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电子束辐照致荷电效应的Monte Carlo模拟研究

李超  
【摘要】:荷电效应起源于样品内部的电荷积累,常见于使用电子束探针技术对绝缘体材料进行表征的实验中。其可以在很大程度上影响实验测量结果,进而使获取材料的真实性质变得困难甚至不可能。荷电效应已引起人们的广泛关注,有必要对其进行系统研究。然而,荷电效应的形成涉及电子输运、电荷捕获等复杂的物理过程,仅仅依靠实验手段不足以全面揭示其特性。本论文旨在使用Monte Carlo方法从理论层面对由电子束轰击引起的绝缘体荷电效应进行研究,以期弥补实验研究不足,加深人们对荷电效应的认识。本论文的研究内容主要包括以下几个方面:1、构建了可用于分析形貌和结构较为复杂的样品构型的荷电效应的Monte Carlo模型。已有的Monte Carlo模型研究的大都是简单的半无限大样品构型或复杂度十分有限的样品构型,很难直接应用于复杂度较高的样品构型。因此,本文提出的模型扩大了 Monte Carlo方法在荷电效应研究中的应用范围。模型使用有限元三角形网格方法构建样品构型,通过将形状不一、数目不等的平面三角形覆盖在构型表面,可以勾勒出构型的任意复杂形貌。在追踪电子输运时,使用Mott截面描述电子弹性散射,使用介电函数方法描述电子非弹性散射,其中介电函数是由多个Lorentz振子组合而成。同时,考虑低能电子与光学纵波声子之间的相互作用。待电子能量降至截止能时,便停止追踪。模型进一步考虑了这些能量损失殆尽的电子以及空穴在电场力作用下的漂移,直至这些电荷被捕获。另外,构型复杂度的增加也为获取空间电势带来一定困难,为此发展了一套可用于获取复杂构型空间电势的自洽迭代方法。该模型已被成功应用于多个复杂构型绝缘体样品的荷电效应的模拟。同时,还研究了荷电效应在纳米操控领域中的实际应用,模拟发现荷电效应是对嵌于液态水层中的Pd颗粒进行纳米操控的物理基础。(第3章)2、研究了二次电子峰位偏移方法在表面电势测量中的应用。表面电势是荷电效应中的一个十分重要的物理量,但不易测量。二次电子峰位偏移方法是一种较为适于测量表面电势的实验方法。本项内容旨在对该方法进行较为全面的研究,以期澄清荷电效应对出射电子能谱的影响以及该方法的适用范围。这里所使用的模型是在第3章模型的基础上进行了一定的改进而得到。计算中使用了依赖于电场的电荷漂移速度和电荷捕获截面,考虑了低能二次电子的捕获以及已被捕获电荷的脱捕获。在正荷电效应中,二次电子峰向低能端移动,对应于正表面电势;在负荷电效应中,二次电子峰向高能端移动,对应于负表面电势。该方法更加适用于负表面电势的测量,而在测量正表面电势时,仅适用于二次电子峰强度最高点尚未偏移至负能量区间的阶段。(第4章)3、研究了由电子束轰击所造成的样品内部的电荷分布。样品内部的电荷分布是荷电效应的根源,研究电荷分布有助于更加深入地认识和理解荷电效应。同时,只有获取了样品内部的电荷分布,才可以更加合理地应用现有的以及发展新式的减弱或消除荷电效应的实验方法。本项内容使用与第4章一致的模型,计算结果表明,样品内部的正电荷主要分布在中心区域,而负电荷主要分布在外围区域。同时,沿着电子束的轰击方向,自上而下出现了六个正负相间的电荷层。电荷层大体与样品表面平行,且每层的厚度约为0.1 μm。由具体分析可知,最上方电荷层主要由二次电子发射导致,最下方电荷层主要由初级电子沉积导致,中间的电荷层主要由电荷漂移导致。电荷层的数目和分布范围不随电子入射能量的增加而改变。究其原因,在负荷电效应中,具有不同入射能量的电子在到达样品表面时将被减速至相近的有效入射能量。(第5章)4、研究了二次电子的动态发射特性。本项内容旨在获取初级电子入射进入样品之后二次电子发射所持续的时间长度以及澄清在不同时刻发射的二次电子的发射能量、发射深度、发射角度、表面发射位置和内部激发位置的分布有何不同。计算中,使用Mott截面描述电子的弹性散射,使用介电函数方法描述电子非弹性散射,其中电子能量损失函数是由FPA方法计算得到。计算结果表明,二次电子发射所持续的时间长度仅为几fs。基于这样极其有限的时间长度,在荷电效应计算中静态处理二次电子发射(假定二次电子在初级电子入射进入样品的瞬间即完成发射)不会对计算结果产生明显影响。同时,相较于较晚时刻发射的二次电子,较早时刻发射的二次电子具有更高的能量、更浅的发射深度、更局域的表面发射位置和内部激发位置。但是,发射角度并未呈现出任何的时间依赖特性,在整个二次电子发射过程中,发射角度始终服从余弦定律。计算结果除了可以澄清荷电效应计算中的相关问题外,还可以为改进现有的以及发展新式的时间分辨扫描电子显微镜提供理论指导。(第6章)


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