背散射电子全能谱的Monte Carlo模拟与研究

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较低入射能量下,以全部背散射电子或低能俄歇价电子为有效信号的EN(E)直接能谱曲线以其自身的特点得以广泛应用于固体材料的表面界面分析中(第一章),而一套完备的理论模型对更好的解释该物理过程显得格外重要。近年来,表面电子能谱的实验测量精度越来越高,然而相关理论工作的研究往往落后于实验的发展。本工作利用Monte Carlo方法,并基于新的电子与固体相互作用的非弹性散射理论、更为精确的内壳层电离截面以及更科学的价电子能量分布(第二章),通过追踪模拟大量电子在固体中的输运过程(第三章),计算研究了不同入射能量下的背散射电子全能谱以及俄歇价电子能谱(第四章)。该工作的研究目的是:整合当前材料表面附近最新的电子散射和激发理论,为定量背散射电子全能谱以及俄歇价电子能谱分析提供一个更系统、更全面、更精确的理论描述。  进入材料内部的电子在输运过程中,可能会激发原子某内壳层电子或费米电子,进而产生俄歇电子、X射线荧光以及级联二次电子等各种信号电子,即所谓的体激发。与此同时,被探测到的有效背散射电子前后两次穿过材料表面,极有可能激发表面等离子体;而产生于材料内部的信号电子(如俄歇电子,X射线光子)仅有一次穿过表面的机会,其表面激发的概率相对较小。但由于俄歇信号电子产生的有效深度呈指数衰减,其表面敏感性较高,尤其是对于低能(E<100 eV)俄歇电子,其表面激发效应也不能直接忽略。经分析,电子在材料中的散射可以简化为无能量损失的弹性散射以及损失能量的非弹性散射两种基本类型。目前程序中我们合理利用了Mott截面描述弹性散射事件,而对于非弹性散射过程前后分别采用了介电函数理论(模型Ⅰ)和半经典表面激发理论(模型Ⅱ)。利用这两个模型,我们分别模拟计算了不同入射条件下的背散射电子全能谱以及俄歇电子能谱,并通过与相应的实验结果及他人计算结果比较,讨论了模型的有效性。  本论文以材料Si、Ag为例,利用两个模型分别模拟计算了不同入射能量下,包含L23VV俄歇电子在内的背散射电子全能谱以及有效俄歇电子能谱。两模型的差别在于:模型Ⅰ中的非弹性散射理论仅考虑占主导作用的体激发,而忽略表面激发对能谱的影响;而模型Ⅱ中既有体激发也有表面激发。通过比较模型Ⅰ的背散射电子全能谱和Goto的对应实验结果发现:该模型可以较好地描述能谱背景、弹性峰以及各个体损失峰。利用模型Ⅱ计算得到的谱线较前面的计算结果,最大的区别在于损失峰的形状:前者出现明显的表面损失峰,更接近于实验结果。另外,为了进一步探究表面效应对俄歇电子能谱的影响,我们利用同一模型(模型Ⅱ),通过采用两个不同的非弹性散射截面(体激发+表面激发或体激发),模拟了相同入射条件下Si L23VV俄歇电子的产生以及有效俄歇信号的收集。通过两计算结果以及实验结果比较发现:表面激发效应会减低俄歇峰的强度,但对其谱线的形状影响不大。
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