Вторичная электронная эмиссия

ВТОРИЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ, испускание электронов (вторичных) твёрдыми или жидкими телами (эмиттерами) при бомбардировке их электронами (первичными). Для тонких эмиттеров длина пробега первичных электронов может превышать толщину эмиттера. В этом случае вторичная электронная эмиссия наблюдается как с бомбардируемой поверхности (вторичная электронная эмиссия на отражение), так и с противоположной стороны эмиттера (вторичная электронная эмиссия на прострел). Поток вторичных электронов состоит из упруго и неупруго отражённых первичных электронов и истинно вторичных электронов - электронов эмиттера, получивших в результате их возбуждения первичными или отражёнными неупруго электронами энергию и импульс, достаточные для выхода из эмиттера. Энергетич. спектр вторичных электронов лежит в диапазоне энергий от Е = 0 до энергии первичных электронов Еп (рис. 1). Тонкая структура энергетических спектра обусловлена оже-эффектом и характеристическими потерями энергии на возбуждение атомов эмиттера.

Рис. 1. Энергетический спектр вторичных электронов: (I) упруго отражённых, (II) неупруго отражённых, (III) истинно вторичных; тонкая структура спектров, обусловленная (а) оже-электронами и (б) характеристическими потерями энергии на возбуждение атомов эмиттера (Е - энергия электронов; Е_макс и ΔЕ_макс - максимальная энергия и полуширина максимума спектра истинно вторичных электронов; Е_п - энергия первичных электронов).

Количественно вторичная электронная эмиссия характеризуется коэффициентом σ, равным:

σ = I₂/I₁ =δ + η + r,

где I₁ и I₂ - токи, создаваемые первичными и вторичными электронами; δ - коэффициент истинной вторичной электронной эмиссия; η, r - коэффициенты соответственно неупругого и упругого отражения первичных электронов. Указанные коэффициенты зависят от параметров пучка первичных электронов (Е_п, угла падения φ пучка на образец) и характеристик эмиттера (элементного состава, электронного строения, кристаллической структуры, состояния поверхности и др.).

Механизмы упругого отражения электронов различны в областях малых (0-100 эВ), средних (0,1-1 кэВ) и больших (1-100 кэВ) энергий Е_п. В области малых Е_п упругое отражение зависит от электронного строения приповерхностной области эмиттера, рассеяния электронов на отдельных атомах, резонансного упругого рассеяния электронов вблизи порогов коллективных и одночастичных возбуждений электронов твёрдого тела. Абсолютные значения коэффициента r в этой области максимальны (при E_п≤10 эВ r может достигать величины 0,5 для металлов и 0,7-0,8 для диэлектриков). В области средних Е_п в большинстве случаев на зависимости r(Е_п) наблюдается широкий максимум при значениях Ε_п = Ζ²/8 (Ζ - атомный номер вещества эмиттера). Механизм упругого отражения в этом диапазоне Е_п в значительной мере определяется упругим рассеянием электронов на атомах твёрдого тела; абсолютные значения r не превышают 0,05. Для монокристаллов зависимость r(Е_п) в области средних Е_п имеет ярко выраженную тонкую структуру, обусловленную дифракцией электронов на кристаллической решётке эмиттера. В диапазоне больших значений Е_п r уменьшается с ростом Е_п. Глубина выхода упруго отражённых электронов зависит от Е_п и изменяется от долей до десятков нм.

Неупругое отражение электронов определяется рассеянием и торможением первичных электронов при их движении в веществе эмиттера. Зависимость η(Е_п) различна для лёгких и тяжёлых веществ (рис. 2). Коэффициент η увеличивается с ростом φ; наиболее ярко эта закономерность выражена для веществ с малыми Ζ. Средняя энергия неупруго отражённых электронов Е_н = 0,31 Е_п и падает с уменьшением Е_п, а их средняя глубина выхода не превышает половины глубины проникновения первичных электронов при данном значении Е_п.

Эмиссия истинно вторичных электронов зависит от электронного строения эмиттера, существенно влияющего на потери энергии электронов и их выход из эмиттера. Вероятность выхода возбужденных истинно вторичных электронов зависит от высоты потенциального барьера на поверхности эмиттера, определяемого величиной работы выхода электронов. В металлах вследствие взаимодействия с электронами проводимости истинно вторичные электроны теряют много энергии и не могут преодолеть потенциальный барьер на поверхности. Для них характерна небольшая глубина выхода d истинно вторичных электронов и сравнительно малые значения коэффициента σ_макс (0,4-1,8). В диэлектриках с широкой запрещённой зоной и малым сродством к электрону внутренние истинно вторичные электроны несут малые потери энергии, так как теряют её в основном только на взаимодействие с фотонами. Эти вещества имеют большие значения d (20-120 нм) и коэффициент σ_макс (4-40). Наибольшие значения d (20-1500 нм) и σ_макс≥1000 имеют эмиттеры с отрицательным сродством к электрону. Создание сильного электрического поля (10⁷-10⁸ В/м) в диэлектриках вызывает увеличение σ_макс до 100 (вторичная электронная эмиссия, усиленная полем).

Вторичная  электронная эмиссия широко используется в методах диагностики поверхности твёрдых тел. Сканирующая электронная микроскопия, используя различные группы вторичных электронов для визуализации исследуемого объекта, позволяет исследовать топографию, фазовый состав, кристаллическую структуру и другие свойства поверхности. Оже-электроны несут информацию об элементном составе, химическом состоянии поверхностных атомов.

Спектры электронов с характеристическими потерями энергии (в диапазоне единицы - сотни мэВ) дают информацию о фононных колебаниях в твёрдых телах, характеризуют колебательные моды адсорбированных атомов и молекул. Электроны с большими потерями энергии (обусловленными межзонными переходами, возбуждением плазменных колебаний в твёрдых телах и ионизацией атомов вещества эмиттера) используются для получения информации об элементном составе и электронном строении приповерхностной области эмиттеров.

Вторичная  электронная эмиссия применяется для усиления электронных потоков в электронно-вакуумных приборах (вторичные и фотоэлектронные умножители, усилители яркости изображения и т.п.). Вторичная  электронная эмиссия играет важную роль в работе ряда высокочастотных приборов.

Лит.: Бронштейн И. М., Фрайман Б. С. Вторичная электронная эмиссия. М., 1969; Шульман А.Р., Фридрихов С. А. Вторично-эмиссионные методы исследования твердого тела. М., 1977.