Ионно-электронная эмиссия

Рассмотрение процесса взаимодействия ионов с твёрдыми телами. Изучение характеристик электронной эмиссии, а также ионной бомбардировки. Зависимость выхода электронов из твёрдого тела от кинетической и потенциальной энергии бомбардирующих частиц.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Оглавление

Введение

1. Электронная эмиссия

2. Ионная бомбардировка

3. Ионно-электронная эмиссия

4. Потенциальная ионно-электронная эмиссия

5. Кинетическая ионно-электронная эмиссия

6. Применение ионно-электронной эмиссии

Список используемой литературы

Введение

Взаимодействие ионов с твёрдыми телами приводит к возникновению взаимосвязанных процессов, основные из которых - рассеяние бомбардирующих частиц (в том числе и с изменением их зарядового состояния), эмиссия заряженных и нейтральных частиц и их комплексов (ионно-ионная, ионно-электронная эмиссии, распыление) испускание электромагнитного излучения с широким спектром частот (ионно-фотонная эмиссия, ионолюминесценция, рентгеновское излучение), различные радиационные процессы.

Первым этапом всех этих процессов является элементарный акт столкновения иона с атомом твёрдого тела, результатом которого является перераспределение энергии и импульса бомбардирующего иона между рассеянным ионом и атомом отдачи мишени. Акт столкновения может привести к возникновению каскада атомных столкновений, а также процессов, сопровождающих перестройку электронных оболочек партнёров столкновения, что и обуславливает всю совокупность вторичных процессов, вызванных взаимодействием ионов с твёрдым телом. Другими словами, результирующие неупругие процессы, вызывающие выход электронов из твёрдого тела, зависят как от кинетической, так и потенциальной энергии бомбардирующих частиц.



1. Электронная эмиссия

Если вне тела нет потенциальных полей, то потенциальная энергия U(r) электрона во всём пространстве одинакова и обычно принимается равной нулю. При этом полная энергия покоящегося вне тела электрона также равна нулю. Если электрон вне тела движется, то его полная энергия Eн при этом может быть только положительной. Таким образом в отсутствие силовых полей вне тела Eн?0. Внутри тела возможны состояния электронов с энергиями Eв как положительными, так и отрицательными (рис. 1).

Рис. 1

В основном невозбуждённом состояние системы электронов тела (Т=0) электроны занимают наиболее низкие энергетические уровни с энергиями Eв0 вплоть до уровней (Eв)max, равного E0, причём E0<0. Но тогда также и Eв0<0. Электроны, находящиеся в этих состояниях, не могут выходить из тела. Следовательно, эмиссия электронов (т.е. испускание электронов поверхностью твёрдого тела или жидкостью) в пространство, где U(r)=0, при Т=0 невозможна. Для того чтобы некоторые из электронов тела могли выходить из него и участвовать в электронной эмиссии в этих условиях, их необходимо предварительно возбудить, т.е. сообщить им тем или иным способом дополнительную энергию ?E такую, чтобы их энергия в возбужденном состоянии Eв, равная Eв0+?E, стала положительной (рис.1, переход 1). Этот класс эмиссии называется эмиссией с предварительным возбуждение электронов эмиттера.

Возможны также эмиссии электронов и без предварительного возбуждения. Действительно, если вне тела вблизи его поверхности имеется силовое поле, тянущее электроны от границы тела, то потенциальная энергия электрона в этом поле будет убывать с расстоянием от поверхности. Например, если к поверхности приложено внешнее однородное поле напряжённостью е, то потенциальная энергия в нём на расстоянии x от границы тела равна U(x)=U0 - eеx, где U0-потенциальная энергия электрона при x=0, т.е. на границе тела. Без ограничения общности её можно положить нулю, тогда U(x)=-eеx. Полная энергия, с которой может теперь существовать электрон в области пространства с x>x*, Eн?U(x)= - eеx*, т.е. при наличии силовых полей у поверхности тела, энергия электрона вне его может быть отрицательной и, в частности, принимать значения Ен=Ев0?Е0. Хотя эти области, в которых могут двигаться электроны с Ев0=Ен, разделены пространственно-потенциальным барьером, где U(x)>Ево, в соответствие с представлениями квантовой механики возможен переход электрона из тела во внешнее пространство путём туннельного эффекта (рис.1, переход 2).

Рис. 2

Эмиссия при этом не требует предварительного возбуждения его. Аналогичная ситуация имеет место, если вблизи поверхности тела находится положительный ион, создающий кулоновскую потенциальную яму (рис. 2). В эту яму электроны тела могут переходить путём туннельного эффекта. Этот класс эмиссии будем называть эмиссией без предварительного возбуждения. Возможна и комбинированная эмиссия, при которой действую оба механизма.

2. Ионная бомбардировка

Ионная бомбардировка поверхности твёрдых тел приводит к возникновению взаимосвязанных процессов, основные из которых - объёмное и поверхностное рассеяние бомбардирующих ионов, эмиссия из различных конденсированных сред заряженных и нейтральных частиц и их комплексов (ионно-ионная эмиссия, ионно-электронная эмиссия, распыление, ионно-стимулированная десорбция с поверхности твёрдого тела), испускание электромагнитного 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 (рис. 3). Вначале всех процессов - столкновение иона с атомом твёрдого тела, результатом которого является перераспределение энергии и импульса бомбардирующего иона между рассеянным ионом и атомом мишени. Столкновения приводит к возникновению протяжённых последовательностей столкновений (например: динамические краудионы - одномерное сгущение в расположении атомов или ионов в кристалле) 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 (переход части энергии упорядоченных процессов в энергию неупорядоченных процессов, в частности в тепло) 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 (движение заряженных частиц внутри монокристалла вдоль "каналов", образованных параллельными рядами атомов или плоскостей). Ионная бомбардировка наблюдается в естественных условиях (например, ионная бомбардировка искусственных спутников Земли в околоземном и космическом пространствах), в лабораторных условиях (например, в электромагнитных разделителях изотопов). Она эффективно используется в микроэлектронике для легирования полупроводников.

Рис. 3



3. Электронно-ионная эмиссия

Взаимодействие ионов с кристаллами вызывает ряд явлений, в том числе эмиссии электронов и ионов. При взаимодействие ионов с поверхностью тела наблюдается эмиссия электронов, характеризуемая коэффициентом ионно-электронной эмиссии, равным отношению числа эмитированных электронов ne к числу попавших за это же время на туже поверхность мишени ионов np, т.е.

.

Для однозарядных ионов

,

где ie и ip - сила тока электронов идущих от эмиттера, и сила токов ионов, падающих на эмиттер. В случае эмиссии под воздействие ионов с зарядом

ze'

Эмитируемые электроны возникают в результате двух различных процессов: процесса, связанных с возбуждением электронов тела за счёт кинетической энергии падающего иона, и процесса, обусловленного возбуждением электронов тела за счёт потенциальной энергии электронов эмиттера в поле иона. Первый вид эмиссии называется кинетической, второй - потенциальной ионно-электронной эмиссией. Каждая из них характеризуется своими коэффициентами кинетической и потенциальной эмиссии: гк и гп.

При наличии обоих эмиссии измеряемый на опыте полный коэффициент г равен их сумме:

г=гк+гп.

Далее будут рассмотрены основные закономерности и механизмы кинетической и потенциальной ионно-электронных эмиссий в отдельности.

4. Потенциальная ионно-электронная эмиссия

Данное явление было открыто в 1928г. Пеннингом. Исследуя зависимость г от энергии падающих ионов Ер, он обнаружил, что для некоторых сортов ионов и типов мишеней ординаты кривой г(Ер) при приближении Ер к нулю стремятся не к нулю, но к некоторому значению конечному значению гп0 (рис.4,а). Это показало, что существуют испускание электронов, не связанное с кинетической энергией падающих ионов. Например, при взаимодействие ионов гелия (Не+) с никелевой (Ni) мишенью гп0 = 0,09. Эта величина и есть гп(Ер=0), причём сильное возрастание г с у...