掃描電子顯微成像及荷電效應的Monte Carlo模擬研究.pdf

1、掃描電子顯微鏡(SEM)成像技術(shù)是探索微米、納米材料微觀結(jié)構(gòu)時使用最廣泛的一種方法。然而，由于電子-固體相互作用中成像信號產(chǎn)生機制所限，實驗圖像并不能夠完全準確地揭示材料的結(jié)構(gòu)和形貌信息。因此，利用掃描電鏡進行準確的尺度測量還需要借助理論模擬，將模擬計算的圖像襯度與實驗圖像的襯度進行對比分析。這種方法不僅有利于加深對掃描電鏡成像機制的理解，而且可以建立實驗參數(shù)與樣品材料表征信息的平臺，以進一步構(gòu)建掃描電鏡尺度計量的數(shù)據(jù)庫。
　　本

2、文第一章首先介紹了掃描電鏡基本原理，概述了電子與固體相互作用理論、掃描電鏡用于樣品三維重構(gòu)、荷電效應的研究背景。其次，概述了蒙特卡洛方法在掃描電子顯微成像模擬中的應用。
　　電子在固體中輸運過程的正確描述是掃描電鏡成像模擬的基礎。電子的輸運過程可以描述為一系列彈性和非彈性的散射事件。第二章介紹了用Mott截面來描述電子彈性散射事件以及full Penn的介電函數(shù)模型來處理非彈性散射事件和級聯(lián)電子的產(chǎn)生。
　　基于這樣一種精準

3、的蒙特卡洛模擬物理模型，本論文主要進行了以下的研究工作:
　　1、通過我們自主開發(fā)的掃描電鏡成像模擬程序，模擬了復雜形貌的Au納米顆粒樣品在C襯底上的SEM圖像。第三章詳細介紹了建立納米顆粒3D構(gòu)件的有限元三角形網(wǎng)格法，以及為了加速計算采用的空間分割法和射線追蹤技術(shù)。指出了準確測量該樣品形貌尺寸的最佳方法。
　　2、第四章中我們研究了電子束聚焦束斑和聚焦條件對線寬測量的影響。我們建立了兼有簡易和可快速計算的電子束聚焦模型，它

4、可以方便地應用于電子軌跡的蒙特卡洛中。通過模擬結(jié)果給出了精確測量線寬的聚焦條件，同時指明了傳統(tǒng)的高斯線型并不足以準確地描述電子探測束斑，應該采用“有效電子束形狀”來分析。
　　3、第五章中采用蒙特卡洛模擬研究了有效電子束形狀(EEBS)對SEM成像的影響。研究發(fā)現(xiàn)，EEBS強烈地依賴于電子束著落點處局域的樣品形貌以及聚焦條件，因此它獨立于入射點位置的傳統(tǒng)高斯線型很不一樣。對于圖像卷積來說，EEBS要比高斯線型更適用。
　　第

5、6-7章是關(guān)于荷電效應的研究，它是本論文的主要研究目標。我們建立了電荷沉積和動力學輸運模型。
　　4、第六章中我們研究了等離子體刻蝕過程中掩膜表面的荷電效應。利用粒子模擬方法解釋了實驗中發(fā)現(xiàn)的圓形掩膜洞口在等離子體刻蝕過程中轉(zhuǎn)變成六邊形的機制。
　　5、電子束輻照絕緣材料引起的電荷積累對SEM成像有重要的影響。第七章中我們發(fā)展了一種自洽的蒙特卡洛模擬以研究荷電效應的基本機制。該模擬方法基于有效的電荷沉積和動力學模型，同時也包

6、含級聯(lián)二次電子產(chǎn)生過程。我們對SiO2塊材計算了電子產(chǎn)額和表面電勢隨輻照時間的變化，電荷沉積分布等情況也以多種形式進行了研究。更加重要的是，我們在粗糙面線寬的掃描電鏡成像模擬中考慮了荷電效應。
　　6、第八章中我們模擬了Au納米棒的掃描電鏡圖像，對Au納米棒進行成像模擬研究有助于建立納米棒長徑比測量方法。我們構(gòu)建了有機分子包裹層的Au納米棒結(jié)構(gòu)模型，但模擬得到的掃描電鏡圖像襯度與實驗圖像尚不能完全，其原因有待進一步研究。