虞陽(yáng)燁,曹猛,張海波

(西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安)

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金屬二次電子發(fā)射能譜的表面吸附勢(shì)壘模型

虞陽(yáng)燁,曹猛,張海波

(西安交通大學(xué)電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安)

為了改善加速器和高功率微波源中金屬器壁的表面狀況,采用數(shù)學(xué)建模并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法,建立了二次電子能譜的吸附勢(shì)壘模型。首先,以到達(dá)金屬內(nèi)表面二次電子為參考對(duì)象,分析金屬壁的吸附過(guò)程,發(fā)現(xiàn)水蒸氣吸附造成的能級(jí)扭曲會(huì)使金屬表面勢(shì)壘降低,由此建立了水吸附形態(tài)下的薛定諤方程,并求解得到吸附勢(shì)壘的透射系數(shù);然后,結(jié)合內(nèi)二次電子能量分布建立吸附勢(shì)壘模型,得到二次電子能譜特征參數(shù)與吸附量的定量關(guān)系。模型分析結(jié)果表明:吸附量的增加會(huì)引起表面勢(shì)壘的降低,從而導(dǎo)致金屬器壁二次電子發(fā)射增強(qiáng),能譜變窄,加劇電子云效應(yīng);通過(guò)加熱、氬離子清洗等手段可減少或去除加速器壁水蒸氣吸附,抑制器壁表面二次電子發(fā)射。實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn),離子清洗可減少吸附量,使Ag樣品的吸附度從初始值0.5降至0,伴隨能譜半峰寬從5.17 eV展寬至12.5 eV。

二次電子發(fā)射;二次電子能譜;吸附;表面勢(shì)壘;透射系數(shù)

材料的二次電子發(fā)射在應(yīng)用物理的各個(gè)領(lǐng)域一直受到廣泛的關(guān)注。例如,在各類粒子加速器和高功率微波器件中,二次電子倍增是影響器件穩(wěn)定性的重要原因[1-5],而在掃描電子顯微鏡(SEM)成像中,二次電子發(fā)射對(duì)成像的對(duì)比度和分辨率有著重要影響[6-9]。材料表面的吸附狀態(tài)是影響其二次電子發(fā)射特性的一個(gè)非常重要的因素。已有的實(shí)驗(yàn)研究表明,氬離子清洗能改變金屬和介質(zhì)表面吸附狀態(tài)[10-11],而熱處理也可使金屬材料表面解吸附[12-13],相應(yīng)的二次電子發(fā)射特性會(huì)發(fā)生改變。然而,對(duì)于吸附影響二次電子發(fā)射特性的內(nèi)在機(jī)理,則仍缺乏理論上的深入解釋。

材料表面的勢(shì)壘是聯(lián)系表面吸附和二次電子發(fā)射特性的關(guān)鍵因素。表面吸附會(huì)影響材料表面勢(shì)壘,而二次電子出射時(shí)需要越過(guò)表面勢(shì)壘,必然受到表面勢(shì)壘的影響。因此,表面吸附影響二次電子發(fā)射的機(jī)理分析需要研究2個(gè)方面的影響:一是表面吸附對(duì)表面勢(shì)壘的影響;二是表面勢(shì)壘對(duì)二次電子出射的影響。以往的研究工作往往只側(cè)重討論其中的一種因素,而缺乏兩者的有機(jī)統(tǒng)一。此外,以往的工作通常采用功函數(shù)這一參數(shù)來(lái)表述表面勢(shì)壘的高低,而忽略表面勢(shì)壘的具體形態(tài),這樣的處理方法很難得到精確的結(jié)果。

本文旨在以表面勢(shì)壘為媒介研究表面吸附影響二次電子發(fā)射能譜的微觀機(jī)理。首先建立了一定表面吸附下的表面勢(shì)壘分布的模型,然后在此模型的基礎(chǔ)上分析了表面勢(shì)壘對(duì)二次電子發(fā)射能譜的影響,最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究對(duì)所建立的模型進(jìn)行了驗(yàn)證。本文的研究工作將有助于深入了解表面吸附與二次電子發(fā)射能譜的微觀機(jī)制,為調(diào)控二次電子發(fā)射特性提供理論指導(dǎo)。

1 吸附勢(shì)壘模型

電子跨越表面勢(shì)壘是二次電子發(fā)射中的一個(gè)重要階段。入射電子束照射樣品會(huì)與金屬原子發(fā)生散射并激發(fā)出內(nèi)二次電子。內(nèi)二次電子向表面運(yùn)動(dòng)并發(fā)生級(jí)聯(lián)散射,到達(dá)金屬表面的內(nèi)二次電子需要克服表面勢(shì)壘才能最終形成二次電子發(fā)射。本文選取即將跨越表面勢(shì)壘的內(nèi)二次電子為初始研究對(duì)象,假設(shè)這些內(nèi)電子能譜分布為N0(Ein),其中Ein為內(nèi)二次電子的能量。對(duì)于能量為Ein和出射角度為α的內(nèi)二次電子,通過(guò)求解一定勢(shì)壘下的薛定諤方程得到其穿透表面勢(shì)壘的透射系數(shù)T(Ein,α)。將透射系數(shù)T對(duì)角度α積分得到一定能量的內(nèi)二次電子的透射系數(shù)。內(nèi)二次電子的能譜與對(duì)應(yīng)能量的透射系數(shù)相乘即可得到出射二次電子能譜

(1)

式中:U是電子跨越表面引起的能量損失;C是歸一化常數(shù)。

1.1 內(nèi)二次電子能譜分布

內(nèi)二次電子能譜分布是本文模型的初始條件。Streitwolf和Baroody等人從散射的物理過(guò)程出發(fā)推導(dǎo)出內(nèi)二次電子能譜如下[14]

(2)

式中:EF是樣品材料的費(fèi)米能級(jí)。

圖1 γ取值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Chung和Everhart在分析二次電子的能譜公式時(shí)將γ值取為2[14],但該取值在高能段(Ein>20 eV)不夠準(zhǔn)確。材料的表面勢(shì)壘一般只有幾eV,因此高能段的電子的透射系數(shù)T非常接近于1。根據(jù)式(1),出射二次電子在高能段的能譜形狀應(yīng)該非常接近于N0(Ein)。因此,本文根據(jù)二次電子能譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)γ取值進(jìn)行一定的優(yōu)化。圖1給出了入射電子能量為300 eV時(shí),純銀樣品發(fā)射的二次電子在20～60 eV范圍內(nèi)的能譜分布,使用了雙對(duì)數(shù)坐標(biāo),且電子數(shù)已進(jìn)行了歸一化處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果由DESA 150能譜儀測(cè)得。測(cè)試前使用能量為1 keV的氬離子對(duì)樣品進(jìn)行了10 min清洗,以使表面最接近清潔狀態(tài),更多實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。根據(jù)式(2),取雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)時(shí),lgN0(Ein)=A-γlg(Ein-EF),其中A為常數(shù),若以EF為參考能級(jí),N0(Ein)與Ein應(yīng)呈直線關(guān)系,其斜率即為-γ。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本文對(duì)γ進(jìn)行優(yōu)化,取值為1.5。

1.2 表面勢(shì)壘模型

金屬表面的氣體吸附是改變表面勢(shì)壘的重要因素,本節(jié)建立一定吸附下的表面勢(shì)壘模型。圖2為材料表面勢(shì)壘示意圖。對(duì)于沒(méi)有吸附的理想表面,其勢(shì)壘為矩形階躍函數(shù),如圖中虛線所示。實(shí)際情況中,由于表面吸附的存在,金屬和真空之間會(huì)存在一個(gè)過(guò)渡的吸附層。吸附層內(nèi)原子分布不同于體相,有許多懸空鍵化學(xué)價(jià),從而產(chǎn)生復(fù)雜的表面態(tài)。吸附與表面勢(shì)壘的關(guān)系一般來(lái)說(shuō)非常復(fù)雜,為簡(jiǎn)單起見(jiàn),本文僅考慮物理吸附。一般常見(jiàn)的吸附物的親和勢(shì)χ都小于金屬的功函數(shù)φ,吸附會(huì)使得表面勢(shì)壘向下彎曲,在吸附層內(nèi),離金屬表面越遠(yuǎn),吸附密度越低,對(duì)應(yīng)的勢(shì)壘下降速度越慢。圖中,U0和Uv分別為勢(shì)壘的初始高度和最終高度,a為吸附層厚度。

圖2 內(nèi)表面二次電子跨越勢(shì)壘示意圖

引入吸附度η=Q/Qmax來(lái)衡量吸附量的大小,其中Q為吸附量,Qmax為最大吸附量。表面勢(shì)壘高度隨著吸附量Q的增大而降低,因此隨著η增大,表面勢(shì)壘也相應(yīng)降低。經(jīng)典理論[15]認(rèn)為,單晶金屬表面吸附覆蓋量與逸出功之間存在簡(jiǎn)單線性關(guān)系,若不考慮吸附厚度,金屬與吸附層界面處勢(shì)壘高度U0與吸附度η成線性關(guān)系

(3)

顯然,η=1時(shí),U0=χ,對(duì)應(yīng)為吸附層內(nèi)緊密排列著吸附原子,此時(shí)二次電子只需克服吸附物的親和勢(shì)χ即可出射;η=0時(shí),表面無(wú)吸附,電子需克服金屬功函數(shù)φ才能出射。

在吸附層內(nèi)部,勢(shì)壘高度越接近外層變化越平緩,在勢(shì)壘外側(cè)x=a處導(dǎo)數(shù)為0。本模型認(rèn)為,勢(shì)壘的最終高度Uv也受吸附度η的影響,有以下關(guān)系

(4)

假設(shè)下降形態(tài)滿足二次函數(shù),推導(dǎo)得到勢(shì)壘形狀滿足下式

(5)

1.3 內(nèi)二次電子透射系數(shù)

內(nèi)表面二次電子跨越勢(shì)壘的透射系數(shù)是影響二次電子發(fā)射的另一個(gè)重要因素。金屬內(nèi)部運(yùn)動(dòng)到吸附層內(nèi)表面的二次電子需要克服表面勢(shì)壘才能出射到真空,因此在計(jì)算電子的透射系數(shù)時(shí),不僅需要考慮電子的能量Ein、角度α[16-18],還需要考慮勢(shì)壘的形狀。對(duì)于特定的表面勢(shì)壘分布U(x),通過(guò)求解薛定諤方程來(lái)得到金屬內(nèi)部和勢(shì)壘外部的電子態(tài)密度,并根據(jù)勢(shì)壘兩側(cè)電子態(tài)密度之比得到透射系數(shù)T(Ein,α)。由于樣品尺寸遠(yuǎn)大于表面吸附層的厚度,可以使用一維模型來(lái)進(jìn)行處理。對(duì)于一定的勢(shì)壘分布U(x),電子波函數(shù)ψ滿足薛定諤方程

(6)

在金屬內(nèi)部和表面勢(shì)壘以外的真空區(qū)域,U(x)分別為常數(shù),方程(6)對(duì)應(yīng)的解為均勻平面波,則金屬和真空區(qū)域的電子波函數(shù)分別為

(7)

吸附層內(nèi)勢(shì)壘分布U(x)是位置x的函數(shù),此時(shí)一般很難得到波函數(shù)的解析解。為此,將勢(shì)壘沿厚度方向分成n層,如果每一層的厚度足夠小,其勢(shì)壘可視為常數(shù)Ui,1≤i≤n。此時(shí),在每一層內(nèi),波函數(shù)有如下形式的通解

(8)

式中:ψi和ki分別表示第i層內(nèi)的波函數(shù)和波數(shù)。此外,還可以將金屬內(nèi)部記為第0層而將真空記為第n+1層。

波函數(shù)在層間的界面上滿足連續(xù)性邊界條件

(9)

式中:xi為第i層與第i+1層分界面的位置。

同時(shí),二次電子進(jìn)入自由真空區(qū)域后不會(huì)再返回金屬,即在真空區(qū)域沒(méi)有反射波,有Bn+1=0。求解式(9)可以得到A0與An+1的關(guān)系。由于波函數(shù)幅值的平方表示電子態(tài)密度,因此透射系數(shù)T為

(10)

將式(10)代入式(1)即可得到出射二次電子的能譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面吸附量對(duì)二次電子能譜的影響

按照上述模型,本文分析了不同吸附量對(duì)能譜的影響。本文以金屬銀為研究對(duì)象,其功函數(shù)φ取其典型值4.63 eV。根據(jù)本課題組已有的研究結(jié)果[12],金屬銀樣品經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中后表面會(huì)吸附大量的氣體,殘余氣體分析(RGA)結(jié)果顯示吸附物的主要成分是水蒸氣。因此,吸附物的親和勢(shì)取值為水的親和勢(shì)0.75 eV。

(a)能譜形態(tài)

(b)能譜特征參數(shù)圖3 金屬銀表面吸度對(duì)二次電子能譜的影響

圖3給出了吸附度η對(duì)二次電子能譜的影響規(guī)律。從圖3a可以看出,當(dāng)吸附量逐漸增多,即η從0增大至1的過(guò)程中,能譜半峰寬變窄,電子數(shù)最大值所對(duì)應(yīng)的能量,最可幾能量減小,這是因?yàn)殡S著吸附量的增加,表面勢(shì)壘高度迅速降低,而由N0(Ein)可知,內(nèi)二次電子的能量越低則數(shù)量越多,表面勢(shì)壘降低后,更多低能電子可以出射,出射電子中低能量電子增多,從而導(dǎo)致能譜半峰寬和最可幾能量迅速減小。圖3b進(jìn)一步給出了能譜半峰寬和最可幾能量隨吸附度η的變化規(guī)律,正如預(yù)期的,隨著吸附度增大半峰寬變窄且最可幾能量減小。同時(shí),通過(guò)分析還發(fā)現(xiàn)兩者與吸附度之間都具有非常好的線性關(guān)系,圖3b中直線表示線性擬合的結(jié)果。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

采用上述模型可以對(duì)不同表面狀態(tài)的二次電子能譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)在一個(gè)超高真空(UHV)測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行,其主真空室真空度可達(dá)9×10-9Pa。實(shí)驗(yàn)樣品為長(zhǎng)、寬、厚分別為1 cm、1.2 cm和0.25 mm的銀箔小塊(CAS RN:7440-22-4,純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為99.998%)。樣品經(jīng)無(wú)水乙醇和去離子水清洗,并在空氣中自然晾干。測(cè)試時(shí)可以通過(guò)原位的氬離子清洗和熱處理來(lái)去除樣品表面的吸附。二次電子能譜測(cè)試時(shí)入射電子能量為300 eV,入射電子電流為1 nA,束斑直徑約200 μm。采用的能譜儀是垂直安裝在樣品臺(tái)正上方的DESA 150分析儀,通過(guò)調(diào)整掃描電壓可以調(diào)整能量分辨率。更多實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和樣品處理的細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)[19-20]。考慮到樣品均勻性的影響,每片樣品選取3個(gè)不同測(cè)試點(diǎn),結(jié)果取其平均值。

通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行熱處理來(lái)改變其吸附量,測(cè)量不同熱處理狀態(tài)下的二次電子能譜。圖4給出了Ag樣品能譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。由圖4可見(jiàn),暴露于大氣的純銀原樣能譜的最可幾能量較低,為1.4 eV,半峰寬較窄,為5.17 eV,這一結(jié)果和η=0.5的計(jì)算結(jié)果一致。對(duì)于暴露于大氣的純銀原樣,有一定的吸附物,但是由于氣壓和溫度等原因,不可能達(dá)到最大吸附量。經(jīng)過(guò)400 ℃加熱2 h后,最可幾能量向右平移至2 eV,能譜半峰寬展寬至7.53 eV,此結(jié)果與η=0.35時(shí)的計(jì)算結(jié)果相一致。加熱后的能譜對(duì)應(yīng)于較小的吸附度,這是由于加熱使得表面吸附物出現(xiàn)部分脫附,而加熱后吸附度并未減小到0,表明樣品表面還存在一定量的吸附,這些吸附具有較高的活化能,需要更高的加熱溫度或者更有效的清除手段才能去除。圖中還給出了氬離子清洗后的樣品的能譜的實(shí)驗(yàn)值,對(duì)應(yīng)的最可幾能量和半峰寬分別為3.4 eV和12.5 eV,與η=0時(shí)的計(jì)算結(jié)果很接近,表明離子清洗后的表面接近于理想清潔表面,但是最可幾能量的實(shí)驗(yàn)值略大于計(jì)算值,可能因?yàn)殡x子清洗后表面存在正電荷的沉積[21],導(dǎo)致真實(shí)勢(shì)壘略高于理論值?？傮w上,模型計(jì)算的結(jié)果可以很好地解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖4 Ag樣品實(shí)驗(yàn)與計(jì)算能譜結(jié)果對(duì)比

2.3 表面勢(shì)壘模型的討論

本文通過(guò)表面勢(shì)壘研究表面吸附對(duì)二次電子能譜的影響,根據(jù)不同吸附狀態(tài)建立了表面勢(shì)壘模型,分析吸附狀態(tài)對(duì)二次電子能譜的影響:①對(duì)于暴露于大氣的金屬樣品,表面存在大量的吸附物,這些吸附物使得表面勢(shì)壘大幅度降低,二次電子發(fā)射大幅度增強(qiáng);②加熱會(huì)給表面吸附的氣體分子提供動(dòng)能,使得一部分氣體分子特別是脫附能不高的物理吸附分子脫附,表面勢(shì)壘有所升高,能譜展寬,最可幾能量右移;③一部分吸附分子與表面形成了化學(xué)鍵,鍵能較大,加熱不能有效去除;④氬離子具有很大的動(dòng)能,會(huì)在表面濺射破壞表面化學(xué)鍵,清除絕大部分的吸附和污染,使材料表面接近理想狀態(tài)。經(jīng)氬離子清洗后的表面接近理想清潔表面的對(duì)應(yīng)的二次電子能譜,半峰寬和最可幾能量進(jìn)一步增大。該模型還可以進(jìn)行一定的擴(kuò)展,本文認(rèn)為主要吸附物為水蒸氣,對(duì)于其他的吸附物,如CO2、CO、N2等,可以通過(guò)調(diào)整吸附物的親和勢(shì)和邊界條件等來(lái)進(jìn)行分析。

當(dāng)然,模型在有些方面還有待進(jìn)一步改進(jìn)。例如:模型認(rèn)為勢(shì)壘厚度是常數(shù),而實(shí)際上應(yīng)該與金屬材料本身和吸附層的物理、化學(xué)性質(zhì)等因素相關(guān);模型忽略了電子在吸附層的散射,而這一影響在吸附層密度和厚度較大時(shí)可能會(huì)比較顯著。實(shí)驗(yàn)方面,如果能夠提供加熱狀態(tài)下原位測(cè)量功函數(shù)的結(jié)果,將更具有說(shuō)服力,此外具體吸附量的測(cè)量也是尚待解決的問(wèn)題。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)表面勢(shì)壘研究了金屬表面吸附對(duì)二次電子能譜的影響,建立了表面勢(shì)壘模型,將表面吸附狀態(tài)的改變體現(xiàn)到表面勢(shì)壘的變化上,再通過(guò)表面勢(shì)壘的變化分析二次電子發(fā)射能譜的變化。模型計(jì)算結(jié)果表明,表面吸附量的增加會(huì)降低表面勢(shì)壘,從而使二次電子能譜變窄,最可幾能量變小。另外,利用加熱和離子清洗改變表面吸附狀態(tài),抑制二次電子發(fā)射。所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以通過(guò)模型得到很好的解釋?？傊?本文對(duì)表面吸附、表面勢(shì)壘和二次電子發(fā)射規(guī)律之間的關(guān)系進(jìn)行了有機(jī)統(tǒng)一,建立了表面吸附勢(shì)壘模型,給出了表面吸附影響二次電子發(fā)射能譜的內(nèi)在機(jī)理。此外,在表面修飾抑制加速器壁二次電子發(fā)射等工作中,還可以利用本模型進(jìn)行理論上的指導(dǎo)。

[1] CIMINO R, COLLINS I R. Vacuum chamber surface electronic properties influencing electron cloud phenomena [J]. Applied Surface Science, 2004, 235(1/2): 231-235.

[2] KIRBY R E, KING F K. Secondary electron emission yields from PEP-II accelerator materials [J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section: A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment, 2001, 469(1): 1-12.

[3] RUMOLO G, ARDUINI G, METRAL E, et al. Dependence of the electron-cloud instability on the beam energy [J]. Physical Review Letters, 2008, 100(14): 144801.

[4] ZAMEROSKI N D, KUMAR P, WATTS C, et al. Secondary electron yield measurements from materials with application to collectors of high-power microwave devices [J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2006, 34(3): 642-651.

[5] HOFF B W, MARDAHL P J, GILGENBACH R M, et al. Microwave window breakdown experiments and simulations on the UM/L-3 relativistic magnetron [J]. Review of Scientific Instruments, 2009, 80(9): 094702.

[6] SEILER H. Secondary electron emission in the scanning electron microscope [J]. Journal of Applied Physics, 1983, 54(11): R1-R18.

[7] REIMER L. Image formation in low voltage scanning electron microscopy [M]. Bellingham, WA, USA: SPIE, 1993: 1-12.

[8] CAZAUX J. Material contrast in SEM: Fermi energy and work function effects [J]. Ultramicroscopy, 2010, 110(3): 242-253.

[9] JOY D C, PRASAD M S, MEYER H M. Experimental secondary electron spectra under SEM conditions [J]. Journal of Microscopy, 2004, 215: 77-85.

[10]ZHANG H B, HU X C, WANG R, et al. Note: measuring effects of Ar-ion cleaning on the secondary electron yield of copper due to electron impact [J]. Review of Scientific Instruments, 2012, 83(6): 066105.

[11]郝致遠(yuǎn), 汲勝昌, 宋瑩. 氬等離子體射流對(duì)聚四氟乙烯表面改性的研究 [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 48(4): 59-67. HAO Zhiyuan, JI Shengchang, SONG Ying. Experimental research on surface modification of polytetrafluoroethylene by Ar atmospheric pressure plasma jet [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2014, 48(4): 59-67.

[12]ZHANG H B, HU X C, CAO M, et al. The quantitative effect of thermal treatment on the secondary electron yield from air-exposed silver surface [J]. Vacuum, 2014, 102: 12-15.

[13]BOJKO I, HILLERET N, SCHEUERLEIN C. Influence of air exposures and thermal treatments on the secondary electron yield of copper [J]. Journal of Vacuum Science and Technology: A, 2000, 18(3): 972-979.

[14]CHUNG M S, EVERHART T E. Simple calculation of energy distribution of low-energy secondary electrons emitted from metals under electron-bombardment [J]. Journal of Applied Physics, 1974, 45(2): 707-709.

[15]胡漢泉, 王遷. 真空物理與技術(shù)及其在電子器件中的應(yīng)用 [M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1982: 87-92.

[16]CAZAUX J. Calculated influence of work function on SE escape probability and secondary electron emission yield [J]. Applied Surface Science, 2010, 257(3): 1002-1009.

[17]CAZAUX J. Calculated effects of work function changes on the dispersion of secondary electron emission data: application for Al and Si and related elements [J]. Journal of Applied Physics, 2011, 110(2): 024906.

[18]DING Z J, LI H M, TANG X D, et al. Monte Carlo simulation of absolute secondary electron yield of Cu [J]. Applied Physics: A Materials Science & Processing, 2004, 78(4): 585-587.

[19]崔萬(wàn)照, 楊晶, 張娜. 空間金屬材料的二次電子發(fā)射系數(shù)測(cè)量研究 [J]. 空間電子技術(shù), 2013, 10(2): 75-78. CUI Wanzhao, YANG Jing, ZHANG Na. Testing method of the secondary electron emission yield of space metal materials [J]. Space Electronic Technology, 2013, 10(2): 75-78.

[20]楊晶, 崔萬(wàn)照, 胡天存, 等. 純銀材料的二次電子發(fā)射能譜研究 [J]. 太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào), 2014, 12(1): 141-144. YANG Jing, CUI Wanzhao, HU Tiancun, et al. Research of secondary electron energy spectrum on pure silver material [J]. Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology, 2014, 12(1): 141-144.

[21]HU X C, ZHANG H B, CAO M, et al. Heating-induced variations of secondary electron emission from ion-cleaned copper samples [J]. Micron, 2014, 64: 52-56.

[本刊相關(guān)文獻(xiàn)鏈接]

田康,劉衛(wèi)華,李昕,等.銅尖表面石墨烯原位生長(zhǎng)工藝及其場(chǎng)發(fā)射特性.2015,49(8):6-10.[doi:10.7652/xjtuxb201508 002]

李昕,張永,殷德民,等.采用緊束縛格林函數(shù)法研究原子吸附石墨烯納米帶電子輸運(yùn).2015,49(2):37-42.[doi:10.7652/xjtuxb201502007]

李昕,郭士西,宋輝,等.石墨烯晶體管研究進(jìn)展.2014,48(10):1-8.[doi:10.7652/xjtuxb201410001]

李昕,張娟,李全福,等.面向集成電路的大尺寸單晶石墨烯的可控制備方法.2014,48(6):103-109.[doi:10.7652/xjtuxb201406018]

劉婧,張海波.混合能量電子輻照聚酰亞胺的帶電特性.2014,48(8):1-6.[doi:10.7652/xjtuxb201408001]

楊俊,蔣維濤,王蘭蘭,等.曲面仿生復(fù)眼透鏡微復(fù)型過(guò)程變形分析.2013,47(5):121-125.[doi:10.7652/xjtuxb201305 022]

王春媛,張曄,吳揚(yáng),等.融合共線方程和多項(xiàng)式修正的遙感影像正射校正.2012,46(12):49-54.[doi:10.7652/xjtuxb 201212009]

李尊朝,羅誠(chéng),王闖,等.部分耗盡異質(zhì)環(huán)柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管閾值電壓模型.2013,47(12):50-54.[doi:10.7652/xjtuxb2013 12009]

劉林林,李尊朝,尤一龍,等.全耗盡圍柵金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管二維模型.2011,45(2):73-77.[doi:10.7652/xjtuxb201102015]

崔巖,張呂權(quán),夏勁松,等.壓電微懸臂梁探針的制作工藝研究.2011,45(1):79-82.[doi:10.7652/xjtuxb201101016]

張穩(wěn)穩(wěn),吳朝新,朱仁龍,等.有機(jī)電致發(fā)光器件穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).2011,45(2):64-67.[doi:10.7652/xjtuxb201102013]

史永貴,戴培赟,楊建鋒,等.物理氣相傳輸(PVT)法生長(zhǎng)碳化硅的晶體形態(tài)熱應(yīng)力分析.2011,45(1):117-121.[doi:10.7652/xjtuxb201101023]

(編輯 劉楊)

A Model of Surface Adsorption Barrier on Secondary Electron Spectrum of Metal

YU Yangye,CAO Meng,ZHANG Haibo

(Key Laboratory for Physical Electronics and Devices of the Ministry of Education,Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A model of surface adsorption barrier on secondary electron (SE) spectrum is proposed to improve the surface state in accelerators and high power microwave sources. Mathematical modeling and experimental verification are used in building the model. Inner SEs are chosen as the initial condition of the SE emission. It is found through analysis that the adsorption of water vapor distorts the energy level and reduces the surface barrier. Then, Schrodinger equation for water adsorption is established to get the transmission coefficients. The adsorption barrier model is built and quantitative relationships between SE spectrum characteristic parameters and adsorption amount are obtained by considering the inner SE energy distribution. Analytical results from the model show that increasing the amount of adsorption reduces the surface barrier, and results in enhanced SE emission from metal wall, narrowed spectrum and aggravated electron cloud effect. It is also found that the water adsorption on accelerator wall can be reduced or eliminated, and the SE emission can be suppressed by heating and ion cleaning. Experiments show that ion cleaning reduces the amount of adsorption, and the adsorption of Ag samples reduces from its initial value 0.5 to 0, while the spectrum width at half maximum increases from 5.17 to 12.5 eV.

secondary electron emission; secondary electron spectrum; adsorption; surface barrier; transmission coefficient

2015-01-25。

虞陽(yáng)燁(1990—),男,碩士生;曹猛(通信作者),男,副教授,博士生導(dǎo)師。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11375139,11175140);空間微波技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(9140C530101130C53013)。

時(shí)間:2015-07-23

10.7652/xjtuxb201510016

TN16;O462

A

0253-987X(2015)10-0097-06

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