掃描電子顯微學中二次電子產生的Monte Carlo模擬.pdf

1、二次電子是掃描電子顯微鏡中最為基礎和常用的信號。同時，實驗中所測得的二次電子信號的產生也是最為復雜的。由理論計算來得到二次電子的產額以及能譜，并與實驗進行對比分析有助于加深對二次電子產生的理解，進而對實驗中如何更有效的得到和利用二次電子有著重要的意義。本文首先簡單介紹掃描電子顯微鏡的原理及目前的發(fā)展情況，概述了電子與固體相互作用研究的發(fā)展，以及實驗中二次電子相關的現(xiàn)象及其原理。(第1章)
　　 二次電子產生的與電子在固體中復雜的

2、輸運過程緊密相關。理論上，很難通過解析公式得到二次電子的產額以及能譜，因此我們使用Monte Carlo模擬來得到所需要的結果。電子在固體中的輸運過程一般可以簡化為電子與固體之間一系列的彈性或者非彈性碰撞以及在連續(xù)兩次碰撞之間電子自由飛行的過程。這兩種不同的碰撞可以通過相應的理論來進行描述。彈性碰撞已經有了較為透徹的研究，人們發(fā)現(xiàn)Mott彈性散射截面可以較為準確的描述電子在固體中的彈性散射。而對于非彈性散射，Penn提出的基于外推光學實

3、驗數(shù)據的介電函數(shù)模型相對來說更加合理。先前的研究中由于計算條件的限制，對Penn的模型一般采用了一種被稱為單極近似的手段來簡化計算。而最新的研究進展表明，放棄單極近似，采用我們稱之為full Penn方法的完整的模型能夠更加準確的描述電子的非彈性散射過程，尤其對于近自由電子金屬。文中將詳細介紹full Penn方法，并給出由此得到的非彈性平均自由程以及阻止本領。在此基礎上，將簡要介紹下Monte Carlo模擬的具體過程以及并行計算的相

4、關處理。(第2章)
　　 我們首先研究了二次電子的產額和能譜。二次電子的產額是反映材料性質的重要參數(shù)。實驗上對不同材料不同入射能量下的二次電子產額有著廣泛的研究。模擬得到的結果與實驗數(shù)據有著很好的符合，同時二次電子的能譜也與實驗有著較好的符合，這說明現(xiàn)在的模型是合理的。在此基礎上，我們研究了二次電子的空間分布。二次電子所攜帶信息的空間分辨率可以從二次電子的空間分布得到，而這是實驗無法測量的。(第3章)
　　 在驗證了理論

5、模擬的有效性的基礎上，研究了如下與二次電子的相關的幾種現(xiàn)象：
　　 1、形貌襯度：這是掃描電子顯微圖像的基本襯度。與該襯度相關的一個基本問題足掃描電鏡分辨率的測量。目前掃描電鏡顯微鏡的分辨率測量有著多種方法，但最為準確的方法難以確定。為了檢測這些方法，需要各種情況下的實驗圖像，但這是非常困難的。一個替代的方法就是利用Monte Carlo模擬得到的圖像。我們引入了理論產生的復雜表而構型，模擬實驗的掃描過程得到了需要的圖像。模擬得

6、到的圖像還可以給出不考慮實驗參數(shù)影響時理想的分辨率極限。同時通過圖像看到的樣品尺寸與真實尺寸之間的差異也可以通過比較模擬得到的圖像與模擬中采用的樣品構型得到。(第4章)
　　 2、半導體摻雜襯度：由于半導體各個區(qū)域的摻雜濃度不同，將導致二次電子產額的變化并形成襯度，并且襯度與摻雜濃度有著很好的線性關系。這個現(xiàn)象對半導體器件的評估有著極高的應用價值。我們認為這種襯度主要米源于表面態(tài)所導致的功函數(shù)變化。模擬的結果與實驗有著很好的一致

7、性。(第5章)
　　 3、自旋極化：一束無自旋極化的電子在Fe、Ni之類的物質中所產生的二次電子有著顯著的自旋極化率(超過材料本身的磁化)。通常認為這種現(xiàn)象主要是由于自旋相關的非彈性平均自由程非對稱性所導致。模擬的結果表明，Stoner激發(fā)，即自旋反轉的非彈性散射過程，有著重要的影響。(第6章)
　　 為了能夠直觀的了解等離子體激元激發(fā)與二次電子產生之間的關系，可以通過雙電子符合實驗來測量由一個電子入射所導致的兩個反射電