电子显微学和电子能谱学中的量子蒙特卡洛方法研究

This project aims to study a new theoretical method for electron microscopic image simulation and quantitative electron spectroscopy analysis, e.g. including scanning transmission electron microscopy-electron energy loss spectroscopy (STEM-EELS), scanning electron microscopy (SEM), reflection electron energy loss spectroscopy (REELS), Auger electron spectroscopy (AES) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Based on Bohmian mechanics, we will innovatively develop a quantum Monte Carlo method for application to these fields. Different from other conventional methods, e.g. the multislice method based on wave mechanics and Monte Carlo simulation method based on particle description of electrons, this new type method which combines the electron interference with electron particle trajectory (Bohmian trajectory) is able to treat electron diffraction which is delocalized phenomenon and electron inelastic scattering which is either local or decalized. Therefore, under this theoretical framework we can simutaneously consider the structural information and electronic state information of the sample. This is useful for the quantitative simulation of electron microscopic image and electron spectroscopic spectra particularly for nanostructure system. The result of the project is expected to provide a new theoretical tool for nanostructure characterization.

本项课题研究电子显微学以及电子能谱学（包括：扫描透射电子显微镜-电子能量损失谱STEM-EELS、扫描电子显微镜SEM、反射电子能量损失谱REELS、俄歇电子能谱AES、X光电子能谱XPS）中成像模拟与定量谱分析的新理论方法。基于玻姆力学，我们将创新性地发展一种应用于这些领域的"量子Monte Carlo方法"，这种新型的方法区别于以往建立于波动力学基础上的多片层法以及建立于粒子绘景基础上的Monte Carlo电子轨迹模拟方法，它将电子的相干性有机地融于电子的玻姆粒子轨迹上，利于处理非局域性的电子衍射以及局域性和非局域性的电子非弹性散射。因此，在该理论框架下，我们可以同时考虑样品的结构信息与电子能态信息，尤其适用于定量模拟计算纳米结构体系的电子显微成像与能谱。该课题的成果有望为纳米结构的表征提供一种新型的理论分析工具。

本项课题研究电子显微学以及电子能谱学（包括：扫描透射电子显微镜STEM、扫描电子显微镜SEM、反射电子能量损失谱REELS、俄歇电子能谱AES、X光电子能谱XPS）中的成像模拟与定量谱分析的新理论和计算方法。项目取得的主要成果如下：1、我们创新性地发展了一种适用于研究高能电子与晶体材料相互作用的量子轨迹蒙特卡洛（QTMC）方法，该方法基于玻姆力学，将电子的量子相干行为有机地融于描述电子的玻姆粒子轨迹上，可以处理非局域性的电子衍射以及局域性的电子非弹性散射。借助该方法我们成功地模拟了扫描透射电子显微镜（STEM）中观察到的原子级分辨率的二次电子成像，从而阐明了二次电子像的原子级分辨率的物理机制。该方法可为纳米结构的电子显微学表征提供一种新型的理论分析工具；2、我们首创了一种用于表面电子能谱学定量分析的逆蒙特卡洛（RMC）方法，它基于电子与固体和表面相互作用的经典蒙特卡洛方法，可由反射电子能量损失谱（REELS）的实验测量结果，经扣除表面激发效应、弹性散射和多重散射效应后获得固体的光学常数。我们已经测量了若干材料的光学常数，为大规模建立基于表面电子能谱学的各种材料的光学常数数据库打下了基础；3、我们还进行了扫描电子显微学（SEM）中的经典蒙特卡洛方法研究：（1）探讨了绝缘体材料的SEM成像中的荷电效应；（2）研究了基于模型的数据库方法用于半导体工业中的线宽评价，所建议的相关国际标准已经在ISO/TC202/SC8中投票通过获得立项；（3）计算得到了表面单原子层敏感的二次电子信号发射深度，可进一步指导二维材料的SEM成像机理研究；4、在电子与固体相互作用的基础物理问题方面，发展了一种计算电子非弹性平均自由程的扩展Mermin方法，较传统的Penn方法它在低能区与实验测量值更为吻合。