近日，IEEE Transactions on Nuclear Science（TNS）发表了我院最新一项关于全局优化拟合X射线反射率曲线的交叉研究成果，文章第一作者为ZJUI 21级机械专业硕士研究生李明峰同学，唯一通讯作者为ZJUI 研究员 Oleksiy Penkov教授，其他作者还包括ZJUI研究员Said Mikki教授、ZJUI博士后研究员Paul C. Uzoma。IEEE TNS是IEEE核与等离子体科学学会的期刊，根据JCR影响因子，该期刊在核科学与技术领域一直位列前五。

该研究大大提高了拟合周期性多层膜X射线反射率（XRR）的效率，可快速准确地分析含有几百个材料层的多层膜并获得每一层材料的厚度、粗糙度、密度等参数。与使用TEM、SEM等耗时且昂贵的技术相比，该拟合方法可快速分析材料结构，以指导研究人员下一步的制备工作，致力于推动薄膜材料产业的创新发展。

周期性多层膜反射镜由Oleksiy Penkov研究员课题组自主搭建的先进磁控溅射系统制造。由于反射镜上的多层膜通常由轻、重两种不同材料交替叠成，包含有N个材料对周期。若要实现反射镜的高反射率，通常需要镀制200个周期以上。为获得每一层膜材料的参数（厚度、粗糙度、密度），需要由X射线衍射仪表征得到多层膜的X射线反射率曲线（XRR），再由本课题组独立开发的软件X-Ray Calc手动拟合。因为手动拟合无法分析所有层的参数，通常需要输入一个周期的参数，再设置N个周期，以拟合X射线反射率曲线。实际上，在制备多层膜的过程中受到电源、基底温度等影响，每个周期的参数都会有略微不同，手动拟合无法有效分析多层膜且拟合耗时长。

基于以上原因，本文提出了全局优化拟合X射线反射率曲线的方法（Levy flight 粒子群优化算法）。由Object Pascal语言编写的X-Ray Calc集成X射线反射率数学模型，在6核i5-10500 CPU 上计算200个周期的多层膜的反射率仅需0.069秒。将X-Ray Calc 改进为exe文件，输出为代价函数（cost function），通过levy flight 粒子群算法优化代价函数输出最优解，完成拟合。经测试，拟合200周期的多层膜反射率曲线只需20秒，这不仅大大提高了拟合效率，而且实现了对每一层膜的参数分析。

▲Oleksiy Penkov课题组自主搭建的先进磁控溅射系统

▲ a) 周期多层膜反射镜示意图; b) X射线反射率拟合图

该论文由Oleksiy Penkov研究员和Said Mikki研究员共同指导，是一项交叉研究的成果。Said Mikki研究员是粒子群算法应用领域的专家，在本文中主要指导粒子群算法在X射线领域的优化问题。Oleksiy Penkov 研究员的研究领域涉及材料，物理，机械，软件开发等，在本文中主要指导实验过程和计算软件的开发。李明峰同学表示，“自入学以来，我深受课题组和ZJUI学科交叉领域研究的影响，不断学习不同领域的新知识，在跨学科的研究探索中，感受到了科研的乐趣，也促使我申请了硕转博，选择继续科研之路。” 据悉，李明峰同学目前已完成硕转博申请，开始攻读其博士学位。

▲ 李明峰同学在Oleksiy Penkov 研究员指导下操作磁控溅射系统

▲ Oleksiy Penkov 研究员课题组组会

该项目获得国家自然科学基金委-外国优秀青年学者研究基金项目支持。

*原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10066334