掃描電子顯微成像及彈性電子峰譜分析的Monte Carlo模擬研究.pdf

1、電子顯微和電子能譜分析技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，需要理論方面的研究支持。本文首先簡單介紹了掃描電子顯微鏡等相關(guān)探測技術(shù)的基本原理和發(fā)展趨勢，概述了相關(guān)的電子與固體相互作用的理論、Monte Carlo模擬計(jì)算方法在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。其次，概述了掃描電子顯微(SEM)和掃描俄歇電子顯微(SAM)成像模擬研究現(xiàn)狀，以及準(zhǔn)彈性電子譜分析和SEM中荷電效應(yīng)等的實(shí)驗(yàn)和理論研究背景，闡明了現(xiàn)在存在的問題和亟待完成的工作。(第1章)
　　 電子

2、在固體中的輸運(yùn)和散射過程是各種電子顯微和能譜分析技術(shù)的物理基礎(chǔ)。因此，對電子散射過程及相應(yīng)截面的準(zhǔn)確描述是電子與固體相互作用過程模擬的關(guān)鍵。通過仔細(xì)分析，對電子經(jīng)歷的兩種散射過程給予了合理的描述：利用Mott的彈性散射截面處理電子的彈性散射過程和利用full-Penn的介電函數(shù)方法處理電子的非彈性散射過程。在模擬計(jì)算的具體實(shí)施中，合理的隨機(jī)抽樣方法和模擬步驟是必須的。我們在模擬程序中合理地處理了電子的彈性和非彈性散射、步長抽樣及修正、二

3、次電子級聯(lián)產(chǎn)生、俄歇電子產(chǎn)生和發(fā)射，界面修正等物理過程。并恰當(dāng)?shù)匾肓藘煞N3D構(gòu)件的構(gòu)造模型：(1)實(shí)體結(jié)構(gòu)幾何法與射線追蹤算法求散射步長結(jié)合的構(gòu)造模型：(2)有限元三角形網(wǎng)格法近似構(gòu)造任意復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)方法并結(jié)合空間分割求散射步長的構(gòu)造模型。利用兩種構(gòu)造模型可以構(gòu)建出具有適當(dāng)復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)單元中可填充真空、單元素、合金和化合物等組分。通過合理修正各種物理量(散射步長、能量、運(yùn)動(dòng)方向、透射幾率等)和使用高效MPI并行算法，使得此

4、模型可以實(shí)用于各種復(fù)雜樣品體系的SEM圖像等的模擬研究。(第2章)
　　 基于以上模型，本學(xué)位論文具體開展了以下幾個(gè)主要方面的研究工作：
　　 1、通過對納米級線寬的SEM成像模擬，建立起了模型構(gòu)件與SEM圖像間的對應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)地分析了各種樣品結(jié)構(gòu)參數(shù)以及儀器因素對利用測長掃描電鏡進(jìn)行納米級線寬測量的影響，闡明了電子束寬、與角度相關(guān)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、粗糙度和荷電效應(yīng)是線寬測量中最主要的影響。此研究將有助于提出相應(yīng)的測量新算

5、法。(第3章)
　　 2、通過把電荷分布的流體動(dòng)力學(xué)模擬與成熟的Monte Carlo模擬結(jié)合起來的方法，建立起了研究SEM中荷電效應(yīng)的理論框架和模擬模型。另外，通過引入類似俄歇電子能譜定量分析中關(guān)于深度分布函數(shù)的定義，模擬研究了二次電子的激發(fā)深度分布函數(shù)和發(fā)射深度分布函數(shù)隨不同實(shí)驗(yàn)條件的變化關(guān)系，這些分布函數(shù)可以用于定量地研究二次電子產(chǎn)生和發(fā)射等信息。(第4章)
　　 3、通過合理地引入俄歇電子的激發(fā)與發(fā)射過程，將SE

6、M圖像的MonteCarlo模擬方法擴(kuò)展到對SAM圖像的模擬，這里我們使用的是更精確的Casnati的內(nèi)殼層電離截面。通過對不同體系、不同實(shí)驗(yàn)條件的Monte Carlo模擬研究，揭示了俄歇電子圖像襯度的形成機(jī)理，并分析了各種機(jī)制對圖像假象效應(yīng)的影響。這些結(jié)果顯示，該模擬程序具有通用性，它是研究SAM成像襯度機(jī)制的一種有效的方法。(第5章)
　　 4、借助經(jīng)典的二體碰撞理論處理準(zhǔn)彈性散射能量損失，并通過引入原子的Maxwell-