1.2. Зависимость коэффициентов вторичной электронной эмиссии и упругого отражения от энергии первичных электронов

Основной характеристикой вторично-эмиссионных свойств вещества является зависимость коэффициента вторичной электронной эмиссии s от энергии первичных электронов Е_p. Вид зависимости s(E_p) (рис. 28) одинаков для металлов, диэлектриков и полупроводников. Для большинства веществ максимальное значение коэффициента вторичной электронной эмиссии s_m больше единицы. Это значит, что число эмитированных поверхностью электронов больше, чем число падающих на нее частиц. Исключением являются Be, C, Mg, Al, K, Ca, Sc, Ti, Sr, Cr и Ba, для которых s_m не превышает единицы [9].

Как видно из рис. 28 для веществ, у которых s_m > 1, коэффициент вторичной электронной эмиссии больше единицы в области энергий первичных электронов Е_р, ограниченной первой и второй критическими энергиями. В этом диапазоне энергий работают вторично-электронные эмиттеры в различных электровакуумных приборах (фотоэлектронных умножителях, электронно-лучевых трубках с памятью, магнетронах и т.д.). В этих устройствах слабый электрический ток будет усиливаться только при условии, что s > 1.

Рис. 28. Схематическая зависимость коэффициента вторичной электронной эмиссии от энергии первичных электронов

Для диэлектрических материалов максимальное значение коэффициента вторичной электронной эмиссии значительно превосходит единицу. Известны материалы, в которых s_m достигает 25. Столь большое значение s в сравнении с проводниками и полупроводниками связано с большой средней длиной свободного пробега электронов в диэлектрических материалах. Существенное отличие коэффициента вторичной электронной эмиссии в непроводящих материалах приводит к появлению поверхностного заряда на образце под действием первичного электронного пучка, что значительно искажает спектр вторичных электронов и делает невозможным анализ этого спектра. Значения второй критической энергии для диэлектриков находятся в интервале 2 ¼ 10 кэВ. Выбором соотвествующей энергии первичных электронов в соответствии с зависимостью s(E_p) для данного образца можно практически исключить влияние поверхностного заряда [13].

Для чистых поверхностей металлов 0,5 < s_m < 1,8. Значение энергии первичных электронов, при которой наблюдается максимум коэффициента вторичной электронной эмиссии E_pm, находится в области от 0,2 до 0,9 кэВ. В полупроводниках максимальное значение коэффициента вторичной электронной эмиссии больше 1, но не превышает, как правило, 1,5. Максимум s находится в интервале энергий первичных электронов от 0,3 до 0,8 кэВ. Малые значения коэффициента вторичной электронной эмиссии в металлах и полупроводниках связаны с тем, что электроны в этих материалах быстро теряют свою энергию при взаимодействии либо с электронами проводимости (в металлах и вырожденных полупроводниках), либо с валентными электронами (в узкозонных полупроводниках) [9]. В этом случае энергии этих электронов недостаточно для преодоления потенциального барьера у поверхности твердого тела, и коэффициент вторичной электронной эмиссии значительно ниже, чем в диэлектриках.

Рис. 29. Интегральные и дифференциальные зависимости коэффициента вторичной электронной эмиссии от энергии первичных электронов для монокристаллической поверхности Si(100)

Детальное изучение зависимости коэффициента вторичной электронной эмиссии от энергии первичных электронов позволяет выявить тонкую структуру этой зависимости, проявляющуюся в наличии большого количества изгибов на этой кривой. Тонкая структура проявляется значительно лучше, если экспериментально записывать не интегральную кривую s(E_p), а ее первую производную dσ/dE_p. На рис. 29. приведено сравнение интегральной и дифференциальной зависимостей коэффициента вторичной электронной эмиссии для грани (100) монокристаллической поверхности кремния [14]. Максимумы на зависимости соответствуют наибольшей скорости изменения коэффициента вторичной электронной эмиссии от энергии первичных электронов, минимумы – наименьшей скорости изменения этой зависимости. Приблизительно посередине между двумя этими точками находится энергия, соответствующая максимумам или изгибам на кривой s(E_p) (рис. 29) эти значения энергии обозначены точками.

Аналогичная тонкая структура наблюдается и для зависимости коэффициента упругого отражения электронов R от энергии первичных электронов. Кривая R(E_p) характеризуется максимумом, всегда расположенным при малых значениях энергии первичных электронов. Для чистых металлов и элементарных полупроводников максимальное значение коэффициента упругого отражения электронов находится в пределах 0,1 … 0,35 в области энергий 3 … 10 эВ [9]. С дальнейшим ростом E_p коэффициент упругого отражения электронов резко уменьшается, причем это уменьшение имеет немонотонный характер: на ниспадающем участке наблюдаются изгибы, ступеньки, максимумы. Исследования показали, что значительная часть этих особенностей, даже для монокристаллов не связана с дифракционными эффектами. Так же как и в случае коэффициента вторичной электронной эмиссии, более полную и надежную информацию дает дифференциальная зависимость коэффициента упругого отражения от энергии первичных электронов, а точнее отрицательная производная –dR/dE_p. Максимумы отрицательной производной соответствует энергии максимумов плотности поглощения электронов, а минимумы – энергии максимумов плотности упругого отражения электронов.

Изучение зависимостей коэффициента вторичной электронной эмиссии и коэффициента упругого отражения электронов лежит в основе многочисленных пороговых методов электронной спектроскопии. В литературе можно встретить следующие названия этих методов: спектроскопия упругого отражения электронов малой энергии, спектроскопия потенциала исчезновения, спектроскопия полного тока, интегральная вторично-электронная спектроскопия, низкоэнергетическая вторично-эмиссионная спектроскопия, резонансное упругое рассеяние медленных электронов у порогов неупругих каналов и др. Эти методы позволяют получать информацию не только об элементном составе, но и об энергетической структуре поверхностного слоя твердого тела [15 – 17].