Вторичная ионно-ионная эмиссия (катодное распыление). Закономерности. Применение.

36. Поверхностная ионизация (термоионная эмиссия). Энергетика процесса. Уравнение Саха-Ленгмюра.

Поверхностная ионизация, термическая десорбция (испарение) положительных (положительная П. и.) или отрицательных (отрицательная П. и.) ионов с поверхностей твёрдых тел. Чтобы эмиссия ионов при П. и. была стационарной, скорость поступления на поверхность соответствующих ионам атомов, молекул или радикалов (за счёт диффузии этих частиц из объёма тела или протекающей одновременно с П. и.адсорбции) должна равняться суммарной скорости десорбции ионов и нейтральных частиц. П. и. происходит и при собственном испарении твёрдых тел, например тугоплавких металлов.

Количественной характеристикой П. и. служит степень П. и. a= n_i/n₀, где n_i и n₀ — потоки одновременно десорбируемых одинаковых по химическому составу ионов и нейтральных частиц. n _i = CN exp (—l_i/kT), a n ₀= DN exp(—l₀/k T), здесь k — Больцмана постоянная, T — абсолютная температура поверхности, l_i и l₀ — теплоты десорбции в ионном и нейтральном состояниях, N — концентрация частиц данного сорта на поверхности, а коэффициенты С и D слабо (в сравнении с экспонентами) зависят от Т. Отсюда

a = .

Взаимодействие частиц с поверхностями отображают кривыми типа показанной на рис. 1. Переход с кривой для нейтральных частиц А на кривую для ионов А⁺ на расстоянии х ® ¥ от поверхности соответствует ионизации частицы с переводом освободившегося электрона в твёрдое тело. Требуемая для этого энергия равна e (V —j); V — ионизационный потенциал частицы, еj — работа выхода тела, е — заряд электрона. Выражение a через эти величины приводит к Ленгмюра — Саха уравнению, причём для положительной П. и. (l_i+ — l₀) = e (V —j), а для отрицательной П. и. (l_i- — l₀) = е (j— S), где eS — энергия сродства к электрону частицы. П. и. наиболее эффективна (a велико) для частиц с l_i < l₀ или j> V и S > j; a для них уменьшается с ростом Т. При обратных неравенствах П. и. усиливается с возрастанием Т (рис. 2). l_i и l₀ зависят от N — обычно l_i растет, а l₀ падает с увеличением N. Если при Т > Т₀ соблюдается условие эффективной П. и. (l_i < l₀ и n_i >> n₀), то при Т = Т₀ знак (l₀ — l_i) меняется, а a начинает скачкообразно падать до малых значений. Т₀ называется температурным порогом П. и.

Внешнее электрическое поле Е, ускоряющее ионы с поверхности, снижает величину l_i. При E <10⁷ в/см это снижение D l = е = 3,8×10^{- 4} эв (E должно быть выражено в в/см). Соответственно растет a. Если l_i < l₀ и n_I > n₀, Е при стационарной П. и. уменьшает N и T₀. Так, T₀ для атомов Cs на W с 1000 К при Е =10⁴ в/см снижается до 300 ° K при Е = 10⁷ в/см. Это даёт основание рассматривать явления десорбции и испарения ионов электрическим полем при низких Т как П. и. Современная экспериментальная техника позволяет наблюдать П. и. частиц с V £10 в и S ³ 0.6 в. С помощью электрического поля эти пределы могут быть существенно расширены.

Приведённые выше закономерности П. и. справедливы (подтверждены опытом) для однородных поверхностей. Однако на практике чаще приходится иметь дело с неоднородными поверхностями. на которых l₀, l_i, j и N неодинаковы на различных участках. В таких случаях указанные зависимости a от Т и Е сохраняются для некоторых усреднённых значений l₀, l_i и j.

Ленгмюра — Саха уравнение определяет степень ионизации a паров какого-либо вещества соприкасающейся с ними нагретой поверхностью металла. Выведено И. Ленгмюром в 1924 с использованием результатов, полученных ранее М. Саха. Частицы пара вначале "прилипают" к поверхности металла, а затем испаряются с неё. Если n и n₊ —количества нейтральных атомов и положительных ионов вещества, испаряющихся в 1 сек с единицы поверхности, то a = n₊/n. Л. — С. у. имеет вид:

;

здесь е — заряд электрона, U, — ионизационный потенциал рассматриваемого вещества, r ₀ и r ₊ —коэфф. отражения его атомов и положит. ионов от поверхности металла, Т — абс. температура поверхности, j —работа выхода металла, k — Больцмана постоянная, g₊ и g ₀ обозначают, соответственно, число различных состояний положит. ионов и нейтральных атомов вещества, которые имеют одинаковые энергии, соответствующие температуре Т. Л. — С. у. описывает положительную поверхностную ионизацию; аналогичное уравнение, иногда также называется Л. — С. у., справедливо и для процесса, в котором образуются отрицательные ионы.

 

Вариант 2:

 

 

37. Автоэлектронная эмиссия. Уравнение Фаулера-Нордгейма. Вольтамперная характеристика, параметры полевых эмиттеров. Применение.

Металлические автоэлектронные эмиттеры используются в тех случаях, когда требуется высокая плотность тока j, т. е. там, где необходимы большие токи либо концентрированные электронные пучки. Преимуществами автоэлектронных эмиттеров являются отсутствие энергетических затрат на подогрев и безынерционность. Металлические автоэлектронные эмиттеры (обычно многоострийные) применяются в мощных сильноточных устройствах. Нелинейность вольт-амперной характеристики используется в устройствах СВЧ (преобразователи частоты, усилители, детекторы сигналов). Автоэмиссионный эмиттер в качестве интенсивного точечного источника электронов применяется в растровых микроскопах. Он перспективен в рентгеновской и обычной электронной микроскопии, в рентгеновской дефектоскопии, в рентгеновских микроанализаторах иэлектронно-лучевых приборах. Автоэмиссионные эмиттеры могут также употребляться в микроэлектронных устройствах и в чувствительных индикаторах изменения напряжения.

Автоэлектронный катод в сочетании с анодом, совмещенным с люминесцирующим экраном, превращает такойавтоэмиссионный диод в эмиссионный электронный микроскоп. На его экране можно наблюдать картину углового распределения тока автоэлектронной эмиссии с острия при высоких увеличениях и разрешающей способности (см.Электронный проектор).

Полупроводниковые автоэмиссионные эмиттеры перспективны как чувствит. приемники ИК-излучения. Многоострийные системы эмиттеров служат основой для мозаичных систем в преобразователях ИК-изображений.

В высоковольтных вакуумных устройствах автоэлектронная эмиссия может играть и "вредную роль", способствуя утечкам тока, развитию вакуумного пробоя. Для подавления автоэлектронной эмиссии в этих случаях снижают поле у поверхности электродов (уменьшая нх кривизну), подбирают расположение электродов и распределение потенциалов, а также повышают работу выхода из поверхности (подбором материала или покрытия).

38. Автоионизация и полевое испарение. Основные закономерности. Уравнение автоионного тока. Применение.

 

Автоионизацией (ионизацией полем) называется процесс ионизации атомов и молекул газа в сильных электрических полях.

Связанный электрон в атоме можно представить находящимся в потенциальной яме (рис. 1). При включении электрического поля напряженностью E к потенциальной энергии электрона V ₀ (x), находящегося в точке x, добавляется потенциальная энергия eEx, где e – абсолютная величина заряда электрона. Вследствие этого потенциальная яма становится ассиметричной (рис. 2) – с одной ее стороны образуется потенциальный барьер конечной ширины, сквозь который электрон может «просочиться», т.е. может иметь место туннельный эффект и будет возможна ионизация атома.

 

Схематическое изображение электрона в потенциальной яме V ₀ (x), внешнее электрическое поле равно нулю E =0.

Рис. 1

Схематическое изображение электрона в асимметричной потенциальной яме V(x) = V ₀ (x)+eEx, E – полная энергия электрона

Рис. 2

Вероятность W(V, E) туннелирования электрона сквозь потенциальный барьер определяется формулой:

,

где V(x) = V₀(x)+eEx и E – потенциальная и полная энергия электрона соответственно, m – его масса, h – постоянная Планка. Вероятность туннелирования W(V,E) резко увеличивается при уменьшении площади барьера под прямой x₁x₂. Это происходит при увеличении напряженности поля E или при повышении энергии E электрона в атоме какими-либо другими способами (например, при туннелировании электрона с возбужденных уровней). Так, вероятность автоионизации атома водорода из основного состояния достигает заметной величины лишь при E ~ 10⁸ B/см, а из возбужденных состояний уже при E ~ 10⁶ В/см.

Наиболее полно автоионизация исследована вблизи поверхности металла, так как она используется в автоионном микроскопе для получения увеличенного изображения поверхности.

Рассмотрим электрон вблизи поверхности металла. Из-за большой электропроводности металла его поверхность эквипотенциальна, силовые линии электрического поля перпендикулярны к ней. Поэтому электрон с зарядом -e, находящийся на расстоянии x от поверхности, взаимодействует с ней так, как если бы он индуцировал в металле на глубине -x свое «электрическое изображение», то есть заряд e.

Благодаря силе «изображения», действующей со стороны металла на электрон в атоме, который находится вблизи поверхности металла, потенциальный барьер понижается, и вероятность автоионизации атома возрастает. Однако автоионизация возможна лишь в том случае, когда расстояние атома от поверхности превышает некоторое критическое расстояние x_кр. Это связано с тем, что при обычных температурах для осуществления туннельного перехода электрона в металл необходимо, чтобы основной уровень энергии электрона в атоме был поднят электрическим полем хотя бы до уровня Ферми в металле. Если атом приблизится к поверхности на x < x_кр, то уровень энергии электрона в атоме окажется ниже уровня Ферми в металле и вероятность туннелирования резко уменьшится. С другой стороны, удаление атома от поверхности металла при x > x_кр также приводит к резкому уменьшению вероятности туннелирования. Поэтому практически автоионизация в данном случае имеет место в пределах некоторой окрестности точки x_кр. В рабочем режиме автоионного микроскопа полуширина этой зоны составляет .

Главным условием, необходимым для наблюдения эффекта, является создание достаточно сильного поля E > 10⁶ В/см. Такое поле можно создать вблизи (на расстоянии 2–5 нм от поверхности) проводящего острия, при достаточно малой кривизне его поверхности (100 – 1000 ).

Применение:

Автоэмиссионная (полевая) микроскопия и связанные с ней области

Автоэлектронная (полевая) спектроскопия (анализ энергии электронов)

Автоэлектронные (полевые) эмиттеры как источники электронной пушки

Эмиттеры с атомарным острием