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固体电子发射产额的蒙特卡洛模拟研究

Abrar Hussain  
【摘要】:自1950年代以来,人们已经在电子发射的相关领域进行了深入的实验研究,特别是能量分布、二次电子产额(SEY)以及背散射系数(BSC)。由不同研究人员测得的数据结果差异较大,因为其中一些数据不是在超高真空条件下测得的,因此表面污染可能通过功函数和电子亲和势的变化显著影响SEY和BSC。由于来自清洁表面的精确实验测量的可用数据非常有限,与二次电子级联产生和发射过程的相关机理仍未完全研究透彻。而且对于很多化合物材料的数据依然缺失,尽管它们具有广泛的实际应用。考虑到近年来电子-固体相互作用的理论模型已经取得了显著的研究进展,因此非常有必要对化合物材料/单质材料固体进行模拟研究,以得出更可靠的理论数据。本文基于先进的蒙特卡洛模型,研究了单质和化合物半导体材料在不同入射电子能量下的背散射系数、二次电子产额和总电子产额进行了系统的蒙特卡洛模拟计算。本文还对这些材料中激发和发射的二次电子在不同入射能量下的激发深度分布函数、发射深度分布函数及在深度分布函数中的组合效应进行了计算。如GaAs等半导体材料已广泛用于光伏材料中,二次电子产额是扫描电子显微表征的重要参数,尤其是针对最近开发的扫描超快电子显微镜,它可表征化合物半导体表面附近电荷载流子特性。从长远来看,目前使用的能源生产方法将无法满足人类的能源需求,在没有快速增加能量存储效率的情况下,开发环境友好的新能源显得得越来越紧迫。采用核聚变电站可能是未来最好的解决方案之一,而铍是核聚变反应堆中壁材料的首要候选材料,也是影响建造聚变电厂的关键元素之一。尽管铍在核研究和高科技应用中极为重要,有关铍与带电粒子(特别是电子)相互作用的数据仍然非常有限且仅有旧的数据可用,基本集中在入射能量为0.1-100 keV的情况下。只有很少的研究确定铍的电子的背散射系数,因此开展这项工作具有重要意义。第一章中我们简要介绍了电子束与固体之间的相互作用。详细讨论了在相互作用过程中发射的不同类型的电子信号。介绍了能谱和其中的峰。简要讨论了扫描电子显微镜(SEM)和其他不同类型的显微镜的发展和基本原理。还介绍了不同因素对电子发射的影响。第二章详细解释了蒙特卡洛模型。电子与固体复杂的相互作用导致了二次电子产生。使用解析公式来获得相关的能谱和产额是相当困难的,因此我们需要采用先进的蒙特卡洛模拟来获得物理量的准确计算结果。电子在固体中的输运过程由电子与样品中的原了/电子之间的弹性散射和非弹性散射组成。有不同的理论来描述这两种散射。我们用Mott截面于弹性散射。为了描述电子非弹性截面,我们使用了 Penn引入的介电函数方法,其中通过光学能量损失函数数据外推获得的能量损失函数,光学数据中包括声子激发、价电子和内壳电子激发贡献的部分。我们使用以上模型对本文的以下工作进行了计算:第3章采用最新的蒙特卡洛模拟模型以及散射势能计算了电子能量在100 eV到100 keV能量范围内铍的电子背散射系数。分别考虑在含及不含俄歇电子激发时情况下模拟了背散射能谱。该蒙特卡洛模拟物理模型使我们能够得到Be的背散射系数的精确理论值。我们发现它们明显小于之前发表的实验数据,特别是在低于10 keV的能量下。为了验证我们的模拟结果,我们还计算了非晶态硼和碳的电子背散射系数,而它们与实验数据有合理的一致性。对被碳和被水薄膜覆盖的Be样品的进一步模拟表明,几个原子/分子层的表面污染可以在低能量下极大地改变测量值。Be的低背散射系数值的部分原因是极强的向前弹性散射。第4章中我们旨在通过使用最新的蒙特卡洛模型研究几种化合物半导体材料的二次电子发射。半导体是重要的工业材料,另一方面,由于能隙的存在半导体中的电子非弹性散射过程与金属完全不同。因此,了解半导体和金属之间的电子平均逃逸深度是否有显著差异也是我们关注的焦点。在表面分析技术中,发射信号的表面灵敏度是一个重要问题。由于二次电子的级联过程,对平均逸出深度的理解变得困难。传统方式里,由非弹性散射平均自由程或最大逸出深度来大致估算逸出深度。而新定义涵盖了二次电子激发和发射的两个过程。我们对入射电子和二次电子轨迹进行了系统的蒙特卡洛模拟,以确定化合物半导体的二次电子发射的平均逸出深度。我们计算了某些半导体材料中被激发和发射的二次电子在不同的入射能量下的激发深度分布函数、发射深度分布函数以及它们在深度分布函数中的组合效应。该计算得到这些材料的平均逸出深度对入射能量的依赖性,其值在0.4-1.4 nm范围。第5章中我们使用最新的蒙特卡洛模型计算了几种化合物半导体材料的二次电子产额和背散射系数。当一次电子束入射到固体材料中时,由于电子的弹性和非弹性散射,会从材料表面附近产生和发射不同类型的电子信号。大部分发射电子是二次电子和背散射电子,分别根据其能量小于或大于50 eV来定义它们。二次电子发射现象在许多技术应用中起着非常重要的作用,例如光子倍增器、扫描电子显微镜、航天器、原子钟、等离子显示面板、磁控管和交叉场倍增器。通常用SEY值来评估用于不同应用的材料。我们基于蒙特卡洛模拟对几种化合物半导体材料在入射电子能量为0.1-10 keV范围内的二次电子产额、背散射系数和总电子产额进行了系统的研究。我们还考虑了由于氧化引起的表面耗尽层对电子产额的影响。由于缺乏这些化合物材料的背散射系数的实验数据,因此,我们将化合物的计算结果与平均原子序数最接近的元素的实验数据进行了比较。该模拟预测的背散射系数值较经验Staub公式要大得多。第六章中计算了铁和钨在100 eV至100 keV入射能量下的电子背散射系数,较高能量下的模拟数据与实验数据非常吻合,但在低能下要高于实验数据。我们还考虑了具有很少原子/分子层的碳和水作为表面污染物,以查看这些污染层对背散射系数值的影响。为了进一步解释和理解背散射系数,我们观察到表面污染严重影响了反向散射系数的结果值。我们还发现,背向散射系数取决于原子序数,并且对于更高的原子序数(在当前情况下为钨)发现更高。我们还计算了背散射电子能谱、角度分布和深度分布。第七章总结了本论文中的工作。


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