基于反射电子能量损失谱方法获取材料的光学常数研究

This project aims to study a novel method for measurement of optical constants of solids and ultrathin films based on reflection electron energy loss spectroscopy (REELS) spectra. Optical constants are fundamental physical property of materials, which determine their optoelectronic property. Its acquirement is, therefore, quite important to fundamental research as well as to the development of new materials. While conventional optical measurement method has limitation to nanothin materials, we have recently developed a reverse Monte Carlo method to obtain optical constants from reflection electron energy loss spectroscopy spectra, which enables the surface electron spectroscopy spectrum measurement method to become a practical and universal way. The principle of the method is based on the experimental measured reflection electron energy loss spectroscopy spectrum, and, further by combing the reverse Monte Carlo algorithm for the calculation of theoretical spectrum. In the simulation various physical factors influencing an electron spectrum, e.g. elastic scattering, surface excitation, multiple scattering and film paramneters, can be accurately taken into account; from the iteration process one can finally obtain the optical constants of sample. We will further develop the method for application to nanothin films; from the measurement of the REELS spectra we will derive optical constants for several metal/semiconductor bulk/ultrathin film samples. The study will lay a solid base for establishing a database of optical constants by surface electron spectroscopy measurement method.

本项课题研究基于反射电子能量损失谱（REELS）测量固体和超薄膜材料光学常数的新方法。材料的光学常数是其基本物性参数，决定了材料的光电性能，因而它的成功获取对基础研究和新材料的开发应用都有着极其重要的意义。传统的光学测量方法对于纳米薄膜材料有局限性，课题组近期已经独创了一种用于从反射电子能量损失谱获得材料光学数据的逆蒙特卡洛算法，使得通过表面电子能谱的测量方法成为一条普适可行的途径。该方法的基本原理是基于实验测量固体材料表面的反射电子能量损失谱数据，然后再结合逆蒙特卡洛算法进行理论模拟谱计算。理论模拟中可以准确考虑到影响电子能谱的各种物理因素（弹性散射、表面激发、多重散射、薄膜参数），通过反复迭代从而最终反演得到样品的光学数据。我们将进一步发展应用于纳米薄膜的方法，测量若干金属和半导体块材和超薄膜的反射电子能量损失谱，获得其光学常数，为建立表面电子能谱测量的光学常数数据库打下基础。

本项课题重点研究基于反射电子能量损失谱测量固体和超薄膜材料光学常数的新方法。材料的光学常数是其物质基本物性参数，决定了材料的光电性能，因而它的成功获取对基础研究和新材料的开发应用都有着极其重要的意义。我们在前期发展了一种用于从反射电子能量损失谱获得材料光学数据的逆蒙特卡洛算法，使得通过表面电子能谱的测量方法成为一条普适可行的途径。该方法的基本原理是基于实验测量固体材料表面的反射电子能量损失谱数据，然后再结合逆蒙特卡洛算法进行理论模拟谱计算。理论模拟中可以准确考虑到影响电子能谱的各种物理因素（弹性散射、表面激发、多重散射、薄膜参数），通过反复迭代从而最终反演得到样品的光学数据。我们测量了数种金属和半导体块材（包括Si、Ge、Fe、Ir、Ni、Cr、Pd、Co、Sm、Tb、Ge、Gd、Ho、La、Lu、Tm、Yb、U、C等）和石墨烯的反射电子能量损失谱，获得了其光学常数，为建立表面电子能谱测量的光学常数数据库打下基础；我们发展了一种新的动态蒙特卡洛方法用于研究扫描电镜中的荷电效应，发现了多层耦合正负电荷区域的新奇现象；我们发展了一种基于玻姆轨迹理论的动力学方法以模拟晶体中的电子衍射及电子背散射衍射花样；我们发展了一种位置依赖的电子能量损失谱学计算模拟方法，研究了金属颗粒和纳米石墨烯的局域表面等离子激元激发模式；我们发展了一种二维材料的电子能谱学表征方法—虚拟衬底法；我们探索了机器学习方法在表面电子能谱学中的应用。除了发表四十余篇研究论文外，我们还在扫描电镜相关测量技术方面主持制定了ISO国际标准和国家标准各一项。