Вторичная электронная эмиссия

Вторичная электронная эмиссия — это испускание электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости под воздействием бомбардировки её потоком первичных электронов. Данное явление относится к одному из видов электронной эмиссии и широко используется в вакуумной электронике, физике плазмы и измерительной технике.

Физическая сущность процесса

Вторичная электронная эмиссия возникает, когда первичный электрон, попадая в вещество, передаёт свою энергию электронам материала. В результате этого часть электронов приобретает энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера на поверхности и выхода в вакуум. Испущенные таким образом электроны называются вторичными.

Коэффициент вторичной электронной эмиссии

Основной количественной характеристикой процесса является коэффициент вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ, обозначается δ), который определяется как отношение числа вторичных электронов к числу первичных электронов, падающих на поверхность:

δ = I_вт / I_перв

где I_вт — ток вторичных электронов, I_перв — ток первичных электронов.

КВЭЭ зависит от:

• энергии первичных электронов;
• угла падения первичного пучка;
• материала и состояния поверхности эмиттера;
• температуры образца.

Для большинства чистых металлов КВЭЭ составляет от 0,5 до 1,8. Для диэлектриков и полупроводников этот коэффициент может достигать значений 2–10 и более.

Механизмы эмиссии

Различают несколько механизмов, вносящих вклад в полный ток вторичных электронов:

Истинно вторичные электроны

Электроны, выбитые из атомов или молекул материала первичными электронами в результате неупругих столкновений. Их энергия обычно не превышает 50 эВ, а максимум распределения приходится на 2–5 эВ. Эти электроны составляют основную часть вторичного тока.

Упруго и неупруго отражённые электроны

Часть первичных электронов отражается от поверхности без потери энергии (упругое отражение) или с частичной потерей энергии (неупругое отражение). Их энергия близка к энергии первичных электронов. Доля таких электронов в общем токе обычно невелика (менее 10 %), но возрастает при высоких энергиях первичных частиц.

Оже-электроны

При ионизации внутренних оболочек атомов первичными электронами возможен оже-переход, в результате которого испускается электрон с характерной энергией, зависящей от атомного номера элемента. Этот механизм лежит в основе оже-электронной спектроскопии.

Зависимость от энергии первичных электронов

Типичная зависимость КВЭЭ от энергии первичных электронов имеет вид кривой с максимумом. При малых энергиях (до 10–100 эВ) коэффициент мал, так как первичные электроны не могут проникнуть глубоко и передать энергию достаточному числу атомов. С ростом энергии КВЭЭ увеличивается, достигает максимума при энергии порядка 100–1000 эВ (в зависимости от материала), после чего начинает снижаться из-за того, что первичные электроны проникают слишком глубоко, и вторичные электроны не могут выйти на поверхность.

Влияние материала и состояния поверхности

Металлы

Для чистых металлов КВЭЭ обычно не превышает 1,8. Наибольшие значения наблюдаются у щелочных и щелочноземельных металлов (например, у цезия δ ≈ 1,8). У переходных металлов (железо, никель, медь) КВЭЭ составляет 1,0–1,4.

Полупроводники и диэлектрики

У этих материалов КВЭЭ может быть значительно выше — до 10 и более. Это связано с тем, что в них меньше свободных электронов, и первичные электроны тратят энергию на возбуждение связанных электронов, которые затем могут выйти наружу. Примеры: кремний (δ ≈ 2,5), германий (δ ≈ 2,8), оксид магния (δ ≈ 20–25).

Загрязнение поверхности

Наличие адсорбированных газов, оксидных плёнок или загрязнений может существенно изменять КВЭЭ. Например, на поверхности алюминия, покрытого оксидной плёнкой, КВЭЭ может возрасти в 2–3 раза по сравнению с чистым металлом.

Применение

Вакуумные электронные приборы

Вторичная электронная эмиссия используется в электронно-лучевых трубках, фотоэлектронных умножителях (ФЭУ), динатронах и других приборах для усиления слабых электронных потоков. В ФЭУ первичные электроны, выбитые фотоэмиссией, попадают на динады — специальные электроды с высоким КВЭЭ, где происходит умножение числа электронов.

Электронная микроскопия

В растровых электронных микроскопах вторичные электроны используются для формирования изображения поверхности образца. Благодаря низкой энергии вторичных электронов (до 50 эВ) они выходят из очень тонкого приповерхностного слоя (1–10 нм), что обеспечивает высокое разрешение.

Спектроскопия

Оже-электронная спектроскопия (ОЭС) основана на анализе энергетического спектра вторичных электронов, испущенных при оже-переходах. Этот метод позволяет определять элементный состав поверхности с высокой чувствительностью.

Плазменные технологии

В плазме газовых разрядов вторичная электронная эмиссия с электродов влияет на поддержание разряда и его характеристики. В частности, в магнетронных распылительных системах эмиссия вторичных электронов с катода усиливает ионизацию рабочего газа.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое применение, вторичная электронная эмиссия имеет ряд ограничений. Коэффициент эмиссии сильно зависит от состояния поверхности, что затрудняет получение воспроизводимых результатов. При длительной работе в вакуумных приборах происходит загрязнение поверхностей, что снижает эффективность. Кроме того, при высоких плотностях тока первичных электронов возможно разрушение материала катода или динадов.

Интересные факты

• В 1928 году советский физик Пётр Капица впервые экспериментально наблюдал вторичную электронную эмиссию при бомбардировке металлов электронами с энергией до 10 кэВ.
• В фотоэлектронных умножителях коэффициент усиления за счёт вторичной эмиссии может достигать 10^8, что позволяет регистрировать единичные фотоны.
• В некоторых материалах, например в оксиде магния, КВЭЭ может превышать 20, что делает их незаменимыми для создания высокоэффективных динадов.

Источники

1. Бронштейн И. М., Фрайман Б. С. Вторичная электронная эмиссия. — М.: Наука, 1969.
2. Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В. Эмиссионная электроника. — М.: Физматгиз, 1966.
3. Шульман А. Р. Вторичная электронная эмиссия. — Л.: ЛГУ, 1970.
4. Хиршберг Я. Б. Вторичная электронная эмиссия. — М.: Энергия, 1970.
5. Капица П. Л. Экспериментальные исследования вторичной электронной эмиссии // Журнал экспериментальной и теоретической физики. — 1928. — Т. 4, № 1.