电子束诱导二氧化碲结构损伤的机制研究与阈值效应分析

研究人员针对α-TeO2在300kV电子束照射下的不稳定问题，通过HRTEM和EELS技术系统研究了其损伤机制，发现STEM模式下存在45pA的损伤阈值电流，并揭示充电效应是绝缘材料损伤的主因，为电子显微学研究提供关键参数优化依据。

　　

在材料科学和电子显微学领域，电子束诱导损伤一直是制约高分辨率观测的关键瓶颈。以二氧化碲(TeO₂)为代表的绝缘材料因其独特的声光特性广泛应用于光学器件和辐射探测器，但这类材料在电子显微镜下的异常不稳定性长期困扰着研究人员。日本冲绳科学技术大学院大学(OIST, Okinawa Institute of Science and Technology)的科研团队在《Micron》发表的研究，首次系统揭示了α相二氧化碲（paratellurite）在300kV电子束照射下的损伤机制图谱。

研究采用聚焦离子束(FIB)制备[001]晶向的α-TeO₂薄膜样品，通过电子能量损失谱(EELS)精确测定155±6 nm的电子平均自由程，建立厚度测量基准。结合高分辨透射电镜(HRTEM)和原位电子能量损失谱分析，发现损伤行为呈现三种模式：完全刻蚀、还原为单质碲或保持稳定。特别值得注意的是，在扫描透射模式(STEM)下观察到45pA的临界电流阈值，低于该值时不产生显著损伤；而在透射模式(TEM)中，损伤优先发生在束流边缘区域和较厚样品区域。

关键结果包括：1）通过平均自由程测量章节建立厚度-损伤相关性模型；2）在讨论章节揭示充电诱导电场(DIEF)是主导损伤机制，符合Knotek-Feibelman理论预测的电子刺激脱附过程；3）结论部分证实不同照明模式（TEM/STEM）会产生显著差异的损伤形貌，其中TEM模式会形成碲氧化物与单质碲的稳定网络结构。

这项研究的重要意义在于：首次量化了TeO₂电子显微研究的安全操作窗口，为后续原子尺度表征提供参数指导；提出的充电效应主导机制对理解其他绝缘氧化物损伤具有普适性参考价值；发现的阈值效应为开发抗辐射器件材料提供新思路。研究获得Acrorad公司和西门子医疗的资助，相关成果可直接应用于碲基辐射探测器的可靠性优化设计。