帶電粒子與表面-界面電子氣相互作用的量子流體動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、研究帶電粒子與表面/界面電子氣相互作用過(guò)程是固體物理、表面物理以及材料科學(xué)中的重要課題。這些研究在表面分析技術(shù)、固體材料表面改性技術(shù)、微電子器件加工技術(shù)等領(lǐng)域具有重要意義。載能帶電粒子可以作為一種粒子束探針，通過(guò)其與材料表面發(fā)生相互作用，可以獲得有關(guān)材料表面的成分、結(jié)構(gòu)以及光電性的信息。如通過(guò)測(cè)量電子束在材料表面或內(nèi)部的能量損失譜，可以確定材料的電激發(fā)特性及電子氣的密度；利用離子束背散射或離子束溝道分析技術(shù)，可以確定材料的成分及結(jié)構(gòu)。此

2、外，在微/納米結(jié)構(gòu)制備工藝中，通過(guò)控制聚焦離子束與材料表面的相互作用過(guò)程，可以得到所需要的微/納米結(jié)構(gòu)圖形(如光子晶體，MEMS等)。
　　 本文主要采用線性量子流體動(dòng)力學(xué)理論來(lái)研究帶電粒子與不同的表面/界面(單層二維電子氣、雙層平行的二維電子氣、鍍有金屬膜的納米介質(zhì)球、有限厚度/金屬膜/絕緣基底等)相互作用過(guò)程，重點(diǎn)探索材料的量子效應(yīng)、尺度效應(yīng)對(duì)表面/界面的電激發(fā)過(guò)程產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)、電子氣的擾動(dòng)密度以及入射粒子能量損失的影響。<

3、br>　　 在緒論部分，首先介紹了帶電粒子與表面/界面電子氣相互作用的研究及應(yīng)用背景：其次，回顧了有關(guān)帶電粒子在物質(zhì)中能量損失的研究進(jìn)展以及相關(guān)的理論模型：最后，針對(duì)目前研究中存在的問(wèn)題，介紹了本文的研究計(jì)劃和結(jié)構(gòu)安排。
　　 在第二章中，首先介紹了自洽的量子流體動(dòng)力學(xué)模型，該模型通過(guò)我們熟知的宏觀量(如：密度、能量、動(dòng)量、速度等)反映了微觀粒子之間的相互作用。把量子流體動(dòng)力學(xué)模型與泊松方程相結(jié)合，在線性化基礎(chǔ)上得到了帶電粒子

4、平行于二維電子氣平面運(yùn)動(dòng)時(shí)的感應(yīng)勢(shì)、感應(yīng)電子氣密度、電子流體的速度場(chǎng)、阻止本領(lǐng)、側(cè)向力和自能的表達(dá)式。計(jì)算結(jié)果表明，量子統(tǒng)計(jì)和量子衍射效應(yīng)使感應(yīng)勢(shì)的振蕩強(qiáng)度明顯減弱，說(shuō)明量子效應(yīng)作用的結(jié)果是使電子氣恢復(fù)平衡。在考慮量子效應(yīng)的前提下，分析了入射粒子速度對(duì)感應(yīng)勢(shì)和感應(yīng)電子氣密度空間分布的影響。結(jié)果表明，當(dāng)入射粒子的速度相對(duì)較高時(shí)，在其所在位置的后方感應(yīng)勢(shì)和感應(yīng)電子氣密度均出現(xiàn)了V型振蕩的尾流效應(yīng)，并且粒子的速度越高，錐角越小，振蕩的范圍越大

5、，波長(zhǎng)越長(zhǎng)。此外，還計(jì)算了電子氣流體速度場(chǎng)的分布，結(jié)果表明，電子的振蕩以縱波的形式向入射粒子運(yùn)動(dòng)的反方向傳播。最后，計(jì)算了粒子的位置、阻尼系數(shù)、密度參數(shù)對(duì)阻止本領(lǐng)、側(cè)向力和自能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粒子距離電子氣平面越近或者電子氣的密度參數(shù)越小時(shí)，粒子損失的能量越多。而當(dāng)阻尼系數(shù)趨于零時(shí)，電子氣內(nèi)出現(xiàn)了共振激發(fā)，此時(shí)在高速區(qū)能量損失達(dá)到最大。
　　 在第三章中，研究了帶電粒子平行于雙層二維電子氣平面運(yùn)動(dòng)時(shí)的電激發(fā)過(guò)程，得到了兩個(gè)電

6、子氣平面相互耦合的感應(yīng)勢(shì)、感應(yīng)電子氣密度、阻止本領(lǐng)、側(cè)向力和自能的表達(dá)式。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)帶電粒子平行于兩個(gè)電子氣平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，除了在粒子的后方出現(xiàn)了振蕩的尾勢(shì)外，還在兩個(gè)平面所在位置出現(xiàn)了明顯的尖峰。此外，當(dāng)兩個(gè)電子氣平面間的距離較近時(shí)，相互耦合的結(jié)果是使阻止本領(lǐng)、側(cè)向力和自能隨速度變化曲線出現(xiàn)了明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，隨著粒子與兩個(gè)電子氣平面距離的加大這種雙峰結(jié)構(gòu)消失。當(dāng)兩個(gè)電子氣平面間的距離較小時(shí)，電子氣密度參數(shù)也會(huì)對(duì)阻止本領(lǐng)、側(cè)向力和自能

7、隨速度變化產(chǎn)生影響，使之出現(xiàn)明顯雙峰結(jié)構(gòu)。
　　 在第四章中，采用球坐標(biāo)系下的線性量子流體動(dòng)力學(xué)模型與恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件相結(jié)合，研究了帶電粒子與鍍有金屬膜的納米介質(zhì)球之間的相互作用。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)帶電粒子在球表面附近運(yùn)動(dòng)時(shí)，球表面金屬膜內(nèi)的電子由于極化和激發(fā)而產(chǎn)生振蕩的尾流效應(yīng)。當(dāng)粒子逐漸遠(yuǎn)離介質(zhì)球時(shí)，感應(yīng)勢(shì)和感應(yīng)電子氣密度振蕩的幅值變小，最大峰值所在位置也隨粒子前移。此外，當(dāng)入射粒子的速度小于某一臨界速度時(shí)，感應(yīng)勢(shì)振蕩的最大幅值

8、隨速度的增大而變大，反之，則隨速度的增大而變小。最后，計(jì)算結(jié)果還顯示，由于球形結(jié)構(gòu)的特殊性，使粒子在接近而后遠(yuǎn)離小球過(guò)程中阻止本領(lǐng)的值先負(fù)后正，(即，小球始終對(duì)粒子吸引，其電場(chǎng)力對(duì)粒子先加速后減速)：隨著小球介電常數(shù)的增大，阻止本領(lǐng)的峰值變小并向低速區(qū)移動(dòng)，說(shuō)明由于介質(zhì)球的存在，使得其極化電場(chǎng)和表面電子氣擾動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)對(duì)入射粒子的整體作用效應(yīng)變?nèi)趿恕?br>　　 在第五章中，研究了帶電粒子平行于半無(wú)限大絕緣基底表面上有限厚度金屬膜

9、運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電激發(fā)過(guò)程，得到了感應(yīng)勢(shì)、擾動(dòng)電子氣密度、阻止本領(lǐng)、側(cè)向力以及自能的表達(dá)式。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)金屬膜很薄時(shí)，在它的兩個(gè)表面處均出現(xiàn)了振蕩的電激發(fā)現(xiàn)象，而且，隨著金屬膜厚度的增大，在金屬膜與絕緣基底交界面處的振蕩逐漸減弱直到消失。另外，金屬膜對(duì)入射粒子的庫(kù)侖勢(shì)有明顯的屏蔽作用。本章還詳細(xì)分析了膜的厚度、粒子位置、密度參數(shù)和基底介電常數(shù)對(duì)粒子的能量損失和受力情況的影響。最后，把通過(guò)量子流體動(dòng)力學(xué)模型和局域介電函數(shù)模型計(jì)算的感應(yīng)勢(shì)和