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

44 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

26666. Эстетическая ценность урбанизированного ландшафта 1.67 MB
  Нами было выявлено несколько конструктивных ошибок большинства авторов: склонность к популяризации научных изысканий изложения работ отталкивание от философских категорий непрактичный аспект конфликтность оперируемых понятий игнорирование факта раздела восприятия человека на три уровня. В частности в медицине и психологии уже существуют некоторые представления о психофизическом воздействии цвета на организм человека.3 Оперирование древними инстинктами человека в современном рекламном дизайне Глава 3. Интерпретировать факторы восприятия...
26667. Экологические проблемы нефтедобывающей промышленности 8.38 MB
  Историческая справка о нефти. Возникновение нефти . Добыча нефти и газа . Современная технология добычи нефти .
26668. Утилизация и захоронение РАО в Архангельской области (Миронова гора) 12.32 KB
  Об этом на последнем заседании координационного совета по вопросам организации мероприятий по охране окружающей среды сообщил начальник отдела ядерной и радиационной безопасности Севмашпредприятия Михаил Малинин. Горожанам думается небесполезно узнать что специалистами ФГУП ВНИИпромтехнологии в свое время были разработаны мероприятия по организации санитарнопропускного режима и созданию системы непрерывного радиационного контроля физической защиты систем энергопитания и связи на Мироновой горе. В частности член координационного...
26669. Антропогенные опасности на территории Архангельской области 74.84 KB
  Ломоносова Естественногеографический факультет Географии и геоэкологии Реферат на тему: Антропогенные опасности на территории Архангельской области Выполнил: студент 4 курса отделения природопользования ...
26670. Воздействие нефтедобычи в НАО на многолетние мерзлые породы 17.11 KB
  В Государственном докладе О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2005 году отмечается что наибольший суммарный объем выбросов в атмосферу зафиксирован для предприятий по добыче сырой нефти и нефтяного попутного газа – 41 млн. м свежей воды в том числе при добыче сырой нефти и природного газа – 7015 млн. Аэробная зона – источник выделения углекислого газа образующегося при разложении органики в кислородной среде а анаэробная зона продуцирует метан. Парниковый эффект метана превышает действие равного количества...
26671. Проблемы освоения и добычи углеводородов в НАО 16.34 KB
  Основные технологические проблемы освоения морских нефтегазовых месторождений связаны со спецификой технологических условий на этапах обустройства месторождения и добычи. Вместе с тем существенных усилий требуют подготовка и транспортировка углеводородов
26672. Состояние здоровья взрослого населения в Архангельской области 47.5 KB
  Для изучения состояния здоровья населения Архангельской области проведен ретроспективный анализ многолетней динамики первичной заболеваемости и оценена тенденция заболеваемости путем выравнивания динамического ряда по функции экспоненциальной кривой. Анализ состояния здоровья совокупного населения Архангельской области показал что высокий темп прироста ТПр частоты заболеваемости свыше 10 и выраженная тенденция к росту за 5летний период установлены только для класса Врожденные пороки развития 1237 и 089 соответственно. Динамика...
26673. ПРИРОДНЫЕ ПАРКИ 10.83 KB
  природоохранные рекреационные учреждения находящиеся в ведении субъектов Российской Федерации территории акватории которых включают в себя природные комплексы и объекты имеющие значительную экологическую и эстетическую ценность и предназначены для использования в природоохранных просветительских и рекреационных целях . принимают органы государственной власти субъектов РФ по представлению федеральных органов в области охраны природной среды по согласованию с органами местного самоуправления.
26674. ЗОЛОТОЕ КОЛЬЦО РОССИИ 98.88 KB
  МОСКВА Бывают городатруженики городакоммерсанты городаханжи городамузеи городавенценосцы . Так писал о городах К. В этих городах сочетаются уникальные памятники архитектуры скромная красота природы и гений человека его мастерство видение жизни и стремление украсить свой быт народные промыслы. Так что же входит в понятие Золотое Кольцо Это сама Москва и окружающие ее областные города: Ярославль Кострома Владимир Иваново и множество районных городов: Ростов Великий Суздаль ПереславльЗалесский Нерехта Плесс Палех...