反射電子能量損失譜應(yīng)用于固體光學(xué)性質(zhì)測量的研究.pdf

1、第一章
　　固體的光學(xué)性質(zhì)作為材料的重要基本物理性質(zhì)之一，一直是各個尺度材料性質(zhì)的研究熱點。固體的光學(xué)常數(shù)，一方面反映了材料對外界宏觀電場的響應(yīng)，聯(lián)結(jié)了外場E和局域電場Eloc的數(shù)學(xué)關(guān)系。另一方面，固體光學(xué)常數(shù)在不同波段的響應(yīng)特性包含了固體豐富的微觀量子態(tài)信息，比如作用于紅外區(qū)間的光子-聲子、電子-電子聲子相互作用，可見光波段到真空紫外波段的帶內(nèi)躍遷、帶間躍遷、激子激發(fā)以及等離激元激發(fā)，以及更高的x-ray范圍反應(yīng)原子內(nèi)殼層結(jié)構(gòu)的

2、電離過程。實驗上，不管是宏觀上研究材料的極化性質(zhì)，還是微觀上將材料中處于低能級（帶）的電子激發(fā)到更高能級（帶），我們既可以采用光子也可以采用電子作為探針研究材料的光學(xué)常數(shù)。本章我們從基本的電磁理論出發(fā)，介紹了光學(xué)常數(shù)相關(guān)的基本理論并推導(dǎo)了光子和電子入射材料所對應(yīng)的材料介電函數(shù)之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上我們介紹了目前基于光子和電子的光學(xué)常數(shù)測量現(xiàn)狀、評價方法。最后我們重點介紹了反射電子能譜法測量光學(xué)常數(shù)的研究現(xiàn)狀，提出了本論文的研究動機。

3、r>　　第二章
　　本章介紹了電子在材料中的散射理論以及常用的電子能譜解譜方法。這主要包括電子的彈性和非彈性散射理論、電子多重散射表述方法以及需要用到的全局優(yōu)化算法。電子能譜實驗中，電子在材料中經(jīng)歷從入射材料到最終被接收器收集的過程包含了非常復(fù)雜的相互作用類型。對于快電子而言，這些作用類型包含了(1)對材料原子核以及核外屏蔽電子云構(gòu)成的離子實的彈性散射，此類作用源于運動電子在離子實庫倫作用下的運動方向的偏轉(zhuǎn)。在這部分內(nèi)容中，我們介

4、紹了彈性散射的常用模型，如著名的屏蔽盧瑟福散射截面和準(zhǔn)確的Mort截面。(2)電子與原子核外電子的相互作用，包括兩類常見的激發(fā)類型，即單電子激發(fā)和集體激發(fā)過程。對于非彈性散射，我們首先介紹了關(guān)于電子能量損失函數(shù)的full-Penn方法、單極近似方法以及Ritchie和Howie的介電函數(shù)模型。然后，我們給出了無限大材料和半無限大材料的非彈性散射截面公式和推導(dǎo)過程。強調(diào)了實際樣品中的表面激發(fā)貢獻。除此以外，本章還介紹了目前主要的幾個從反射

5、電子能譜中提取光學(xué)常數(shù)的模型，包括Tougaard-Chorkendorff方法extended-Landau方法Werner雙級數(shù)卷積方法Yubero方法。最后我們介紹逆Monte Carlo(Reverse Monte Carlo，RMC)方法中的Monte Carlo方法和全局優(yōu)化算法。
　　第三章
　　電子在材料中的非彈性散射過程對于基于表面電子能譜技術(shù)的表面分析方法（如x射線光電子譜XPS和俄歇電子能譜AES）具有

6、關(guān)鍵的作用。我們知道，電子和材料的非彈性散射和材料的能量損失函數(shù)(Energy Loss Function，ELF)之間有著密切的聯(lián)系。對于無限大介質(zhì)，ELF和電子在材料中非彈性散射概率成正比，它決定了電子發(fā)生非彈性散射的能量損失分布和非彈性散射角分布。電子的能量損失函數(shù)Im[-1/ε(ω，q)]是能量損失(h)ω和動量轉(zhuǎn)移(h)q的雙變量函數(shù)，它本質(zhì)上來自于材料能帶中各種激發(fā)態(tài)的概率統(tǒng)計，因而表征了材料對電子的非彈性散射性質(zhì)。在第一章

7、中我們證明了光學(xué)能量損失函數(shù)和電子能量損失函數(shù)在hq=0情況下的等價性，對于動量轉(zhuǎn)移不為零的情況，需要采用合適的介電函數(shù)模型外推光學(xué)能量損失函數(shù)。在本章中我們根據(jù)Ritchie和Howie提出的方法，采用有限個Drude-Lindhard振子擬合了26種材料的實驗測量的光學(xué)能量損失函數(shù)Im[-1/ε(ω）]，而后外推到電子能量損失函數(shù)Im[-1/ε(ω，q)]。在本章的內(nèi)容中，我們通過挑選合適的實驗測量數(shù)據(jù)獲得了26種材料的能量損失函數(shù)

8、，利用求和規(guī)則對它們的準(zhǔn)確性作出了評價。在此基礎(chǔ)上我們擬合了26種材料的Drude-Linhard振子參數(shù)數(shù)據(jù)庫，以便于表面電子能譜領(lǐng)域的研究。最后作為一個應(yīng)用Drude-Linhard振子參數(shù)的例子，們給出了Ag的反射電子能量損失譜(Reflection Electron Energy Loss Spectroscopy，REELS)譜的模擬。
　　第四章
　　本章我們主要介紹了RMC方法的原理并通過對多個過渡金屬材料的應(yīng)

9、用證實了其準(zhǔn)確、可靠的應(yīng)用效果。在對Fe材料的應(yīng)用中，我們獲得了Fe材料在1000 eV，2000 eV和3000 eV的能量損失函數(shù)，證實了RMC方法獲得的材料能量損失函數(shù)是與電子的入射能量無關(guān)的，從而滿足理論上的自洽性。之后我們通過與文獻中結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)RMC方法得到的能量損失函數(shù)在很大范圍內(nèi)和文獻中DFT的計算結(jié)果、Palik的光學(xué)測量數(shù)據(jù)以及Henke的X射線吸收測量完全吻合。我們還獲得了Fe材料在0-3000 eV區(qū)間的電子非

10、彈性散射平均自由程，以此修正了著名的Tanuma-Powell-Penn（TPP-2M）公式的錯誤結(jié)果。另外，通過RMC方法對Ni材料的反射電子能譜的應(yīng)用，我們得到了Ni的能量損失函數(shù)、光學(xué)常數(shù)以及介電函數(shù)。通過于Wemer解析方法的系統(tǒng)對比研究，我們指出了Werner方法得到的結(jié)果的不準(zhǔn)確性。最后，我們基于Cr、Co、Pd三個材料在三個能量下的實驗REELS譜，求解了他們的能量損失函數(shù)，發(fā)現(xiàn)RMC方法具有很好的普適性。通過對每種材料結(jié)

11、果的細致分析，我們指出了Palik的能量損失函數(shù)不正確的一個重要來源是折射率測量的不準(zhǔn)確性。
　　第五章
　　在本章的內(nèi)容中，我們回顧了鑭系材料廣泛的應(yīng)用場景和與之不相稱的甚少的光學(xué)常數(shù)數(shù)據(jù)。由于其活潑的化學(xué)性質(zhì)，Sm的光學(xué)測量非常困難，需要通過一系列的手段保證Sm樣品在測量過程中的純凈性。我們發(fā)展的RMC方法正符合這樣的測量特性，本章介紹了我們首次測量的Sm的光學(xué)常數(shù)在0-100 eV完整區(qū)間的光學(xué)常數(shù)。我們采用Sm在10

12、00 eV和2000 eV的實驗?zāi)茏V，通過RMC方法得到了相應(yīng)能量下的兩個能量損失函數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)，這兩個能量損失函數(shù)在36-60 eV區(qū)間表現(xiàn)出了較大的差異性。通過求和規(guī)則的計算，我們證實了1000eV REELS譜測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。對于2000 eV能譜測量結(jié)果存在較大誤差的原因，我們認為可能是能譜中參雜了少量氧原子激發(fā)的貢獻。最后我們對比了文獻中不多的Sm的光學(xué)數(shù)據(jù)，以此佐證了我們所測量的Sm光學(xué)數(shù)據(jù)的合理性。
　　第六章

13、r>　　石墨烯是一種由sp2雜化碳原子構(gòu)成的單原子厚度的蜂巢結(jié)構(gòu)的大分子。自2004年發(fā)現(xiàn)以來，由于它諸多獨特的量子性質(zhì)，石墨烯吸引了世界范圍內(nèi)科學(xué)界的廣泛關(guān)注。本章我們針對單層石墨烯-塊狀I(lǐng)r襯底的樣品所測量得到的200 eV、500 eV和2000 eV的反射電子能量損失譜，通過能譜分析，發(fā)現(xiàn)200 eV和500 eV的能譜中具有更加明顯的石墨烯電子激發(fā)特征結(jié)構(gòu)。于是我們通過構(gòu)建真空-單層石墨烯-塊狀襯底的三相樣品的的非彈性散射截面