Ионно-электронная эмиссия

Оглавление

Электронная эмиссия ………………………………………..……………...3

Ионная бомбардировка …………………………………………..…………4

Ионно-электронная  эмиссия ……………………………………….……….6

Кинетическая  электронно-ионная эмиссия ……………………..….……...7

Потенциальная электронно-ионная эмиссия ………………………….…...9

Применение ионно-электронной  эмиссии …………………………….…..11

ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

     Электронная эмиссия - это испускание  электронов поверхностью твёрдого  тела или жидкости. Для того, чтобы  выйти из твердого тела в  вакуум, электрон должен иметь  энергию, которую называют работой выхода, должен преодолеть "потенциальный барьер".

     Эмиссия имеет место всегда, поскольку  всегда есть электроны, имеющие  такую энергию. Однако количество  таких электронов очень быстро  убывает с ростом энергии, и  процесс эмиссии при отсутствии каких-либо воздействий на электроны твердого тела и при отсутствии внешних электрических полей прекращается.

     Поддерживать эмиссию из тела  можно при выполнении следующих  двух условий.

     Первое - создание внешнего электрического  поля, обеспечивающего увод от тела эмитированных электронов. Для этого, в частности, необходим подвод к телу электронов от источника, дабы суммарный заряд тела не возрастал. Второе - подвод к электронам тела энергии, обеспечивающей преодоление потенциального барьера, либо создание такого сильного внешнего поля, что потенциальный барьер делается тонким и становится существенен туннельный эффект (автоэлектронная эмиссия), квантовое проникновение электронов сквозь потенциальный барьер, т.е. эмиссия электронов, имеющих энергию меньше работы выхода. При передаче энергии от бомбардирующих тело фотонов мы имеем фотоэмиссию, от электронов - вторичную электронную эмиссию, от ионов - ионно-электронную эмиссию, от внутренних полей - эмиссию горячих электронов, от решетки - термоэлектронную эмиссию. Все перечисленные механизмы могут действовать одновременно (например - термоавтоэмиссия, фотоавтоэмиссия). Если внешнее поле, обеспечивающее увод от тела эмитированных электронов, недостаточно для автоэлектронной эмиссии, но достаточно для понижения потенциального барьера, становится заметен эффект Шоттки - зависимость эмиссии от внешнего поля. 

     В очень сильных импульсных  электрических полях туннельная  эмиссия приводит к быстрому  разрушению (взрыву) микроострий на  поверхности эмиттера и к образованию вблизи поверхности плотной плазмы (взрывная эмиссия). Взаимодействие этой плазмы с поверхностью эмиттера и эмиссия электронов из плазмы позволяют получить большие токи, но лишь в виде коротких импульсов и - в отличие от всех прочих видов эмиссии - ценой разрушения эмиттера.

     В случае, когда эмитирующая поверхность  неоднородна и на ней имеются  "пятна" с различной работой  выхода, над её поверхностью возникает  электрическое поле "пятен". Это  поле тормозит электроны, вылетающие из участков катода с меньшей, чем у соседних, работой выхода. Внешнее электрическое поле складывается с полем пятен и, возрастая, устраняет тормозящее действие последнего. Вследствие этого эмиссионный ток из неоднородного эмиттера растет при увеличении поля быстрее, чем в случае однородного эмиттера (аномальный эффект Шоттки). 

ИОННАЯ  БОМБАРДИРОВКА

    Ионная бомбардировка поверхности твёрдых тел - приводит к возникновению взаимосвязанных процессов, основные из которых - объёмное и поверхностное рассеяние бомбардирующих ионов (в том числе и с изменением их зарядового состояния), эмиссия из различных конденсированных сред заряженный и нейтральных частиц и их комплексов (ионно-ионная эмиссия, ионно-электронная эмиссия, распыление, ионно-стимулированная десорбция с поверхности твёрдого тела), испускание электро-магнитного излучения с широким спектром частот (ионолюминесценция, ионно-фотонная эмиссия рентгеновское излучение), различные радиационные процессы, в том числе образование дефектов как в объёме твёрдого тела, так и на его поверхности. Первый этап всех процессов - элементарный акт столкновения иона с атомом твёрдого тела, результатом которого является перераспределение энергии и импульса бомбардирующего иона между рассеянным ионом и атомом мишени. Акт столкновения приводит к возникновению протяжённых последовательностей столкновений (например, фокусоны, динамические краудионы) и каскадов атомных столкновений, а также процессов, сопровождающих перестройку электронных оболочек партнёров столкновения, что и обусловливает всю совокупность вторичных процессов, вызванных ионной бомбардировкой. В отличие от атомных столкновений в газах столкновения в твёрдых телах характеризуются малостью межатомных расстояний, а также наличием упорядоченности в расположении атомов и коллективизированных электронов. Малость межатомных расстояний по сравнению с газами приводит к тому, что при расчёте последовательных столкновений необходимо учитывать различия в потенциалах взаимодействия сталкивающихся частиц, смещение рассеивающего атома за время столкновения, а также возможность одновременного (или почти одновременного) столкновения атома либо иона сразу с двумя и более атомами мишени.

      Упорядоченность в расположении атомов приводит к тому, что последовательности столкновений могут оказаться коррелированными, что обусловливает сильные ориентационные эффекты как в прохождении ионов через вещество, так и в различных эмиссионных и радиационных процессах.      Наличие коллективизированных электронов приводит к диссипации энергии при прохождении ионов через вещество даже в тех случаях, когда движущийся ион не испытывает сильных (то есть с отклонением на большой угол) столкновений с атомами твёрдого тела, в частности при каналировании заряженных частиц. Ионная бомбардировка наблюдается в естественных условиях (например, ионная бомбардировка искусств, спутников Земли в околоземном и космических пространствах), в лабораторных условиях (например, в электро-магнитных разделителях изотопов). Она эффективно используется в микроэлектронике для легирования полупроводников 

ИОННО-ЭЛЕКТРОННАЯ  ЭМИССИЯ

     Ионно-электронная эмиссия – испускание электронов под действием ионов. Известны два механизма ионно-электронной эмиссии: кинетический – выбивание электронов из тела за счет кинетической энергии иона и потенциальный – вырывание электронов из тела полем подлетающего иона. Если атом или ион находится в возбужденном, например, метастабильном состоянии, то энергия иона может быть использована для освобождения электрона из металла. Имеется несколько механизмов потенциальной эмиссии электрона. Два из них представлены на рисунке. Слева показана схема прямой оже-нейтрализации. К поверхности приближается ион, находящийся в основном электронном состоянии. При приближении к поверхности высота потенциального барьера постепенно уменьшается, и один из электронов зоны проводимости металла (энергия связи α) совершает тунельный переход, в результате которого образуется атом в основном состоянии, а избыточная энергия передается второму электрону металла (энергия связи β). В результате появляется свободный электрон с энергией I − α − β. Очевидно, что кинетическая энергия выбитого электрона может лежать в интервале

(I − 2ϕ) ÷( I − 2ε0).

Если  к поверхности приближается атом имеющий незаселенный метастабильный уровень с энергией связи ε, то возможен процесс, называемый оже-релаксация. На первой стадии процесса электрон из металла тунелирует “по горизонтали” на метастабильный уровень атома. На второй стадии второй электрон металла (энергия связи β) тунелирует в основное состояние атома, а метастабильный электрон освобождается. Его кинетическая энергия равна I − ε − β. Кинетическая энергия выбитого электрона лежит в интервале 
( I − ε – ϕ) ÷( I − ε − ε0).

    Коэффициент потенциальной эмиссии увеличивается с увеличением энергии ионизации иона и уменьшением работы выхода мишени, и для пар Ne+/W (неон/вольфрам), He+/W (гелий/вольфрам), Ar+/W (аргон/вольфрам) составляет, например, 0,24, 0,24 и 0,1 соответственно, и слабо зависит от энергии ионов. Для Мо (молибденовой) мишени и тех же ионов эти коэффициенты примерно на 10% больше. При бомбардировке многозарядными ионами ионно-электронная эмиссия возрастает – для двух, трёх, четырёх зарядных ионов она больше, чем для однозарядных, примерно в 4, 10, 20 раз соответственно. Потенциальная ионно-электронная эмиссия сильно зависит от состояния поверхности, поскольку она определяется работой выхода. Это влечет относительно большой разброс экспериментальных данных. 

КИНЕТИЧЕСКАЯ  ИОННО-ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

При бомбардировке  ионами можно анализировать поступающие из образца атомы, ионы, электроны и электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение может генерироваться двумя способами. Когда ион водорода или гелия с энергией более 100 кэВ входит в материал, он выбивает электрон из внутренней оболочки атома, на это место переходит электрон из внешней оболочки и одновременно испускается квант рентгеновского излучения. Энергия кванта равна разности энергий электрона на двух оболочках, и она различна для разных элементов. Но применение ядер с указанной энергией для исследования поверхности технически сложно. А для прочих ионов при меньших энергиях механизм генерации излучения следующий: при сближении иона и атома электрон переходит из атома в ион (если в ионе есть на какой-либо из оболочек подходящее по энергии незаполненное место (вакансия)). В результате образуется вакансия уже в атоме, а дальнейшее нам известно: другой электрон попадает в эту вакансию и генерируется квант. При переходе электрона с внешней оболочки на внутреннюю избыточная энергия может не только выделяться в виде кванта электромагнитного излучения, но и передаваться какому-либо другому электрону. Если полученной энергии окажется достаточно, электрон может покинуть атом. По энергии такого электрона также можно установить, из атома какого элемента он произошел.

Кинетическая  вторичная эмиссия наблюдается для любых сочетаний ион-металл и возрастает с увеличением энергии ионов. Явления вторичной ионно-электронной эмиссии имеют место в газовом разряде и газоразрядных приборах (Г-процессы). Вторичная кинетическая ионно-электронная эмиссия (ВИЭ) начинается с некоторого порогового значения энергии ионов и характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии – Г и энергетическим спектром эмитированных электронов. При бомбардировке ионами с энергией до 1 кэВ наблюдается потенциальная эмиссия, существенно не зависящая от энергии ионов. После превышения порогового значения начинает преобладать кинетическая энергия. При этом Г монотонно возрастает с увеличением энергии ионов и только при энергиях сотни кэВ достигает максимума. Для большинства ионов и материалов зависимость Г(Е0) при малых значениях Е0 близка к линейной, а при больших энергиях переходит к параболической. Зависимость Г(Е0) от сорта ионов связана с различиями в строении электронных оболочек, а не с разницей масс частиц.

Коэффициент распыления практически не зависит  от температуры в диапазоне

300 –  20000К, если не происходит изменения состояния поверхности. Изменение давления газа на несколько порядков также не влияют на гамма тугоплавкие металлы при разных температурах.

Для диэлектриков ионно-электронная эмиссия имеет  ряд особенностей:

1. Значения  Г для них в 10 – 100 раз выше чем для металлов;

2. Потенциальная  эмиссия обнаруживается лишь для некоторых сочетаний

ион-материал, при этом соблюдается условие  E0 >= 2W0 , где W0 – энергия

связи электрона в диэлектрике;

3. Линейность  функции Г(Е) наблюдается при меньших энергиях ионов, чем

для тугоплавких  металлов;

4. Пороговое  значение энергий для кинетической эмиссии на порядок меньше, чем для металлов.

Энергетическое  распределение вторичных электронов слабо зависит от массы

и заряда иона, а также от их скорости. При  изменении энергии ионов от десятков эВ на несколько порядков наиболее вероятная энергия вторичных электронов возрастает только в 2 – 3 раза. Энергетический спектр при кинетической

энергии определяется распределением в заполненных  зонах металла, образующихся при столкновениях ионов с атомами металла.

Некоторая зависимость энергетического спектра электронов от энергии ионов

объясняется тем, что с увеличением их энергии  дырки образуются на большой

глубине в заполненной зоне и при их Оже-нейтрализации возбуждаются электроны с большей энергией.

На вторичную  эмиссию оказывает влияние состояние поверхности, в частности

адсорбированные газы и всевозможные загрязнения, при  этом изменяется Г и

изменяется  стабильность эмиссии во времени. При  увеличении энергии ионов

влияние адсорбции резко уменьшается  и становится незначительным при 
Е0 > 15 – 20 кэВ.

Отражение ионов от поверхности твердого тела, как и отражение электронов,

наблюдается в широком интервале энергий  и для различных сочетаний ион-материал. Однако, в связи с тем, что коэффициент отражения и энергетическое

распределение отраженных ионов сильно зависит от состояния поверхности и

наличия адсорбированных молекул газа, наиболее изученным является процесс

отражения ионов щелочных металлов для тепловой обработки при использовании безинерционных методов измерений. Эксперименты показывают, что коэффициент отражения сильно зависит от энергии ионов при энергиях ионов меньше 660 эВ. При больших энергиях эта зависимость становится слабой и коэффициент отражения стремится к постоянному значению, зависящему от сочетания ион-мишень.

Закон углового распределения отраженных ионов близок к косинусоидальному, то есть количество отраженных ионов уменьшается с увеличением угла вылета.

Количество  ионов, вылетающих нормально к поверхности  при различных углах

падения первичного пучка, практически не зависит  от угла падения. 

ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ИОННО-ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

Существует  еще один путь возникновения ионно-электронной эмиссии, её, в отличие от описанной выше кинетической (зависящей от кинетической энергии ионов), называют потенциальной. При подходе иона к поверхности электрон может перейти из образца в ион (посредством автоэлектронной эмиссии), а избыточная энергия передается другому электрону образца, и если она превышает работу выхода, то электрон из образца может вылететь в вакуум.

Из всех методов, связанных с ионной бомбардировкой, наиболее широко используются методы, связанные с потоком  ионов, идущих от образца. Основных таких методов два. В одном из них исследуют рассеянные образцом первичные ионы, во втором — распыленные ионы материала объекта. Начнем с первого. Ион массы т налетает на поверхность, сталкивается с атомом массы М и отражается под углом 6 —С—С" и 6 = 90° (наиболее простой случай, стараются им и пользоваться) энергия отраженного иона относится к энергии падающего, как (М — т)/(М + т). Измерив отношение энергий, можно установить, с атомом какого элемента столкнулся ион.

К сожалению, при отлете от поверхности не менее 99% ионов нейтрализуется (превращается в нейтральные атомы), и энергетический анализатор их «не чувствует». Кроме того, метод усложняется из-за многократных столкновений ионов с атомами. Однако по угловому распределению отраженных ионов можно определить и взаимное расположение атомов. Сигнал от атомов, расположенных «глубоко», можно наблюдать только при движении ионов перпендикулярно к поверхности. Размер анализируемого участка («локальность») в этом методе составляет около микрометра.

Высокая чувствительность и локальность  привели к тому, что этот метод  сейчас один из наиболее распространенных, так же, как и второй метод этой группы — анализ масс ионов, выбитых из поверхности объекта. Этим методом можно устанавливать состав поверхности на такой же маленькой площади и он так же чувствителен к составу первого слоя атомов. 
 

ПРИМЕНЕНИЕ  ИОННО-ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ

Востребованность  в познании физических процессов, протекающих на поверх-

ности металлов и химических соединений на их основе при воздействии на нее ускоренных частиц, напрямую связана со значительным количеством работ, выполненных в этом направлении. Полагали, что бомбардирующая частица вызывает эмиссию вторичных ионов, нейтральных атомов и электронов. Однако картина вторичных процессов, происходящих при взаимодействии ускоренных частиц с такой поверхностью, оказалась гораздо сложнее, как в отношении наблюдаемых явлений, так и в отношении вторичных частиц.

Количественно каждое из этих явлений характеризуется соответствующим коэффициентом вторичной эмиссии – числом вторичных частиц, приходящихся на одну падающую первичную. Обычно определяют значения этих коэффициентов, их зависимость от массы, потенциала ионизации, энергии, угла падения первичных частиц, природы, состояния и температуры бомбардируемого материала (мишени).

Физика  этих процессов уже давно служит базисом для промышленных разработок: электронно-ионные технологии, источники электронов и ионов вакуумных и газоразрядных приборов и др. Ограничившись системой ион – мишень, заметим, что в ней наиболее часто применяют ионы, несущие положительный заряд, хотя могут быть использованы и отрицательные ионы, и нейтральные атомы.

Характеризуется процесс ионно-электронной эмиссией – испусканием электронов поверхностью мишени. При этом происходит передача бомбардируемой мишени как поступательной энергии ионов (кинетическое выбивание), так и энергии, выделяющейся при их нейтрализации (потенциальное вырывание). При определенных условиях может возникать ионно-ионная эмиссия – испускание вторичных ионов поверхностью мишени при бомбардировке ее первичными ионами. Наряду с этим, при бомбардировке поверхности мишени положительными ионами происходит выбивание трех сортов частиц: атомов мишени, атомов и молекул загрязнений на ее поверхности и комплексов атомов, соответствующих химическим соединениям, образовавшимся в результате взаимодействия атомов и молекул загрязнений с атомами и молекулами мишени. Выбитые частицы могут покинуть бомбардируемую поверхность как в нейтральном состоянии, так и в виде положительных и отрицательных ионов.

Управлять этими  сложными физическими процессами в системах мишень – вакуум (газ) появляется практическая необходимость при создании долговечных источников заряженных частиц – вторично эмиссионных катодов. Они по-прежнему востребованы при разработке и производстве долговечных вакуумных сверхвысокочастотных приборов и газоразрядных лазеров. Так в газоразрядных гелий-неоновых (He-Ne) лазерах их основа – холодные катоды, поставляя в плазму тлеющего разряда вторичные электроны, полученные с их поверхности в процессе ионно-электронной эмиссии, в то же время распыляются. В диапазоне давлений He-Ne смеси 100…200 Па в результате бомбардировки, в основном ионами тяжелой компоненты (Ne+), процесс распыления поверхности холодных катодов наиболее интенсивен.