發(fā)布時(shí)間：2020-11-22 06:19

　　 荷電效應(yīng)起源于樣品內(nèi)部的電荷積累,常見(jiàn)于使用電子束探針技術(shù)對(duì)絕緣體材料進(jìn)行表征的實(shí)驗(yàn)中。其可以在很大程度上影響實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,進(jìn)而使獲取材料的真實(shí)性質(zhì)變得困難甚至不可能。荷電效應(yīng)已引起人們的廣泛關(guān)注,有必要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)研究。然而,荷電效應(yīng)的形成涉及電子輸運(yùn)、電荷捕獲等復(fù)雜的物理過(guò)程,僅僅依靠實(shí)驗(yàn)手段不足以全面揭示其特性。本論文旨在使用Monte Carlo方法從理論層面對(duì)由電子束轟擊引起的絕緣體荷電效應(yīng)進(jìn)行研究,以期彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)研究不足,加深人們對(duì)荷電效應(yīng)的認(rèn)識(shí)。本論文的研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:1、構(gòu)建了可用于分析形貌和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的樣品構(gòu)型的荷電效應(yīng)的Monte Carlo模型。已有的Monte Carlo模型研究的大都是簡(jiǎn)單的半無(wú)限大樣品構(gòu)型或復(fù)雜度十分有限的樣品構(gòu)型,很難直接應(yīng)用于復(fù)雜度較高的樣品構(gòu)型。因此,本文提出的模型擴(kuò)大了 Monte Carlo方法在荷電效應(yīng)研究中的應(yīng)用范圍。模型使用有限元三角形網(wǎng)格方法構(gòu)建樣品構(gòu)型,通過(guò)將形狀不一、數(shù)目不等的平面三角形覆蓋在構(gòu)型表面,可以勾勒出構(gòu)型的任意復(fù)雜形貌。在追蹤電子輸運(yùn)時(shí),使用Mott截面描述電子彈性散射,使用介電函數(shù)方法描述電子非彈性散射,其中介電函數(shù)是由多個(gè)Lorentz振子組合而成。同時(shí),考慮低能電子與光學(xué)縱波聲子之間的相互作用。待電子能量降至截止能時(shí),便停止追蹤。模型進(jìn)一步考慮了這些能量損失殆盡的電子以及空穴在電場(chǎng)力作用下的漂移,直至這些電荷被捕獲。另外,構(gòu)型復(fù)雜度的增加也為獲取空間電勢(shì)帶來(lái)一定困難,為此發(fā)展了一套可用于獲取復(fù)雜構(gòu)型空間電勢(shì)的自洽迭代方法。該模型已被成功應(yīng)用于多個(gè)復(fù)雜構(gòu)型絕緣體樣品的荷電效應(yīng)的模擬。同時(shí),還研究了荷電效應(yīng)在納米操控領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用,模擬發(fā)現(xiàn)荷電效應(yīng)是對(duì)嵌于液態(tài)水層中的Pd顆粒進(jìn)行納米操控的物理基礎(chǔ)。(第3章)2、研究了二次電子峰位偏移方法在表面電勢(shì)測(cè)量中的應(yīng)用。表面電勢(shì)是荷電效應(yīng)中的一個(gè)十分重要的物理量,但不易測(cè)量。二次電子峰位偏移方法是一種較為適于測(cè)量表面電勢(shì)的實(shí)驗(yàn)方法。本項(xiàng)內(nèi)容旨在對(duì)該方法進(jìn)行較為全面的研究,以期澄清荷電效應(yīng)對(duì)出射電子能譜的影響以及該方法的適用范圍。這里所使用的模型是在第3章模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的改進(jìn)而得到。計(jì)算中使用了依賴于電場(chǎng)的電荷漂移速度和電荷捕獲截面,考慮了低能二次電子的捕獲以及已被捕獲電荷的脫捕獲。在正荷電效應(yīng)中,二次電子峰向低能端移動(dòng),對(duì)應(yīng)于正表面電勢(shì);在負(fù)荷電效應(yīng)中,二次電子峰向高能端移動(dòng),對(duì)應(yīng)于負(fù)表面電勢(shì)。該方法更加適用于負(fù)表面電勢(shì)的測(cè)量,而在測(cè)量正表面電勢(shì)時(shí),僅適用于二次電子峰強(qiáng)度最高點(diǎn)尚未偏移至負(fù)能量區(qū)間的階段。(第4章)3、研究了由電子束轟擊所造成的樣品內(nèi)部的電荷分布。樣品內(nèi)部的電荷分布是荷電效應(yīng)的根源,研究電荷分布有助于更加深入地認(rèn)識(shí)和理解荷電效應(yīng)。同時(shí),只有獲取了樣品內(nèi)部的電荷分布,才可以更加合理地應(yīng)用現(xiàn)有的以及發(fā)展新式的減弱或消除荷電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法。本項(xiàng)內(nèi)容使用與第4章一致的模型,計(jì)算結(jié)果表明,樣品內(nèi)部的正電荷主要分布在中心區(qū)域,而負(fù)電荷主要分布在外圍區(qū)域。同時(shí),沿著電子束的轟擊方向,自上而下出現(xiàn)了六個(gè)正負(fù)相間的電荷層。電荷層大體與樣品表面平行,且每層的厚度約為0.1 μm。由具體分析可知,最上方電荷層主要由二次電子發(fā)射導(dǎo)致,最下方電荷層主要由初級(jí)電子沉積導(dǎo)致,中間的電荷層主要由電荷漂移導(dǎo)致。電荷層的數(shù)目和分布范圍不隨電子入射能量的增加而改變。究其原因,在負(fù)荷電效應(yīng)中,具有不同入射能量的電子在到達(dá)樣品表面時(shí)將被減速至相近的有效入射能量。(第5章)4、研究了二次電子的動(dòng)態(tài)發(fā)射特性。本項(xiàng)內(nèi)容旨在獲取初級(jí)電子入射進(jìn)入樣品之后二次電子發(fā)射所持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度以及澄清在不同時(shí)刻發(fā)射的二次電子的發(fā)射能量、發(fā)射深度、發(fā)射角度、表面發(fā)射位置和內(nèi)部激發(fā)位置的分布有何不同。計(jì)算中,使用Mott截面描述電子的彈性散射,使用介電函數(shù)方法描述電子非彈性散射,其中電子能量損失函數(shù)是由FPA方法計(jì)算得到。計(jì)算結(jié)果表明,二次電子發(fā)射所持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度僅為幾fs�；�于這樣極其有限的時(shí)間長(zhǎng)度,在荷電效應(yīng)計(jì)算中靜態(tài)處理二次電子發(fā)射(假定二次電子在初級(jí)電子入射進(jìn)入樣品的瞬間即完成發(fā)射)不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。同時(shí),相較于較晚時(shí)刻發(fā)射的二次電子,較早時(shí)刻發(fā)射的二次電子具有更高的能量、更淺的發(fā)射深度、更局域的表面發(fā)射位置和內(nèi)部激發(fā)位置。但是,發(fā)射角度并未呈現(xiàn)出任何的時(shí)間依賴特性,在整個(gè)二次電子發(fā)射過(guò)程中,發(fā)射角度始終服從余弦定律。計(jì)算結(jié)果除了可以澄清荷電效應(yīng)計(jì)算中的相關(guān)問(wèn)題外,還可以為改進(jìn)現(xiàn)有的以及發(fā)展新式的時(shí)間分辨掃描電子顯微鏡提供理論指導(dǎo)。(第6章)
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：O469
【部分圖文】：

?第１章緒?論???為背散射電子。如果電子束能量比較高且樣品比較薄，那么電子束有可能穿透樣??品而形成透射電子。將從樣品表面出射的二次電子、俄歇電子和背散射電子收集??起來(lái)便可得到出射電子能譜，如圖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?—？??圖１．２在電子束的轟擊下，從固體樣品發(fā)射至真空的二次電子、俄歇電子和背??散射電子的能量分布，即出射電子能譜［１］。??對(duì)于一般材料而言，二次電子在所有出射電子信號(hào)中占據(jù)較大比重，且其能??量普遍較低，可經(jīng)驗(yàn)性地將出射能量低于５０?ｅＶ的電子看做二次電子。二次電子??大都產(chǎn)生于級(jí)聯(lián)過(guò)程，這是其信號(hào)量多以及能量低的直接原因。由于二次電子??能量低，其發(fā)射深度通常比較淺：從金屬和半導(dǎo)體發(fā)射的二次電子大都產(chǎn)生于表??面以下深度不超過(guò)ｌｎｍ的區(qū)域［２］；相比之下，絕緣體的二次電子發(fā)射深度更深??一些，這是因?yàn)榻^緣體的表面發(fā)射勢(shì)壘（電子親和勢(shì)）非常小，同時(shí)絕緣體中缺??少自由電子，降低了電子－電子相互作用的強(qiáng)度。盡管如此，絕緣體的二次電子??發(fā)射深度大都不超過(guò)幾個(gè)ｎｍ［３］。這些非常淺的發(fā)射深度使二次電子對(duì)材料表面??形貌非常敏感。同時(shí)，二次電子的低能特性使其較為容易收集。以上特性使得二??次電子常被用作掃描電子顯微鏡的成像信號(hào)，即二次電子像。特征Ｘ射線和俄??歇電子這兩類信號(hào)可被用于樣品成分分析。但是，由于數(shù)量較少，俄歇電

?＊?＊？；？?—Ｓ／－－—??〇ｌ?ｌＡｌ????Ｉ?光＊—．……－１??捫象敗器屯＊??５５?肩—通＆一??－？？？■§?——二?ｒ?ｐ＾ｎ＼??ｎ錨吒期一?＾?ｒ—￣?／??１?Ｅｆ＝＾－ｉ?ｒ１－＾！?ｆｌ￣ｉ?＾???一?一Ｈ攆發(fā)?１．器?一??樣?匚?屯了柬一＾物銪光＿???＿??Ｌ??????光電倍增管??＇?Ｖ??§?Ｉ??１?＋?匕?１?焫螃＿玫大秘木系統(tǒng)及電激系統(tǒng)??ＳＩ?丨樣賴??圖１．３掃描電子顯微鏡的組成結(jié)構(gòu)示意圖［９］。??１９００?Ｋ。同時(shí)，ＬａＢ６３具有較高的發(fā)射效率，其發(fā)射面積也要低于鎢絲的發(fā)射??面積，約為２０?ｐｍ。這類的熱發(fā)射源價(jià)格便宜，但是亮度較低，電子束能量均一??性較差。場(chǎng)發(fā)射電子槍是用有確定取向的單晶制備而成（如，鎢單晶），并在針??尖上加一負(fù)偏壓，等到表面處電場(chǎng)達(dá)到約１０?Ｖｎｍ－１量級(jí)時(shí)，電子發(fā)射勢(shì)壘明顯??降低，大量電子發(fā)射。場(chǎng)發(fā)射又可分為冷場(chǎng)發(fā)射和熱場(chǎng)發(fā)射。前者僅依靠電場(chǎng)發(fā)??射電子，不需要對(duì)電子槍加溫，但是針尖必須保持清潔，因此需要在高真空環(huán)境??中工作。后者需要對(duì)針尖進(jìn)行加熱，目的是為了保持針尖清潔，降低噪聲和穩(wěn)定??發(fā)射。表１．１給出了不同種類的電子槍之間的對(duì)比。電子束離開(kāi)電子槍時(shí)束斑較??大，須借助電磁聚光鏡減小其束斑。掃描電子顯微鏡通常具有三級(jí)電磁聚光鏡，??前兩級(jí)為強(qiáng)透鏡，有效縮小束斑，最后一級(jí)為物鏡，焦距較長(zhǎng)。另外，為了降低??電子束的發(fā)散程度，每一級(jí)聚光鏡都裝有光闌，為了消除像散，還裝有消像散??器。在三級(jí)電磁聚光鏡的作用下，聚焦在樣品表面的電子束束斑可降至亞ｎｍ量??

第１章緒?論??????ｒ???／?．：．．．．．：二…．．ｌ??—Ｔ??Ｃ＾ｒａｓｔｉｃ．?ｉ°＾）??ｓｃａｔｔｅｒ，ｎｇ??ｃａｓｃａｄｅ?ＳＥ＾－＾－ｔＣ?ｉｎｅｌａｓｔｉｃ??一ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ??圖１．５電子在固體樣品內(nèi)部的輸運(yùn)示意圖［１１］，整個(gè)輸運(yùn)過(guò)程可簡(jiǎn)化為電子所??經(jīng)受的一系列彈性散射和非彈性散射。??同時(shí)，在一次散射中，可以根據(jù)Ｍｏｔｔ截面或基于基于介電函數(shù)的非彈性散射截??面獲取電子的散射角度和能量損失［１３－１４］。在此基礎(chǔ)上，即可使用Ｍｏｎｔｅ?Ｃａｒｌｏ??方法對(duì)電子在樣品內(nèi)部的輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行逐步追蹤，如圖１．５［１１］所示。圖１．６給出??了使用Ｍｏｎｔｅ?Ｃａｒｌｏ方法模擬得到的１０?ｋｅＶ入射電子在Ａｕ和Ｓｉ塊材內(nèi)部的運(yùn)??動(dòng)軌跡以及相應(yīng)的散射位置在樣品內(nèi)部的密度分布。可以想見(jiàn)，使用解析方法??獲取圖１．６中的電子軌跡是極其困難的。在圖１．６中，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡和散射位置??分布都是左右對(duì)稱的，這是由電子的垂直入射以及樣品的半無(wú)限大構(gòu)型導(dǎo)致的。??同時(shí)，在表面以下５０?ｎｍ深度范圍內(nèi)，電子在Ａｕ中的軌跡發(fā)生了明顯的沿徑向??的擴(kuò)展，而在同一范圍內(nèi)，電子在Ｓｉ中的擴(kuò)展卻十分有限。這是因?yàn)椋粒醯脑��??序數(shù)更大，電子在Ａｕ中受到的彈性散射更為明顯，以至于電子在Ａｕ中的運(yùn)動(dòng)??方向發(fā)生了更加明顯的變化。這一實(shí)例展現(xiàn)了?Ｍｏｎｔｅ?Ｃａｒｌｏ方法有能力準(zhǔn)確模擬??電子在固體樣品內(nèi)部的輸運(yùn)。??另一方面，電子在非彈性散射中損失的能量會(huì)轉(zhuǎn)移給樣品內(nèi)的電子，并導(dǎo)致??１．１．１節(jié)中各種信號(hào)的激發(fā)。因此，在非彈性散射中添加適當(dāng)?shù)男盘?hào)激發(fā)模型便??可對(duì)涉及二次電子、俄歇電子和Ｘ射
【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 劉洪豪;劉賢喜;張開(kāi)興;盧山;Lee Heow Pueh;宋正河;;基于光傳播Monte Carlo模擬的三維模型特征提取方法[J];光譜學(xué)與光譜分析;2020年02期

2 侯衛(wèi)生;楊翹楚;楊亮;崔嬋婕;;基于Monte Carlo模擬的三維剖面地質(zhì)界線不確定性分析[J];吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版);2017年03期

3 李瑞瑩;李枚楠;;基于Monte Carlo和啟發(fā)式算法的網(wǎng)絡(luò)可靠性分配[J];北京理工大學(xué)學(xué)報(bào);2014年07期

4 馬學(xué)俊;何曉群;;基于Monte Carlo模擬比較K近鄰和局部線性分位數(shù)回歸[J];數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí);2014年17期

5 張琳;祁勝文;;發(fā)散光束在半無(wú)限大生物組織內(nèi)傳播的Monte Carlo模擬[J];生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志;2013年06期

6 程立英;孫奇;趙姝穎;薛定宇;;基于仿人機(jī)器人的Monte Carlo定位算法研究[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件;2013年06期

7 楊少華;;Monte Carlo方法在定積分近似計(jì)算中的應(yīng)用[J];長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào);2012年02期

8 張雄飛;李瑞敏;李宏發(fā);史其信;;基于Monte Carlo的行程時(shí)間可靠性研究[J];武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版);2012年04期

9 齊燦;朱輝;趙歡;;風(fēng)力作用下大氣顆粒物凝聚生長(zhǎng)Monte Carlo模擬[J];制造業(yè)自動(dòng)化;2012年22期

10 趙煒;;火災(zāi)探測(cè)器可靠性的Monte Carlo仿真方法淺析[J];安防科技;2011年10期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 李超;電子束輻照致荷電效應(yīng)的Monte Carlo模擬研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2020年

2 毛世峰;掃描電子顯微學(xué)中二次電子產(chǎn)生的Monte Carlo模擬[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

3 張鵬;掃描電鏡成像及荷電效應(yīng)的Monte Carlo模擬研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2015年

4 何國(guó)斌;土壤離子擴(kuò)散與吸附/解吸微觀機(jī)制的Monte Carlo模擬[D];西南大學(xué);2012年

5 宋會(huì)英;電子束光刻的Monte Carlo模擬及鄰近效應(yīng)校正技術(shù)研究[D];山東大學(xué);2006年

6 徐佳;超濾作為海水淡化預(yù)處理工藝的應(yīng)用研究和Monte Carlo模擬[D];中國(guó)海洋大學(xué);2008年

7 阮矚;掃描電子顯微鏡中二次電子成像機(jī)制和分辨率的Monte Carlo模擬[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2015年

8 張繼祥;基于Monte Carlo方法的材料退火過(guò)程模擬模型及計(jì)算機(jī)仿真關(guān)鍵技術(shù)研究[D];山東大學(xué);2006年

9 劉國(guó)成;基于序列Monte Carlo方法的非線性濾波技術(shù)研究[D];華中科技大學(xué);2008年

10 張其黎;雙交換模型和自旋玻璃的Monte Carlo方法研究[D];中國(guó)工程物理研究院;2005年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 徐虹卿;基于Monte Carlo的風(fēng)電儲(chǔ)能混合系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行研究[D];沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué);2019年

2 徐振洋;納米MOSFET射頻噪聲機(jī)理的Monte Carlo分析[D];西南科技大學(xué);2019年

3 劉洪婉;動(dòng)態(tài)鍵型凝膠自修復(fù)行為的Monte Carlo模擬[D];河北大學(xué);2018年

4 宋久壯;火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的可靠性分析與Monte Carlo仿真[D];西安科技大學(xué);2006年

5 孫紅娟;基于Monte Carlo方法的磁流體微觀結(jié)構(gòu)建模及光學(xué)特性分析[D];東北大學(xué);2013年

6 尤玲玲;脫膠處理對(duì)大麻纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響及脫膠過(guò)程的Monte Carlo模擬[D];東華大學(xué);2012年

7 侯克斌;自然伽瑪測(cè)井及其影響因素的Monte Carlo模擬[D];成都理工大學(xué);2010年

8 王震;生物老化的Monte Carlo模擬模型[D];大連理工大學(xué);2009年

9 韓振強(qiáng);基于Monte Carlo方法的金屬動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織模擬[D];山東大學(xué);2007年

10 王維娜;基于Monte Carlo方法的船舶交通流生成器研究[D];大連海事大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2894266