电子束辐照致荷电效应的Monte Carlo模拟研究

发布时间：2020-11-22 06:19

　　 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)
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O469
【部分图文】：

?第１章绪?论???为背散射电子。如果电子束能量比较高且样品比较薄，那么电子束有可能穿透样??品而形成透射电子。将从样品表面出射的二次电子、俄歇电子和背散射电子收集??起来便可得到出射电子能谱，如图１．２［１］所示。??Ｉ－???ＢＳＥ?????－！?－??＾?！??ｚ?＼?｜?Ｐｌａｓｍｏｎ??＼?ｕ——ＡＥ?——Ｈ?ｌ〇ｓｓｅｓ?＼??＼１?／?＼????????，?１?■?Ｉ?—￣??〇?ＳＯ?ｅＹ?２ｋｅＶ?Ｅ＝ｅＵ??Ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ?—？??图１．２在电子束的轰击下，从固体样品发射至真空的二次电子、俄歇电子和背??散射电子的能量分布，即出射电子能谱［１］。??对于一般材料而言，二次电子在所有出射电子信号中占据较大比重，且其能??量普遍较低，可经验性地将出射能量低于５０?ｅＶ的电子看做二次电子。二次电子??大都产生于级联过程，这是其信号量多以及能量低的直接原因。由于二次电子??能量低，其发射深度通常比较浅：从金属和半导体发射的二次电子大都产生于表??面以下深度不超过ｌｎｍ的区域［２］；相比之下，绝缘体的二次电子发射深度更深??一些，这是因为绝缘体的表面发射势垒（电子亲和势）非常小，同时绝缘体中缺??少自由电子，降低了电子－电子相互作用的强度。尽管如此，绝缘体的二次电子??发射深度大都不超过几个ｎｍ［３］。这些非常浅的发射深度使二次电子对材料表面??形貌非常敏感。同时，二次电子的低能特性使其较为容易收集。以上特性使得二??次电子常被用作扫描电子显微镜的成像信号，即二次电子像。特征Ｘ射线和俄??歇电子这两类信号可被用于样品成分分析。但是，由于数量较少，俄歇电

?＊?＊？；？?—Ｓ／－－—??〇ｌ?ｌＡｌ????Ｉ?光＊—．……－１??捫象敗器屯＊??５５?肩—通＆一??－？？？■§?——二?ｒ?ｐ＾ｎ＼??ｎ锚吒期一?＾?ｒ—￣?／??１?Ｅｆ＝＾－ｉ?ｒ１－＾！?ｆｌ￣ｉ?＾???一?一Ｈ攆发?１．器?一??样?匚?屯了柬一＾物铕光＿???＿??Ｌ??????光电倍增管??＇?Ｖ??§?Ｉ??１?＋?匕?１?焫螃＿玫大秘木系统及电激系统??ＳＩ?丨样賴??图１．３扫描电子显微镜的组成结构示意图［９］。??１９００?Ｋ。同时，ＬａＢ６３具有较高的发射效率，其发射面积也要低于钨丝的发射??面积，约为２０?ｐｍ。这类的热发射源价格便宜，但是亮度较低，电子束能量均一??性较差。场发射电子枪是用有确定取向的单晶制备而成（如，钨单晶），并在针??尖上加一负偏压，等到表面处电场达到约１０?Ｖｎｍ－１量级时，电子发射势垒明显??降低，大量电子发射。场发射又可分为冷场发射和热场发射。前者仅依靠电场发??射电子，不需要对电子枪加温，但是针尖必须保持清洁，因此需要在高真空环境??中工作。后者需要对针尖进行加热，目的是为了保持针尖清洁，降低噪声和稳定??发射。表１．１给出了不同种类的电子枪之间的对比。电子束离开电子枪时束斑较??大，须借助电磁聚光镜减小其束斑。扫描电子显微镜通常具有三级电磁聚光镜，??前两级为强透镜，有效缩小束斑，最后一级为物镜，焦距较长。另外，为了降低??电子束的发散程度，每一级聚光镜都装有光阑，为了消除像散，还装有消像散??器。在三级电磁聚光镜的作用下，聚焦在样品表面的电子束束斑可降至亚ｎｍ量??

第１章绪?论??????ｒ???／?．：．．．．．：二…．．ｌ??—Ｔ??Ｃ＾ｒａｓｔｉｃ．?ｉ°＾）??ｓｃａｔｔｅｒ，ｎｇ??ｃａｓｃａｄｅ?ＳＥ＾－＾－ｔＣ?ｉｎｅｌａｓｔｉｃ??一ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ??图１．５电子在固体样品内部的输运示意图［１１］，整个输运过程可简化为电子所??经受的一系列弹性散射和非弹性散射。??同时，在一次散射中，可以根据Ｍｏｔｔ截面或基于基于介电函数的非弹性散射截??面获取电子的散射角度和能量损失［１３－１４］。在此基础上，即可使用Ｍｏｎｔｅ?Ｃａｒｌｏ??方法对电子在样品内部的输运过程进行逐步追踪，如图１．５［１１］所示。图１．６给出??了使用Ｍｏｎｔｅ?Ｃａｒｌｏ方法模拟得到的１０?ｋｅＶ入射电子在Ａｕ和Ｓｉ块材内部的运??动轨迹以及相应的散射位置在样品内部的密度分布。可以想见，使用解析方法??获取图１．６中的电子轨迹是极其困难的。在图１．６中，电子的运动轨迹和散射位置??分布都是左右对称的，这是由电子的垂直入射以及样品的半无限大构型导致的。??同时，在表面以下５０?ｎｍ深度范围内，电子在Ａｕ中的轨迹发生了明显的沿径向??的扩展，而在同一范围内，电子在Ｓｉ中的扩展却十分有限。这是因为Ａｕ的原子??序数更大，电子在Ａｕ中受到的弹性散射更为明显，以至于电子在Ａｕ中的运动??方向发生了更加明显的变化。这一实例展现了?Ｍｏｎｔｅ?Ｃａｒｌｏ方法有能力准确模拟??电子在固体样品内部的输运。??另一方面，电子在非弹性散射中损失的能量会转移给样品内的电子，并导致??１．１．１节中各种信号的激发。因此，在非弹性散射中添加适当的信号激发模型便??可对涉及二次电子、俄歇电子和Ｘ射
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘洪豪;刘贤喜;张开兴;卢山;Lee Heow Pueh;宋正河;;基于光传播Monte Carlo模拟的三维模型特征提取方法[J];光谱学与光谱分析;2020年02期

2 侯卫生;杨翘楚;杨亮;崔婵婕;;基于Monte Carlo模拟的三维剖面地质界线不确定性分析[J];吉林大学学报(地球科学版);2017年03期

3 李瑞莹;李枚楠;;基于Monte Carlo和启发式算法的网络可靠性分配[J];北京理工大学学报;2014年07期

4 马学俊;何晓群;;基于Monte Carlo模拟比较K近邻和局部线性分位数回归[J];数学的实践与认识;2014年17期

5 张琳;祁胜文;;发散光束在半无限大生物组织内传播的Monte Carlo模拟[J];生物医学工程学杂志;2013年06期

6 程立英;孙奇;赵姝颖;薛定宇;;基于仿人机器人的Monte Carlo定位算法研究[J];计算机应用与软件;2013年06期

7 杨少华;;Monte Carlo方法在定积分近似计算中的应用[J];长春大学学报;2012年02期

8 张雄飞;李瑞敏;李宏发;史其信;;基于Monte Carlo的行程时间可靠性研究[J];武汉理工大学学报(交通科学与工程版);2012年04期

9 齐灿;朱辉;赵欢;;风力作用下大气颗粒物凝聚生长Monte Carlo模拟[J];制造业自动化;2012年22期

10 赵炜;;火灾探测器可靠性的Monte Carlo仿真方法浅析[J];安防科技;2011年10期

相关博士学位论文 前10条

1 李超;电子束辐照致荷电效应的Monte Carlo模拟研究[D];中国科学技术大学;2020年

2 毛世峰;扫描电子显微学中二次电子产生的Monte Carlo模拟[D];中国科学技术大学;2009年

3 张鹏;扫描电镜成像及荷电效应的Monte Carlo模拟研究[D];中国科学技术大学;2015年

4 何国斌;土壤离子扩散与吸附/解吸微观机制的Monte Carlo模拟[D];西南大学;2012年

5 宋会英;电子束光刻的Monte Carlo模拟及邻近效应校正技术研究[D];山东大学;2006年

6 徐佳;超滤作为海水淡化预处理工艺的应用研究和Monte Carlo模拟[D];中国海洋大学;2008年

7 阮瞩;扫描电子显微镜中二次电子成像机制和分辨率的Monte Carlo模拟[D];中国科学技术大学;2015年

8 张继祥;基于Monte Carlo方法的材料退火过程模拟模型及计算机仿真关键技术研究[D];山东大学;2006年

9 刘国成;基于序列Monte Carlo方法的非线性滤波技术研究[D];华中科技大学;2008年

10 张其黎;双交换模型和自旋玻璃的Monte Carlo方法研究[D];中国工程物理研究院;2005年

相关硕士学位论文 前10条

1 徐虹卿;基于Monte Carlo的风电储能混合系统优化运行研究[D];沈阳工业大学;2019年

2 徐振洋;纳米MOSFET射频噪声机理的Monte Carlo分析[D];西南科技大学;2019年

3 刘洪婉;动态键型凝胶自修复行为的Monte Carlo模拟[D];河北大学;2018年

4 宋久壮;火灾探测报警系统的可靠性分析与Monte Carlo仿真[D];西安科技大学;2006年

5 孙红娟;基于Monte Carlo方法的磁流体微观结构建模及光学特性分析[D];东北大学;2013年

6 尤玲玲;脱胶处理对大麻纤维结构和性能的影响及脱胶过程的Monte Carlo模拟[D];东华大学;2012年

7 侯克斌;自然伽玛测井及其影响因素的Monte Carlo模拟[D];成都理工大学;2010年

8 王震;生物老化的Monte Carlo模拟模型[D];大连理工大学;2009年

9 韩振强;基于Monte Carlo方法的金属动态再结晶组织模拟[D];山东大学;2007年

10 王维娜;基于Monte Carlo方法的船舶交通流生成器研究[D];大连海事大学;2014年

本文编号：2894266