Механизм зарядки диэлектрических мишеней при облучении электронными пучками с энергией 1 – 50 кэВ (1103812), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Эмиссионная электронная характеристика диэлектрических мишеней, снятая вэкспериментальныхусловиях,недопускающихзарядки,значительноотличаетсяотхарактеристики, полученной при непрерывном электронном облучении, заряжающем образец.Коэффициент эмиссии во втором случае существенно ниже, чем в первом.2. При отрицательной зарядке диэлектрика происходит сдвиг равновесной энергииоблучающих электронов в сторону уменьшения его значения, причем эта кроссоверная энергияне является константой вещества, а зависит от исходной энергии первичных электронов.3. Существует лишь единственное значение энергии облучающих электронов, при которомобразец не подвергается воздействию эффектов зарядки, т.е. когда одновременно выполняютсявсе условия равновесия: коэффициент эмиссии электронов равен единице, заряды неаккумулируются, потенциалы и поля вблизи поверхности и в объеме мишени равны нулю.4. Процесс зарядки мишени происходит с разной скоростью и имеет две временные составляющие: быструю (длительность миллисекунды) и медленную (в интервале секунд и минут).При выборе более высокой энергии первичных электронов зарядка мишени до равновесногосостояния происходит быстрее во времени, чем при исходной малой энергии электронов.5.
Уменьшение коэффициента эмиссии электронов объясняется не только образованиемвозвратных потенциальных барьеров для вторичных электронов, но и их рекомбинацией в слоеположительного заряда, а также возможным образованием экситонов и поляронов.6. Значения равновесных поверхностных потенциалов для пленочных диэлектриковнелинейно зависят от их толщины и определяются площадью заряженной области, глубинойпробега первичных электронов и толщиной пленки.67.
О зарядовом состоянии облучаемой электронами диэлектрической мишени нельзя судить только по анализу вторично-эмиссионной электронной характеристики. Для исчерпывающей информации о зарядке необходимо комплексное изучение величины и знака аккумулируемого заряда, поверхностного потенциала и эффективного коэффициента эмиссии электронов.Апробация работы.Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедрыфизической электроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, а также нароссийских и международных конференциях и симпозиумах, в том числе: VI Национальнаяконференция по применению Рентгеновского, Синхротронного излучений, Нейтронов иЭлектронов для исследования материалов, г.
Москва, (Россия) 2007 г.; XV Российскийсимпозиум по РЭМ, г. Черноголовка, МО (Россия) 2007 г.; XI Международная конференция пофизике диэлектриков, г. Санкт-Петербург (Россия) 2008 г.; 14th European Microscopy Congress,Aachen (Германия) 2008 г.; XXII Российская конференция по электронной микроскопии, г.Черноголовка МО, (Россия) 2008 г.; XVII Международная конференция по электростатическимускорителям и пучковым технологиям, г. Обнинск МО (Россия) 2008 г.; IX Межвузовскаянаучная школа молодых специалистов, Москва (Россия) 2008 г.ПубликацииПо теме диссертации опубликовано 10 работ (4 статьи в реферируемых журналах и 6тезисов докладов на конференциях), список которых приведён в конце автореферата.Личный вклад автораПриведенные в работе результаты исследований получены лично автором или при егонепосредственном определяющем участии.Структура и объём диссертацииДиссертация состоит из введения, трёх глав и заключения.
Работа содержит 121 страницумашинописного текста, включая 54 рисунка, 2 таблицы и библиографию из 81 наименования.Краткое содержание работыВовведенииданообоснованиеактуальноститемыпредставленнойработы,сформулированы цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическаязначимость работы, приведены выносимые на защиту положения.7В первой главе содержится обзор экспериментальных и теоретических работ по исследованию механизмов зарядки диэлектрических мишеней электронными пучками средних энергий.Отмечено, что из-за сложности и многогранности проблемы зарядки диэлектриков в целом многие результаты экспериментов противоречат теоретическим расчетам, часто результатыодних публикаций опровергают выводы других. Многие исследования носят оценочный илидискуссионный характер.
Наиболее приемлемыми и отвечающими ряду экспериментальныхданных являются модель образования двухслойных зарядов и теория самосогласующихся токовэлектронов и дырок в процессе зарядки диэлектрической мишени электронными пучками. Нооба подхода, к сожалению, страдают незавершенностью и не дают ответа на некоторыеочевидные вопросы, возникающие при анализе экспериментальных результатов.Во второй главе приводится детальный анализ всех механизмов зарядки диэлектрическихмишеней под воздействием электронного облучения в диапазоне энергий 1 – 50 кэВ.Общепринятый в течение долгого времени взгляд на причину зарядки диэлектриков приэлектронном облучении был основан целиком и полностью на поведении вторичноэмиссионной характеристики электронов в зависимости от ускоряющего напряжения. Сутьтакого подхода видна из рассмотрения теоретических зависимостей полного коэффициентаэмиссии электронов σ = η + δ от энергии облучающих электронов E0 , представленных нарис. 1, где также приводятся экспериментальные значения (обозначены символами),полученные при облучении короткими одиночными импульсами (единицы мкс), когда образецпрактически не успевает зарядиться.
Из приведенных графиков видно, что существуют двекроссоверные точки на оси энергий E0 ( E1C и E2C ), где значения σ ( E0 ) = 1 .σ (E0)11. Al2O 3 (E2S= 2,2 кэВ)62. Слюда (E2S= 2,1 кэВ)54. Тефлон (E2S=1.7 кэВ)3. Стекло (E2S= 1,8 кэВ)245. Лавсан (E2S= 0,9 кэВ)34352[]1[]002468E0, кэВ 10Рис. 1.Зависимости коэффициентаэмиссии электронов σ рядадиэлектриков от энергииоблучающих электронов Е0,рассчитанные при отсутствиизарядки (сплошные кривые) иэкспериментальные значения дляэтого случая (отмеченыточками). На оси энергийсоответствующими маркерамиотмечены равновесные значенияэнергий Е2S для заряженныхдиэлектриков.Но наши эксперименты показывают, что реальная картина зарядки и само поведениехарактеристики σ ( E0 ) в корне иное. Так, например, при выборе стартовой энергии облучения8для поликристалла Al2 O3 : E0 = E2C = 9 кэВ образец не должен бы заряжаться, но облученныйдиэлектрик резко меняет свои эмиссионные свойства, в результате чего для данного образцаравновесное состояние достигается при E2 S = 2,2 кэВ , то есть кроссоверная точка сдвинулась всторону меньших значений в 4 раза.
Соответствующее смещение равновесной энергии, прикоторой σ = 1 , показано на рис. 1 штриховой стрелкой.Ранее считалось, что при выборе энергии E0 , больших или меньших соответствующихкритических значенийE0 = E1CиE0 = E 2 C(см. рис. 2.), образец должен заряжатьсяотрицательно, т.к. в этих диапазонах энергий σ < 1. При Е1С < Е0 < Е2С, образец заряжаетсяположительно ( σ > 1), а при E 0 = E1C и E0 = E2C зарядки не происходит т.к.
σ = 1 . В случаеE0 > E2C при отсутствии утечки зарядов потенциал поверхности достигает при равновесномсостоянии величины: VS = E0 − E2C . Причиной пересмотра указанной теории являетсяочевидное противоречие экспериментальным результатам, которые показывают, что принепрерывном облучении электронами с энергией E0 = E2Cдиэлектрики заряжаются доотносительно высокого отрицательного потенциала.
Далее, при E0 > E2C , квазистатическоеравновесие наступает не в точке E2C , а при меньших значениях энергии падающих электроновE L = E2 S < E2C , т.е. VS ≠ E0 − E2C , а равно большей величине VS = E0 − E L , где EL есть новоезначение критической равновесной энергии E 2 S .Рис. 2.
Характеристикикоэффициента эмиссииэлектронов σ и потенциалаповерхности VS в зависимости отэнергии облучающих электроновE0 (и текущей энергии облученияEL) для случая незаряжающегосядиэлектрика (штриховые кривые1) и при его зарядке (сплошныекривые). Показаны условныезначения полного токаэлектронов I, тока вторичнойэмиссии Iσ = Iη+Iδ , тока зарядкиIQ и тока утечки IL.РеальнаяхарактеристикапотенциалазарядкиповерхностиVS ,качественнопредставленная на рис. 2. (б) учитывает не только снижение потенциала VS за счет тока утечки9I L , но и за счет внутренних радиационно-стимулированных токов I RIC .
В общем случаелинейный график VS ( E0 ) сдвинут на величину ( E2C − E2 S ) / e , причем с наклоном на угол α ,определяемый соотношением:tgα = eV2C /( E 2C − E2 S ) . В итоге результирующий потенциалповерхности VS представляется через кардинальные энергии следующим выражением:eVS = ( E0 − E2C ) + ( E2C − E2 S )tgα .(1)Полную картину процессов зарядки продемонстрируем с помощью схематическихпредставлений на рис. 3. При облучении площадки поверхности диэлектрика размером a × aтоком электронного зонда I 0 часть первичных электронов отражается с глубины от R0 / 2 доповерхности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
