19216

Вторичная электрон-электронная эмиссия. Отражение электронов от твердого тела

Лекция

Физика

Лекция № 12. Вторичная электронэлектронная эмиссия. Отражение электронов от твердого тела. Характеристические потери энергии. Закономерности истинной вторичной электронной эмиссии. Приведенная кривая. Эффективные эмиттеры вторичных электронов. XII. вторичная элек

Русский

2013-07-11

326 KB

42 чел.

Лекция № 12.

Вторичная электрон-электронная эмиссия. Отражение электронов от твердого тела. Характеристические потери энергии. Закономерности истинной вторичной электронной эмиссии. Приведенная кривая. Эффективные эмиттеры вторичных электронов.

XII. вторичная электрон-электронная эмиссия.

§ 12.1. Коэффициенты вторичной электрон-электронной эмисси.

Эмиссия электронов с поверхности твердого тела, бомбардируемой потоком электронов, называется вторичной электрон-электронной эмиссией. Вторичная электрон-электронная эмиссия была обнаружена Остином и Штарке в 1902г. Наиболее распространенная схема экспериментального исследования энергетического распределения вторичных электронов методом задерживающего поля с использованием сферического коллектора Лукирского и Прелижаева показана на рис. 12.1. Задерживающее поле прикладывается между мишенью и коллектором. Если потенциал коллектора будет больше, чем на мишени, то на коллектор придет полный ток вторичной электронной эмиссии Iee. Вторичная электронная эмиссия характеризуется количеством вторичных электронов на одну первичную частицу: e = Nee/Np.  Интегрально это количество равно отношению токов вторичных и первичных электронов Iee/Ip. Распространенным методом определения скоростей вторичных электронов является использование магнитного энергоанализатора с полукруговой траекторией радиуса  (рис.12.2), то есть через щель пройдут электроны, скорость которых равна . Полученное экспериментальное энергетическое распределение (рис. 12.3) независимо от материала и энергии первичных электронов содержит два высоких максимума. Первый в области малых энергий (< 50 эВ) соответствует истинным вторичным электронам, которые выходят из твердого тела за счет поглощения энергии первичных электронов. Далеко не все  электроны, получившие дополнительную энергию, добираются до поверхности, растрачивая энергию по пути на взаимодействие с ионами решетки и другими электронами. Преодолевшие потенциальный барьер истинные вторичные электроны на выходе имеют энергии, не зависящие от энергии первичных электронов. Работа выхода материала также не оказывает существенного влияния на эмиссию вторичных электронов, так как, во-первых, энергия первичных электронов,  как

правило, гораздо больше работы выхода, во-вторых, эмиссия происходит не из поверхностных слоев, а из глубины металла, поэтому более важным является потеря энергии

при движении электрона к поверхности. Второй, гораздо более узкий максимум находится в области высоких энергий и соответствует упруго отраженным первичным электронам, практически полностью сохранившим свою скорость после

отражения. Положение этого максимума соответствует энергии первичных электронов. Область энергий между этими двумя максимумами соответствует не упруго отраженным вторичным электронам. Таким образом, энергетический

спектр вторичных электронов состоит из широкого пика в области низких энергий, который принадлежит истинно-вторичным электронам, выходящим с глубины 5 - 100  от поверхности, и очень узкого пика отраженных от поверхности электронов  в области высоких энергий с максимумом при энергии, равной энергии первичных электронов. Для характеристики истинной электрон-электронной эмиссии вводят коэффициент вторичной электронной эмиссии e= Ns/Np , где Ns – число истинно вторичных электронов, Np - число первичных электронов, падающих на поверхность в единицу времени. Для характеристики эмиссии отраженных от поверхности первичных электронов используется  коэффициент отражения e = (Ne+Nu)/Np, где Ne и Nu - упруго и неупруго отраженные электроны. Полный коэффициент вторичной электронной эмиссии: . Коэффициент отражения вторичных электронов экспериментально можно определить, подавая на коллектор задерживающий потенциал, равный  , где граница в энергетическом распределении для упруго отраженных (рис.12.3): . Коэффициент неупругоотраженных электронов можно определить из соотношения: ;

Коэффициент истинно вторичных электронов:.

§ 12.2. Качественная теория электронной эмиссии металлов.

Зависимость коэффициента истинной вторичной электронной эмиссии от энергии первичных электронов.

Будем считать, что при движении внутри кристалла первичные электроны расходуют свою энергию главным образом на возбуждение и ионизацию атомов. Сечения

возбуждения и ионизации электронным ударом свободного атома нелинейны, имеют максимум для некоторой энергии и спад при больших энергиях, обусловленный тем, что с увеличением энергии уменьшается время взаимодействия (рис.12.4). Энергия первичных электронов, вызывающих вторичную электронную эмиссию, много больше энергии ионизации, поэтому можно считать, что потери энергии первичных

электронов обратно пропорциональны энергии: . Число вторичных электронов на глубине x пропорционально потерям энергии (рис.12.5): , где - средняя энергия, приходящаяся на создание одного электрона. Возникшие на глубине x вторичные электроны для выхода из

металла должны добраться до поверхности, взаимодействуя (сталкиваясь) со свободными электронами и ионами решетки кристалла. Количество вторичных электронов уменьшается с пройденным расстоянием эквипотенциально: . Действительно:

      . Таким образом,  количество электронов, дошедших до поверхности с глубины x, эквипотенциально уменьшается, тогда коэффициент истинно вторичной электронной эмиссии можно определить как количество вторичных электронов на 1 первичный:

, где  - безразмерная максимальная глубина проникновения первичных электронов с начальной энергией . Т.к. , то , следовательно,. Тогда: . Из этого соотношения можно экспериментально определить n по минимальной энергии , необходимой для проникновения через .

где:    , . Максимальное значение  при  находим из условия из условия .

. Получим так называемое уравнение приведенной кривой:

. Эта зависимость для разных n приведена на рис.12.6. Наличие максимума на энергетической зависимости коэффициента вторичной эмиссии объясняется тем, что глубина, на которую проникают первичные электроны, увеличивается с ростом их энергии (рис.12.7). Далеко не все  электроны, получившие дополнительную энергию, добираются до поверхности, растрачивая энергию по пути на взаимодействие с ионами решетки и другими электронами. С большой глубины вторичным электронам существенно труднее добраться до поверхности, поэтому коэффициент вторичной эмиссии уменьшается. Для различных материалов можно экспериментально определить  и (рис.12.8). Оказалось, что для любых материалов зависимость коэффициента истинной вторичной электронной эмиссии от энергии первичных электронов можно описать одной эмпирической формулой:

.

Положение максимума зависимости коэффициента вторичной электронной эмиссии для разных материалов представлено в таблице 12.1.

Таблица   12.1.

Al

Be

C (алмаз)

С (графит)

Cu

Fe

Mo

Ni

Ta

Ti

W

1.0

0.5

2.8

1.0

1.3

1.3

1.25

1.3

1.3

0.9

1.4

Em[эВ]

300

200

750

300

600

400

375

550

600

280

650

Экспериментально обнаружена зависимость максимального значения коэффициента истинной вторичной электрон-электронной эмиссии от работы выхода . Эта зависимость пока не нашла теоретического объяснения, но зависимость только от работы выхода  об отсутствии влияния поверхности. Соответственно с ростом атомного номера Z и работа выхода электрона из металла и  возрастают.

Преодолевшие потенциальный барьер истинные вторичные электроны на выходе имеют энергии, не зависящие от энергии первичных электронов. Работа выхода материала также не оказывает существенного влияния на эмиссию вторичных электронов, так как, во-первых, энергия первичных электронов,  как правило, гораздо больше работы выхода, во-вторых, эмиссия происходит не из поверхностных слоев, а из глубины металла, поэтому более важным является потеря энергии при движении электрона к поверхности. Использование в эксперименте энергоанализатора высокой разрешающей способности позволяет выявить ряд максимумов в энергетическом распределении истинно-вторичных электронов. Положение максимумов так же не зависит от энергии электронов и является характеристикой

материала мишени. Положение основного максимума  (рис. 12.9) зависит от Z (атомного номера), при , т.к. вторичным электронам сложнее выйти из глубины, и основной вклад дают электроны, получившие энергию вблизи поверхности.

Резонансность процессов не может быть объяснена изложенной выше качественной теорией, и нашла объяснение при рассмотрении Оже-процессов. Эмпирическая зависимость ,  где  - угол падения первичного электрона с нормалью, описывается косинусоидальным законом: .Степень  для углов . Рост коэффициента эмиссии с увеличением угла объясняется уменьшением глубины рождения вторичных электронов.

§ 12.3. Оже-электроны.

Первичный электрон, попадая в глубь металла, передает электрону заполненной зоны С (рис.12.10) энергию, достаточную для перехода последнего в зону проводимости.

В заполненной зоне С возникает вакансия, которая заполняется электроном из верхней заполненной зоны В. При этом выделяется энергия , которая передается какому либо электрону из зона проводимости. Этот электрон выходит из металла в вакуум как истинно-вторичный с энергией . Образовавшиеся

оже-электроны создают ряд максимумов в энергетическом распределении истинно-вторичных электронов (рис.12.9), положение которых соответствуют расстоянию между зонами и не зависит от энергии первичных, то есть, является характеристикой материала мишени. На этом основана возможность анализа состава поверхностного слоя металлов  и чистоту поверхности (оже-спектрометрия).

§ 12.4. Упругоотраженные электроны.

Коэффициент упруго отраженных вторичных электронов  определяется процессами отражения электрона как электромагнитной волны за счет рассеяния на отдельных атомах кристалла, дифракции и интерференции. В отличие от классической дифракции, разрешающей интерференцию рассеянных волн при выполнении условия Брэгга-Вульфа: , где - межатомное рассеяние, - угол падения,  -длина волны де-Бройля отражение происходит для любых и , т.к. из-за взаимодействия электрона с фононами, электронами проводимости, дефектами и т.д. когерентность нарушается.  Эмпирическая зависимость коэффициента отражения ee для нормального падения электронов от атомного номера материала мишени (рис. 12.12) и от энергии первичных

электронов (рис.12.13) и имеет вид: , где m(z)=0.1382–0.9211z-0.5, C(z)=0.1904–0.2236lnz+0.1292ln2z–0.01491ln3z. Зависимость e от угла падения ::.

§ 12.5. Неупругоотраженные электроны.

Неупруго отраженные электроны имеют непрерывный спектр от 50 эВ до энергий, соответствующих упруго отраженным (рис.12.3). Это объясняется тем, что их энергия зависит от потерь при выходе из металла. Эти потери носят вероятностный характер. Но на сплошном энергетическом спектре неупруго отраженных электронов вблизи пика упруго отраженных существуют несколько пиков так называемых характеристических пиков (рис.12.14). Есть несколько теорий, объясняющих характеристический максимум (характеристические потери). Одна связывает их с Оже процессом, другая – с возбуждением первичными электронами плазменных колебаний и взаимодействием

их с плазменными колебаниями. Электроны в металле и ионы в узлах кристаллической решетки образуют коллективную среду, которую можно назвать плазменной. В этой плазме, так же, как и в плазме газового разряда, возможно возбуждение плазменных

колебаний с частотой . Для плотности металла  плазменная частота получается . Колебания с такой частотой можно возбудить, если затратить энергию:, где

1eVДж. Такие колебания называют плазмонами.

Рис. 12.4. Зависимость сечения взаимодействия от энергии.

Характеристические потери

Неупругоотраженных электронов

Неупругоотраженные

электроны

Пик

упругоотраженных

электронов

50

0

, эВ

Истинные

вторичные

Ф (цилиндр Фарадея)

A

K

A

Рис. 12.1. Схема опыта по исследованию вторичной электрон-электронной эмиссии

K

K

A

e

e

A

A

e

Рис. 12.2. Схема опыта по исследованию вторичной электрон-электронной эмиссии

x

e

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Рис. 12.11. Схема  оже-процесса

е

EMBED Equation.3  

Рис. 12.9. Энергетическое распределение истинно-вторичных электронов

0.5

0.3

0.1

EMBED Equation.3  [эВ]

60

20

20

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

10

30

Заполненная зона

Верхняя заполненная зона

е

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

А

е

е

EMBED Equation.3  

Зона проводимости

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  [кВ]

Рис. 12.10. Зависимость коэффициента истинной вторичной эмиссии от угла падения первичных электронов

2

1

EMBED Equation.3  [кэВ]

W

0.1

0.4

0.5

EMBED Equation.3  

Mo

C

5

10

Рис. 12.14. Характеристические пики.

Рис. 12.13. Зависимость коэффициента отражения от энергии первичных

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Рис. 12.3. Распределение вторичных электронов по энергиям

Рис. 12.5. Траектория первичного электрона в толще материала

80

40

Рис. 12.8. Экспериментальная зависимость коэффициента истинной вторичной эмиссии

EMBED Equation.3  

Em

Z

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.3  

5

50

EMBED Equation.3  

Рис. 12.7.Зависимость глубины проникновения электронов от их энергии

Рис. 12.12. Зависимость коэффициента отражения от атомного номера материала мишени

Рис. 12.6. Приведенные кривые.

EMBED Equation.3  

3

EMBED Equation.3  3

2

1

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20157. Узлы координатных перемещений и измерительные преобразователи КИМ 33.5 KB
  Трехкоординатные измерительные приборы предназначены для измерения и контроля размеров корпусных деталей блоки цилиндров корпуса насосов для контроля штампов прессформ для подготовки программ к станкам с ЧПУ. Измерительные системы координатных перемещений предназначены для отсчета перемещения подвижных узлов ТИП при измерении координат точек. Подавляющее большинство ТИП до 80 оснащено фотоэлектрическими измерительными системами имеющими растровые измерительные линейки штриховые меры.
20158. Устройства взаимодействия с измеряемой деталью КИМ 221.5 KB
  Три группы устройств: жесткие щупы; щуповые головки; оптические и проекционнооптические устройства. Щуповые головки являются одним из основных узлов и они в равной степени с измерительным преобразователем и узлами координатных перемещений участвуют в измерении координат точек и определяют точность универсальность и производительность КИМ. Щуповые головки дают возможность автоматизировать процесс измерения на КИМах. Все щуповые головки по принципу функционирования подразделяются на 2е большие группы: щуповые головки нулевыеголовки...
20159. Приборы для измерения угловых величин. Автоколлиматоры. Гоннометры. ОДГ 308 KB
  Изображение секундной и минутной шкал наблюдается с помощью окуляра 6 через полупентопризму 13 которая из мнимого изображения делает действительное. Неподвижный узел – сетка с минутной шкалой и указателем секундной шкалы. Изображение марки отразившись от зеркала 1 попадает между штрихами минутной шкалы и в процессе измерения его совмещают с ближайшим штрихом минутной шкалы. Смещение Δ измеряется по секундной шкале жестко связанной с линзой относительно указателя на минутной шкале и т.
20160. Приборы для измерения угловых величин. Уровни. Квадранты 480 KB
  Преобразователи угловых перемещений. Преобразователи угловых перемещений. непосредственное измерение углов в угловых величинах по угловым шкалам.
20161. Механические и гидростатические приборы при измерении отклонений от прямолинейности и плоскостности 1.31 MB
  Для более точной оценки просвета используют образец просвета рис. Рис.1 Рис.2 На рис.
20162. Оптико-механические и оптические приборы при измерении отклонений от прямолинейности и плоскостности 393 KB
  При проверке автоколлимационным и коллимационным методами измеряют углы наклона последовательно расположенных участков равных шагу измерения по отношению к исходной прямой заданной оптической осью трубы. Сущность метода визирования заключается в измерении расстояния от проверяемой поверхности до оптической оси зрительной трубы. Визирную ось зрительной трубы устанавливают параллельной прямой проходящей через крайние точки проверяемой поверхности при этом отсчёты в крайних точках должны быть одинаковыми. Этот недостаток можно устранить...
20163. Средства измерения отклонения форм цилиндрических поверхностей 94.5 KB
  К отклонениям формы цилиндрических поверхностей относятся: о отклонение от цилиндричности ; о отклонение от круглости ; = отклонения профиля продольного сечения. f φ 2π = f φ Для анализа отклонения профиля поперечного сечения можно использовать совокупность гармонических составляющих определяемых спектром фазовых углов и спектром амплитуд т. R=f φ х; Для аналитического изображения профиля поперечного сечения пользуются разложением функции погрешностей профиля в ряд Фурье: R0 – R = ∆ = f φ fφ=C0 2 ∑Ck coskφ φ0...
20164. Создание удаленных представлений 827 KB
  При создании системы обработки данных не всегда удается обеспечить их хранение в едином формате. Часто возникает необходимость использования данных из уже работающих приложений ктороые написаны не на VFP. Удаленное представление работает на основе соединения которое используя технологию Open Database Connectivity ODBC описывает условия передачи данных.1 Окно диалога Select connection or Available DataSource В списке перечислены соединения определенные в текущей базе данных.
20165. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОНЕНТ OLE 68 KB
  1 был введен новый метод передачи информации в виде объектов между 16разрядными приложениями основанный на модели Object Linking and Embedding OLE 1. Протокол OLE 2. OLE 2.