扫描探针电子能谱仪的改进及对非线性电子散射的研究

发布时间：2020-08-13 19:14

【摘要】：固体表面与固体内部的物理性质有着显著的区别。近年来,随着相关技术不断地突破,发展出许多研究表面物理的手段如原子力显微镜(Atomic Force Micro-scope,AFM),近场光学显微镜(Near-field Scanning Optical Microscope,SNOM)等。其中扫描探针电子能谱仪(Scanning Probe Electron Energy Spectrometer,SPEES)是一种结合了扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM)和电子能谱的新兴技术。利用这项技术不仅能够实现对固体表面的形貌分析,并且能够对固体样品表面的特定区域进行原位的电子能谱测量。本文主要介绍了对实验室自行研制的一台新一代SPEES装置的改进,以及相关的非线性电子散射研究和扫描探针电子能谱学研究。论文分为五章。第一章简要介绍了固体表面研究的发展,并对扫描探针电子能谱学进行了系统综述,举例介绍了相关实验小组搭建的谱仪和实验结果。同时,还概述了我们实验室发现的非线性电子散射现象。第二章主要介绍了新一代SPEES谱仪的物理结构以及本人参与的对谱仪的改进工作。新一代SPEES谱仪主要包括:STM系统,双环形电子能量分析系统,供电系统和控制与采集系统。对谱仪的改进则集中于以下三个方面:一、新型屏蔽针尖的制作与测试;二、样品制备工艺的发展;三、针尖-样品间距精确控制的程序实现。这三方面的改进主要用于提高谱仪的能谱成像空间分辨。在进行能谱测量时,需要场发射针尖和样品的距离足够近才能达到预期的空间分辨,这就对针尖的屏蔽效果和针尖样品之间距离的精确控制提出了更高的要求。在本章中,详细介绍了微电级屏蔽针尖的制作流程和对其屏蔽性能的测试结果,以及利用Labview编写的针尖-样品距离精确控制程序。此外,还介绍了针对空间分辨的特殊光栅样品的具体工艺和相应的能谱测量结果。第三章介绍了对石墨表面Au、Ag纳米结构样品的非线性电子散射(NES)研究。在对Au样品的实验中,我们再次验证了 NES过程,证明了该现象在金属纳米结构表面等离激元(SP)激发过程中的普遍性。通过与之前NES实验的对比,发现NES过程是研究纳米结构SP激发态性质的一种可行途径。在对Ag样品的实验中,我们制备了非各向同性的长条状Ag纳米结构,以此开展了角分布NES研究。结果表明对于非各向同性的Ag纳米结构,电子散射激发其SP振荡的概率存在明显的角分布,在与SP振荡模式相匹配的方向上观察到一个极大值。由于NES过程的作用,激发概率大大增加,使得在极大值方向上出现非弹性散射电子的定向发射,并且其强度已经超过了弹性散射电子。该结果有可能发展出一种全新的高度局域化的定向电子源,对表面电子能谱学及表面物理产生深远影响。第四章介绍了本人利用新一代SPEES谱仪开展的扫描探针电子能谱学的相关研究,包括:一、Ag纳米结构样品形貌对电子能量损失谱(EELS)中SP激发强度的影响。为了系统研究样品形貌与NES过程之间的关系,我们利用一台真空镀膜设备,分别控制镀膜厚度和样品退火温度这两个变量制作样品。然后利用SPEES对样品的形貌和表面等离激元的激发强度做了一系列研究。最终根据样品的表面粗糙度,我们初步确定了一个最佳的样品制作条件。二、卟啉分子的SP激发光电子谱实验准备。SP激发光电子谱是我们希望利用SPEES发展的一种新型谱学技术,利用Ag纳米结构的局域SP电场电离吸附分子,获得类似光电子谱的信息。实验初步选择卟啉分子作为吸附分子,本人利用GAUSSIAN程序计算了卟啉分子的电子结构,设计并加工了有机蒸镀装置,为实验开展做好了前期准备。三、Ag纳米结构的低能二次电子谱测量。介绍了利用SPEES测量Ag表面低能二次电子的实验结果,该结果可作为上述SP光电子谱的本底。第五章的内容是本人利用实验室电子动量谱(Electron Momentum spectroscopy,EMS)装置研究了吡咯分子的外价电子结构,确定了吡咯分子1b1-1伴线的位置和极强度。最后是对自己工作的总结和对后续研究的展望。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O562.5
【图文】：

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本文编号：2792405