金属和半导体纳米结构表面定量分析方法研究

本课题着重研究利用表面电子谱学(X光电子能谱XPS、反射电子能量损失谱REELS等)对金属和半导体纳米结构（纳米薄膜、多层膜）表面进行定量化表征的分析方法。研究X射线激发的光电子及入射电子与纳米体系相互作用时表面效应对信号电子强度的影响：根据新的光电子（电子）与表面/界面/固体相互作用的非弹性散射模型，深入地研究考虑到金属和半导体纳米膜的各种影响因素（表面粗糙度、厚度、元素成份深度分布、X射线(电子)入射角、光电子(电子)信号发射角）时表面激发对出射信号的强度影响，从而获得准确的基于XPS、REELS谱表征纳米结构的分析方法。反演薄膜的REELS谱获得薄膜的能量损失函数，通过KK分析，获得纳米薄膜的光学常数（或介电常数）。由此进一步提高纳米材料定量化分析准确性，拓展基于电子能谱的纳米结构和纳米材料定量化表征手段。

本课题着重研究利用反射电子能量损失谱等表面电子谱学手段对金属和半导体纳米结构（纳米薄膜）表面进行定量化表征的分析方法。通过建立起包含样品各种信息以及仪器测量参数的电子-样品相互作用的蒙特卡洛物理模型，模拟电子能谱中电子信号的发射过程，以此定量地描述信号随实验条件的变化，从而获得准确的基于反射电子能量损失谱表征纳米结构的分析方法。..主要研究成果为：1、考察了半经典以及量子框架下的表面激发和电子非弹性散射的理论，对多种金属和半导体材料计算了表面激发参数数据库；2、发展了一种基于反射电子能量损失谱获取材料光学常数的逆蒙特卡洛方法，有望在纳米薄膜的光学常数测量上取得应用；3、同时发展了结合椭偏与透射率测量的实验手段以获取纳米薄膜的光学常数，获得若干纳米金属薄膜的光学常数随膜厚的变化；4、发展了针对3D样品表面形貌的蒙特卡洛模拟方法，研究了表面粗糙度对表面激发效应和电子能谱弹性峰强的影响；5、基于Bloch波方法计算了晶体中电子发射的深度分布函数，结果表明信号电子强度除与发射极角有关外也与方位角有关；6、研究了真实样品形貌的扫描电镜成像模拟，获得与实验一致的模拟图像，初步研究了荷电效应对成像的影响；7、探讨了测长扫描电镜成像中的线宽几何参数和电子束条件对线宽成像衬度的影响，通过大规模模拟计算得到线宽的“基于模型的数据库”，进一步开发了扫描电镜测量线宽的应用软件；8、基于蒙特卡洛模拟的扫描电子显微镜图像，讨论了影响扫描电子显微镜成像锐度的各种实验因素和评价了几种锐度计算方法；9、在Bohm量子轨迹方法的基础上开始发展一种全新的量子蒙特卡洛电子-物质相互作用模拟方法，成功阐明了原子分辨率的二次电子成像的产生物理机制。