尚不完全清楚，因此有待理论研究。
AIST 是最早引入 HIM 的公司之一，并将其应用于石墨烯器件的观察和处理（2012 年 9 月 25 日、2012 年 12 月 11 日AIST 新闻稿）。另一方面，第一原则这次，我们将该计算技术应用于作为材料/器件评估技术而受到关注的HIM。 AIST 负责数值计算，并使用地球模拟器进行计算。
这项研究和开发是日本海洋地球科学技术机构地球模拟器中心的公共项目“碳纳米管特性的大规模模拟（代表：日本信息科学技术研究机构中村健）”的一部分。
这项研究是瞬态密度泛函理论模拟中直接数值计算电子运动的技术，数值计算了单层石墨烯受到动能为30 keV的氦离子照射时释放的电子量。对图 1 所示的各离子照射位置（A ～ F 的 6 个位置）进行了计算。
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图1 模拟中假设的氦离子照射位置(A-F)
白色圆圈表示石墨烯中碳原子的位置。 |
第一性原理计算表明，从图1中的A到F，石墨烯与氦离子碰撞后发射到真空中的电子数量增加。图2(a)显示了通过对计算出的电子发射量进行插值而获得的石墨烯HIM图像的模拟结果。图2(b)显示了石墨烯的电子密度分布，与模拟的HIM图像显示出很强的相关性。
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| 图2（a）模拟的HIM图像（b）石墨烯的电子密度分布 |
假设HIM图像与电子密度分布几乎相同，则可以从先前实验获得的HIM图像来分析材料的结构。图2显示了将氦离子束直径设置为与氦核尺寸（即，一个点）相同的模拟结果。目前的HIM光束直径的宽度与三个原子的有效半径相当，但通过在图2（b）中的电子密度分布中添加“模糊”，可以根据实际实验条件（即氦离子束直径）计算出HIM图像的近似值。
图3显示了要照射的氦离子束的直径高斯函数模糊电子密度分布Δ(delta)r石墨烯带边缘的 HIM 图像。左图与以氦核为点考虑光束直径时的理想近似相同，可以观察到石墨烯带边缘附近碳原子的排列。右侧图像是与当前 HIM 离子束直径对应的 HIM 图像的近似值。电子从石墨烯带的内部以均匀的强度发射，但发射的电子量朝边缘减少，并且预计带的边缘看起来几乎平坦。中央的图像是通过假设比当前的离子束直径稍小的来近似的，虽然无法观察到碳原子图像，但预测可以观察到石墨烯的蜂窝图案（晶格图像）。换句话说，这表明通过使光束直径小于当前光束直径来捕获石墨烯晶格图像的可能性。
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图3 通过改变离子束直径（大约4倍Δr）预测的HIM图像
蓝色箭头表示电子发射量最高的等高线。 |
氦离子是电子与氦离子碰撞后飞出的机制中和与碳原子相关的过程内层电子的激发。然而，模拟结果表明，穿过石墨烯的氦离子由于速度太快而被中和的概率很低。此外，实验报道的发射电子的动能约为几个eV，这不足以激发内壳层电子。因此，上述过程是难以想象的。这个数值计算结果是由于氦离子碰撞产生的碰撞电离可能是二次电子发射的机制。
未来，我们的目标是利用该模拟技术，为利用氦离子显微镜和利用该模拟技术的器件技术开发与纳米器件材料的质量相关的评估技术做出贡献。