基于扫描探针电子能谱学的表面等离子体激元研究

摘要

扫描隧道显微镜(STM)已经成为表面科学中一种极其重要的测量分析手段，用于对固体表面形貌的测量以及费米面附近电子态的探测。然而STM在能谱测量方面的不足限制了它在固体表面微区元素分析及能谱谱学成像方面的应用，将STM与电子能谱技术相结合组建扫描探针电子能谱仪(SPEES)是解决这个问题的一种方案。本文介绍了针对SPEES装置开展的模拟和实验工作，包括：SPEES针尖样品区域电场分布及电子飞行特性模拟，SPEES能量扫描模式下电子能谱测量以及进一步开展的不同厚度Ag和Au样品的等离子体激元实验研究。
　　 第一章介绍了基于扫描探针的表面原子识别中的基本概念，能谱谱学成像领域的研究进展，STM的工作原理以及扫描探针能谱仪的研究进展，表面等离子体激元(SPs)的原理及应用，利用SPEES装置研究SPs的优势。
　　 在第二章中，我以俄歇电子为研究对象利用SIMION软件系统地模拟了扫描探针电子能谱仪(SPEES)针尖样品区域的电场分布及出射电子的飞行特性，发现出射俄歇电流密度分布的半高全宽要小于入射电流密度分布的半高全宽，即SPEES谱仪的空间分辨可以通过调节入射电子束斑的直径来进行提升和优化。大部分俄歇电子在针尖电场边界(针尖屏蔽筒与样品表面间的开口)处都是在一个较小的垂直高度范围内平行于样品表面出射的。结果提示我们在SPEES中使用一种探测平面与样品表面平行的环型电子能量分析器(TEEA)。通过出射俄歇电子在SPEES谱仪中的传输过程模拟并结合针尖样品区域的模拟结果最终计算得到SPEES装置探测效率大约为1.14％，比传统的半球电子能量分析器提高了约两个数量级。
　　 第三章介绍了SPEES装置的结构及仪器组成，同时对利用SPEES装置开展固体表面电子能谱测量的实验条件及准备工作做了具体的说明。
　　 第四章介绍了SPEES装置能谱测量中能量定点和扫描两种模式的实验方法，在实验中我们通过减小单轮扫描时间和增大扫描轮数的方法实现了SPEES装置能量扫描模式Ag和Au的电子能谱测量，拓宽了能谱测量范围并且有效地避免了定点模式能谱测量中响应函数修正带来的误差。
　　 第五章中，我们利用SPEES装置系统地开展了HOPG表面不同厚度Ag和Au样品(一定程度上对应不同尺度的纳米颗粒)的针尖近场发射电子激发的等离子体激元实验研究。发现有纳米结构Ag表面的等离子体激元峰相对强度随针尖入射能升高及针尖样品距离减小存在显著的增强趋势，并且对增强的机理进行了初步分析。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章基于扫描探针的电子能谱测量及谱学成像

1.1单原子分子测控与扫描探针技术的发展

1.2 STEM和电子能谱学结合实现谱学成像及其进展

1.3基于STM扫描探针的电子能谱研究

1.3.1 STM的基本原理

1.3.2基于STM针尖的扫描探针电子能谱仪

1.4表面等离子体激元概述及研究进展

1.4.1表面等离子体激元

1.4.2表面等离子体激元与表面增强拉曼散射

1.4.3纳米结构表面等离子体激元研究进展

1.4.4 SPEES在研究表面等离子体激元方面的优势

参考文献

第二章扫描探针电子能谱仪针尖样品区域的场分布及电子飞行特性模拟

2.1模拟研究背景

2.2针尖场发射区域SIMION模型及模拟参数

2.2.1 STM针尖和SPEES针尖电场区域模型

2.2.2模拟参数设定

2.3扫描探针电子能谱仪场发射区域俄歇电流密度分布

2.3.1 STM针尖场发射电流密度分布

2.3.2样品原子的电离与退激发

2.3.3俄歇电子在样品内弹性出射过程

2.3.4俄歇电子从样品表面出射直至飞出电场区域的过程

2.4模拟结果及讨论

2.4.1逸出电子在样品表面的分布

2.4.2逸出电子在针尖屏蔽简出口的相对密度分布

2.5小结

参考文献

第三章扫描探针电子能谱仪及实验方法

3.1扫描探针电子能谱仪

3.2实验方法

3.2.1场发射针尖的制备

3.2.2场发射束流的调试

3.2.3 SPEES装置高真空的获得

3.2.4样品的制备

3.2.5实验条件的选定

3.3小结

参考文献

第四章能量扫描模式下Ag和Au电子能谱测量

4.1 SPEES装置的能谱测量方法

4.2 SPEES装置能量扫描模式的实验方法

4.3实验结果

4.3.1 Ag扫描电子能谱

4.3.2 Au扫描电子能谱

4.4小结

参考文献

第五章HOPG表面纳米结构Ag和Au的等离子体激元实验研究

5.1 Ag和Au样品的表面形貌

5.2实验方法

5.3实验结果

5.3.1 HOPG表面10nmAg实验结果

5.3.2 HOPG表面30nmAg实验结果

5.3.3 HOPG表面100nmAg实验结果

5.3.4 HOPG表面30nmAg实验结果

5.4分析与讨论

5.5小结

参考文献

总结与展望

附录 SIMION软件介绍

攻读博士学位期间发表以及将发表的论文情况

致谢