帶電粒子與表面-界面電子氣相互作用的量子流體動力學研究.pdf

1、研究帶電粒子與表面/界面電子氣相互作用過程是固體物理、表面物理以及材料科學中的重要課題。這些研究在表面分析技術、固體材料表面改性技術、微電子器件加工技術等領域具有重要意義。載能帶電粒子可以作為一種粒子束探針，通過其與材料表面發(fā)生相互作用，可以獲得有關材料表面的成分、結構以及光電性的信息。如通過測量電子束在材料表面或內部的能量損失譜，可以確定材料的電激發(fā)特性及電子氣的密度；利用離子束背散射或離子束溝道分析技術，可以確定材料的成分及結構。此

2、外，在微/納米結構制備工藝中，通過控制聚焦離子束與材料表面的相互作用過程，可以得到所需要的微/納米結構圖形(如光子晶體，MEMS等)。
　　 本文主要采用線性量子流體動力學理論來研究帶電粒子與不同的表面/界面(單層二維電子氣、雙層平行的二維電子氣、鍍有金屬膜的納米介質球、有限厚度/金屬膜/絕緣基底等)相互作用過程，重點探索材料的量子效應、尺度效應對表面/界面的電激發(fā)過程產生感應電勢、電子氣的擾動密度以及入射粒子能量損失的影響。<

3、br>　　 在緒論部分，首先介紹了帶電粒子與表面/界面電子氣相互作用的研究及應用背景：其次，回顧了有關帶電粒子在物質中能量損失的研究進展以及相關的理論模型：最后，針對目前研究中存在的問題，介紹了本文的研究計劃和結構安排。
　　 在第二章中，首先介紹了自洽的量子流體動力學模型，該模型通過我們熟知的宏觀量(如：密度、能量、動量、速度等)反映了微觀粒子之間的相互作用。把量子流體動力學模型與泊松方程相結合，在線性化基礎上得到了帶電粒子

4、平行于二維電子氣平面運動時的感應勢、感應電子氣密度、電子流體的速度場、阻止本領、側向力和自能的表達式。計算結果表明，量子統計和量子衍射效應使感應勢的振蕩強度明顯減弱，說明量子效應作用的結果是使電子氣恢復平衡。在考慮量子效應的前提下，分析了入射粒子速度對感應勢和感應電子氣密度空間分布的影響。結果表明，當入射粒子的速度相對較高時，在其所在位置的后方感應勢和感應電子氣密度均出現了V型振蕩的尾流效應，并且粒子的速度越高，錐角越小，振蕩的范圍越大

5、，波長越長。此外，還計算了電子氣流體速度場的分布，結果表明，電子的振蕩以縱波的形式向入射粒子運動的反方向傳播。最后，計算了粒子的位置、阻尼系數、密度參數對阻止本領、側向力和自能的影響。結果發(fā)現，當粒子距離電子氣平面越近或者電子氣的密度參數越小時，粒子損失的能量越多。而當阻尼系數趨于零時，電子氣內出現了共振激發(fā)，此時在高速區(qū)能量損失達到最大。
　　 在第三章中，研究了帶電粒子平行于雙層二維電子氣平面運動時的電激發(fā)過程，得到了兩個電

6、子氣平面相互耦合的感應勢、感應電子氣密度、阻止本領、側向力和自能的表達式。計算結果表明，當帶電粒子平行于兩個電子氣平面運動時，除了在粒子的后方出現了振蕩的尾勢外，還在兩個平面所在位置出現了明顯的尖峰。此外，當兩個電子氣平面間的距離較近時，相互耦合的結果是使阻止本領、側向力和自能隨速度變化曲線出現了明顯的雙峰結構，隨著粒子與兩個電子氣平面距離的加大這種雙峰結構消失。當兩個電子氣平面間的距離較小時，電子氣密度參數也會對阻止本領、側向力和自能

7、隨速度變化產生影響，使之出現明顯雙峰結構。
　　 在第四章中，采用球坐標系下的線性量子流體動力學模型與恰當的邊界條件相結合，研究了帶電粒子與鍍有金屬膜的納米介質球之間的相互作用。計算結果表明，當帶電粒子在球表面附近運動時，球表面金屬膜內的電子由于極化和激發(fā)而產生振蕩的尾流效應。當粒子逐漸遠離介質球時，感應勢和感應電子氣密度振蕩的幅值變小，最大峰值所在位置也隨粒子前移。此外，當入射粒子的速度小于某一臨界速度時，感應勢振蕩的最大幅值

8、隨速度的增大而變大，反之，則隨速度的增大而變小。最后，計算結果還顯示，由于球形結構的特殊性，使粒子在接近而后遠離小球過程中阻止本領的值先負后正，(即，小球始終對粒子吸引，其電場力對粒子先加速后減速)：隨著小球介電常數的增大，阻止本領的峰值變小并向低速區(qū)移動，說明由于介質球的存在，使得其極化電場和表面電子氣擾動產生的感應電場對入射粒子的整體作用效應變弱了。
　　 在第五章中，研究了帶電粒子平行于半無限大絕緣基底表面上有限厚度金屬膜

9、運動時產生的電激發(fā)過程，得到了感應勢、擾動電子氣密度、阻止本領、側向力以及自能的表達式。計算結果表明，當金屬膜很薄時，在它的兩個表面處均出現了振蕩的電激發(fā)現象，而且，隨著金屬膜厚度的增大，在金屬膜與絕緣基底交界面處的振蕩逐漸減弱直到消失。另外，金屬膜對入射粒子的庫侖勢有明顯的屏蔽作用。本章還詳細分析了膜的厚度、粒子位置、密度參數和基底介電常數對粒子的能量損失和受力情況的影響。最后，把通過量子流體動力學模型和局域介電函數模型計算的感應勢和