Электроны могут быть эмиттированы поверхностью твердого тела, если оно подвергается облучению заряженными частицами больших энергий. Впервые такое явление наблюдали Аустин и Штарк в 1902 г. при использовании умеренно быстрых электронов. Они показали, что наблюдается не просто часть падающих электронов, отраженных от металлической поверхности, поскольку в некоторых случаях испущенных электронов было больше, чем падающих. Такой процесс называется вторичной электронной эмиссией29. Особый интерес представляет случай, когда выход вторичных электронов б (отношение числа эмиттированных электронов к числу падающих) превышает единицу. Эмиссионный ток в действительности состоит из трех групп электронов: 1) первичных электронов, которые упруго отразились от поверхности металла; 2) тех первичных электронов, которые испытали неупругое отражение (вероятно, сопровождавшееся появлением одного или более вторичных электронов); 3) истинных вторичных электронов, которые могут потерять а могут и не потерять часть своей энергии в дальнейших столкновениях с электронами. Из-за этих дальнейших соударений вторичная эмиссия происходит из приповерхностного слоя толщиной в несколько десятков атомных слоев. На рис. 3.19 показан энергетический спектр электронов, испущеннных серебром, облучаемым первичными электронами с энергией 155 эВ. Указаны группы /, 2 и 3. Относительный вклад этих трех групп зависит от угла падения, от энергии падающих электронов, а также от свойств облучаемого материала. Вторичные электроны возникают в результате кулоновского взаимодействия падающего электрона (или другой заряженной частицы) с электроном, лежащим внутри ферми-сферы в к- пространстве. Бэруди30 рассмотрел этот механизм для неэкра- нированной кулоновской силы F = (^r/4n60r3). (3.103) С такой силой первичный электрон, траектория которого при скорости v характеризуется параметром соударения b (расстоянием наибольшего сближения), действует на электрон, нахо- 29 Хороший обзор см. в работе: Dekker A. /. Solid State Physics, v. 6, eds. F. Seitz., D. Turnbull, Academic Press, 1958, p. 251. 30 Baroody E. M.— Phys. Rev., 78, 780 (1950). 242 Гл. 3. Электроны в металлах /00 1 электрона с, эВ Рис. 3.19. Энергетический спектр вторичных электронов, испускаемых серебром, при облучении его первичными электронами с энергией 155 эВ. Из работы: Rudberg £.— Proc. Roy. Soc, А127, 111 (1930). Отмечены группы электронов (/), (2) и (3), обсуждаемые в тексте. дящийся в состоянии с энергией Ферми или меньшей энергией. Он показал (предлагается в задаче 3.21), что удар быстрого электрона приводит к передаче электрону проводимости импульса Ap = e2b/2jte0&2v, (3.104) который, как будет показано, направлен перпендикулярно v. Таким образом, первичный электрон, падающий нормально к поверхности твердого тела, создает вторичные электроны, первоначально движущиеся параллельно плоскости поверхности; эти электроны должны испытать по крайней мере одно соударение, чтобы получить направление импульса, которое позволит им выйти из кристалла. Выражение (3.103) может служить разумной аппроксимацией для кулоновской силы, с которой быстрый электрон действует на электрон проводимости, в том случае, когда концент- 3.3. Квантовая теория свободных электронов 243 рация свободных электронов мала, как это бывает в полупроводнике. Для очень большой плотности электронов (1028 м~3 и более) в металле кулоновская сила на расстоянии г, превышающем несколько ангстрем, экранируется другими электронами. Поэтому теория Бэруди была модифицирована31; было предложено использовать экранированную кулоновскую силу F = (е2 гМяеоГ3) ехр (— г/Я), (3.105) где длина экранирования К обычно составляет Ю-10 м. Это делает образование вторичных электронов в металле крайне маловероятным, за исключением тех случаев, когда параметр Ь сравним с длиной К или меньше ее. Чрезвычайно привлекательный аспект как теории Бэруди, так и модифицированной теории с экранированной кулонов- ской силой состоит в том, что согласно им, выход вторичных электронов б приблизительно пропорционален квадратному корню из работы выхода ср. Такое увеличение б с ср противоречит интуитивным предположениям, однако зависимость 6~<pV2 оказывается в полном согласии с экспериментально измеренными результатами в металлах. Для большинства металлов максимальный выход 6™ обычно имеет порядок единицы. Так, для платины, имеющей одну из самых больших работ выхода (ср«6 эВ), максимальный выход вторичных электронов бт«1,8, а в большинстве других металлов он меньше. Кривая выхода для платины показана на рис. 3.20, на котором также изображены данные для диэлектрика MgO, где вторичный выход гораздо больше. Ряд диэлектриков и полупроводников весьма эффективно испускают вторичные электроны. Практически обычно используется вторичная эмиссия либо из неметаллических монокристаллов, либо из тонкого слоя подходящего неметаллического вещества, на поверхности металлического кристалла. Так, оксидированные сплавы Mg—Ag или Be—Си, интерметаллические соединения, такие, как Cs3Sb, а также кристаллы фосфида галлия и арсе- нида галлия с успехом используются в качестве вторично-электронных катодов (динодов) для фотоумножителей32. В фотоумножителе фотоизлучающий катод находится внутри вакуумного баллона; фотоэлектроны могут ускоряться электрическим полем. Усиление тока достигается за счет использования ряда вторично излучающих поверхностей (динодов). Хорошо проду- 31 См., например, Van der Ziel A.— Phys. Rev., 92, 35 (1953). 32 Zworykin V. К., Ramberg E. G. Photoelectricity and its Applications, Wiley, 1949. 244 Гл. 3. Электроны в металлах Рис. 3.20. Выход вторичных электронов б как функция энергии первичных электронов для одного из наиболее эффективных металлических излучателей и очень эффективного диэлектрика. Данные для платины, полученные Коплэндом (Cope- land Р. Е.), взяты из книги: Dekkei. Solid State Physics, Prentice-Hall, 1957. Данные для MgO — из работы: Johnson J. В., McKay К. G.—Phys. Rev., 91, 582 (1953). О 500 1000 1500 2000 2500 Энергия падающего электрона, о В манное устройство позволяет получить и обнаружить ток в Ю9 и более электронов при поглощении на фотоэмиссионном катоде единственного электрона33.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Вторичная электронная эмиссия» з дисципліни «Фізика твердого тіла»
