1. 首頁 > 生活經驗 > >

描述固體中電子衰減的定律長期以來一直幫助研究人員確定納米級物體的大小 但實驗表明它不像以前認為的那樣

知識經驗


描述固體中電子衰減的定律長期以來一直幫助研究人員確定納米級物體的大小 但實驗表明它不像以前認為的那樣

文章插圖
【描述固體中電子衰減的定律長期以來一直幫助研究人員確定納米級物體的大小 但實驗表明它不像以前認為的那樣】在納米級科學和技術中，以納米精度測量物體尺寸的能力至關重要 。確定表面圖案橫向尺寸的最精確工具是掃描探針顯微鏡 。沿垂直坐標，可以根據材料的厚度衰減入射電子束這一事實推斷出尺寸(圖1) 。在過去的50年中，研究人員認為可以使用普遍定律將電子衰減因子轉換為適用于各種電子能量的厚度(參見參考文獻[ 1]中的注釋 。]) 。然而 ， 該法律幾乎沒有測試過低能量(1-50 eV) - 一系列日益增加的科學和技術重要性 。現在荷蘭萊頓大學的DaniëlGeelen及其同事已經描述了電子在這些能量下通過多層石墨烯的傳播，顯示出與預期的普遍行為的明顯偏差[ 2 ] 。他們的分析表明，電子束衰減受到固體帶結構的顯著影響，因此具有材料依賴性 。該結果將有益于對采用低能電子束的許多技術的定量理解，包括光發射，顯微鏡，衍射和電子束光刻 。
普遍定律將電子的能量與電子非彈性平均自由路徑(IMFP)聯系起來 - 電子在散射事件中失去能量之前行進的平均長度 。1979年，兩位研究人員匯編了電子衰減長度的數據(參見參考文獻[ 3 ] 中的注釋)并得出結論，IMFP遵循通用曲線，對特定材料的依賴性可忽略不計[ 4 ] 。根據他們的定律，這個特征長度達到其最小值 - 大約一個原子層 - 大約50eV(圖2) 。這種行為反映了不同機制對電子能量損失的能量依賴性 。固體電子帶之間的聲子和躍遷的激發在低能量范圍內占主導地位 。與集體模式(等離子體)的耦合在稍高的能量下起著重要作用，將最小值設定在50eV左右 。高于50eV，IMFP的增加反映了松散地說，相互作用時間的減少：更快的電子有更少的時間被樣品散射 。
IMFP在很大的能量范圍(1到10,000eV)內保持短于幾百個原子層 ， 這就是電子束衰減是如此敏感的厚度測量的原因 。研究人員同意用于高于?的能量的值 100 eV [ 5 ]，他們廣泛采用了描述IMFP能量依賴性的2015年公式? 50 eV [ 6 ] 。然而 ， 對于低于50 eV的能量，仍然存在很大的不確定性(圖 2)，主要歸因于兩個原因 。首先是在這個能量范圍內嚴重缺乏實驗數據 - 與eV電子一起工作具有挑戰性，因為它們難以聚焦，并且它們的軌跡會受到環境中小磁場的影響，包括地球場 。此外，IMFP很難測量，因為它非常?。?實驗需要精心控制的樣品 。第二個事實是，從理論的角度來看，目前還不清楚如何處理這些能量下集體等離子體振蕩的衰減[ 7 ] 。
Geelen和同事能夠通過多層石墨烯(一到四個原子層)來表征低能電子的傳播 。在最近的技術進步的基礎上，該團隊使用透射電子顯微鏡(TEM)和先前開發的低能電子顯微鏡[ 8 ]分別測量照射在樣品上的電子的透射和反射強度，能量在4到25之間 。電子伏特 。從這樣的強度來看 ， 它們不僅得到了IMFP，而且還得出了彈性平均自由路徑 - 電子在不損失能量的情況下分散的平均長度 。他們對IMFP的測量值幾乎比使用普遍定律預測的值低10倍 。
這種與普遍性的偏差類似于2013年研究[ 8 ] 的數據所暗示的，這些數據僅基于電子反射 。然而，通過同時反射和透射測量來表征彈性平均路徑，作者可以深入研究這種行為背后的原因 。引人注目的是，他們發現 ， 在某些能量下，彈性平均自由路徑表現出強烈的峰值，其增加超過1個數量級 。
為了理解彈性平均自由路徑貢獻，作者使用來自光學的玩具模型對材料的透射進行建模，其中多層石墨烯被描述為在每個層邊界具有一定透射和反射系數的層序列 。玩具模型令人信服地再現了數據，表明當多層反射的電子破壞性地干涉時，彈性平均自由路徑中的峰值發生，這最大化了傳輸并導致更長的無平均路徑 。
玩具模型清楚地指出了干擾現象 。為了更深入地了解這種干擾背后的微觀機制 ， 作者用完整的量子力學方法模擬了電子的彈性和非彈性傳播 。他們的計算表明觀察到的行為是由于多層石墨烯的層間共振，這是由相鄰層之間反彈的電子干擾引起的 。在與這些共振相匹配的能量下，電子很容易通過材料移動，使其充當抗反射涂層 。在共振帶之外 ， 電子不能傳播并被反射，這減少了平均自由路徑 。這個結論意味著材料在幾個電子伏特下的能帶結構強烈地影響電子傳輸 。由于帶結構顯然是材料依賴的，這導致與通用曲線的偏差 。結果還意味著需要重新考慮在經典玻爾茲曼統計中導出的無平均路徑的概念，以包括電子波函數之間的量子力學干涉 。
這些發現對許多科學和技術應用可能很重要 。一個例子是極紫外(EUV)光刻，這是用于印刷計算機電路的下一代技術 。該技術的空間精度取決于當EUV光子照射光刻抗蝕劑時產生的低能電子的IMFP 。該結果也可用于粒子儲存環(例如大型強子對撞機) ， 研究人員正在評估石墨層的使用，以減輕由于同步加速器輻射撞擊加速器腔壁而導致的低能電子發射 。該發射通過形成電子云而對環操作產生不利影響 。本研究可能提出解決此類問題的新途徑 。