固体金属二次电子发射的Monte-Carlo模拟

二次电子的发射在生产实践中有着广泛的应用,但其相关测量结果受实验环境和实验仪器的影响很大．在实验中难以精确测量．所以本文建立了一个包含二次电子激发、在固体内部传输和最后逸出固体表面的二次电子系统模型．采用Monte-Carlo的模拟方法仿真二次电子运动轨迹,定量分析二次电子的发射系数和能谱分布．并探讨它们与一次电子的入射角度和入射能量的关系．仿真结果表明：本文建立的二次电子系统模型能较好地反映实际情况．通过该模型仿真,可以定量得到二次电子发射系数和能谱分布与一次电子的入射能量和入射角度的关系．     

高入射能量下的金属二次电子发射模型

基于高入射能量电子产生二次电子发射的物理过程, 分别对高入射能量电子产生的真二次电子和背散射电子的概率进行理论分析与建模. 利用Bethe能量损失模型和内二次电子逸出概率分布, 推导出高入射能量电子产生有效真二次电子发射的系数与入射能量的关系式; 根据高入射能量电子在材料内部被吸收的规律, 推导出高入射能量电子产生背散射电子的系数与入射能量之间的关系式. 结合两者得到高入射能量下金属的二次电子发射模型. 利用该模型计算得到典型金属材料Au, Ag, Cu, Al的二次电子发射系数, 理论计算结果与采用Casino软件模拟金属内部散射过程得到的数值模拟结果相符. 关键词： 二次电子发射 高入射能量 金属表面 散射过程     

金属的高能二次电子发射系数与入射能量和能量幂次的关系

 根据原电子射程表达式和金属的有效真二次电子发射系数表达式,推导出金属的高能有效真二次电子发射系数与入射能量、能量幂次的关系式;并根据金属的高能有效真二次电子发射系数与金属的高能二次电子发射系数的关系,推导出金属的高能二次电子发射系数与入射能量、能量幂次的关系式。用实验数据计算出高能原电子轰击在金或银上时原电子入射能量幂次n,采用实验数据证实高能二次电子发射系数与原电子入射能量和能量幂次三者的关系,对结果进行讨论并得出结论：当高能原电子轰击在同一块金属上时,高能二次电子发射系数与原电子入射能量的n-1次幂之积近似为一常数。     

高能原电子能量与金属的有效真二次电子发射系数的关系

 提出有效真二次电子发射系数的概念,并从理论上论述了高能原电子的能量与金属的有效真二次电子发射系数的关系，然后用实验数据证明了该理论的正确性，最后对结果进行了讨论。得到了如下结论：不同入射能量的高能原电子轰击同一个金属发射体时， 它们的有效真二次电子发射系数与高能原电子入射能量之积近似为一个常量，有效真二次电子发射系数与高能原电子入射能量成反比。     

提高砷化镓二次电子发射系数的探讨

介绍了延长负电子亲和势二次电子发射材料砷化镓的逸出深度的设计,并给出了经过特殊设计的这种砷化镓的能级示意图,然后对通常的砷化镓和经过特殊设计的砷化镓的二次电子发射系数的理论值进行了比较,得出:当原电子入射能量较低（小于10 keV）时,两种砷化镓的二次电子发射系数差值较小;当原电子入射能量较高（大于20 keV）时,经过特殊设计的砷化镓的二次电子发射系数比普通砷化镓的二次电子发射系数大,而且随着原电子入射能量的升高,两种砷化镓的二次电子发射系数差值也在增大。     

金属的有效真二次电子发射系数与高能原电子入射角的关系

推导出高能原电子斜入射时的金属的有效真二次电子发射系数的表达式，它与入射角的余弦近似成反比，并对结果进行了讨论.     

高速H2+离子轰击C靶诱发二次电子的发射行为与入射角的关系

运用Monte-Carlo方法结合半经验理论研究了高速H2+离子轰击C靶诱发二次电子的发射行为与入射角的关系。分别研究了电子发射产额与入射角以及发射统计性与入射角的关系。结果表明，由于H2+上的价电子的影响使得背向电子发射产额不遵守余弦倒数关系。斜入射时候的前向与背向电子产额的比值跟正入射时的情况不同。电子的发射统计跟入射角没有关系。标志偏离Poission分布的值 b，随入射能量的增加而增大。     

金属二次电子发射系数表达式

根据二次电子发射的主要物理过程,推导出二次电子发射系数和单位背散射电子产生的内二次电子数与原电子产生的内二次电子数之比、原电子入射能量、参数、最大二次电子发射系数、背散射系数之间的关系式。根据实验结果,给出了2~10 keV比率的表达式。根据推导的关系式,用实验数据分别计算出6种金属的平均参数。发现6种金属的平均参数都近似为一个常数11.89(eV)0.5。根据推导的关系式和计算的参数,推导出以背散射系数、原电子入射能量和最大二次电子发射系数为变量的二次电子发射系数通式。用该通式计算出二次电子发射系数,并与相应的实验值进行了比较,最后成功地推导出金属2~10 keV的二次电子发射系数通式。     

二次电子分布函数对绝缘壁面稳态鞘层特性的影响

由于缺乏详细的理论计算和实验结果,在研究绝缘壁面稳态流体鞘层特性时,通常假设壁面出射的总二次电子服从单能分布(0)、半Maxwellian分布等.在单能电子轰击壁面的详细二次电子发射模型基础上,采用Monte Carlo方法统计发现:当入射电子服从Maxwellian分布时,绝缘壁面发射的总二次电子服从三温Maxwellian分布.进而,采用一维稳态流体鞘层模型进行对比研究,结果表明:二次电子分布函数对鞘边离子能量、壁面电势、电势及电子/离子密度分布等均具有明显影响;总二次电子服从三温Maxwellian分布时,临界空间电荷饱和鞘层无解,表明随着壁面总二次电子发射系数的增加,鞘层直接从经典鞘层结构过渡到反鞘层结构.     

绝缘体二次电子发射系数测量装置的研制

 成功研制了测量绝缘体二次电子发射系数的测量装置，该装置主要由栅控电子枪系统、真空系统和电子采集系统组成，测量装置产生的原电子流的能量范围为0.8~60 keV。采用单脉冲电子枪法，测量了原电子能量范围为0.8~45 keV的多晶MgO的二次电子发射系数。测量中，收集极(偏置盒)离材料表面设置为约35 mm，偏置电压设置为 45 V。测量得到：用磁控溅射法制备的MgO的二次电子发射系数最大值约为2.83，处于 2~26范围内，其对应的原电子能量约为980 eV。这表明该装置测量的绝缘体二次电子发射系数是可信的，但用磁控溅射法制备的MgO的二次电子发射系数较低，这可能是制备MgO时引入了过多的杂质在MgO二次电子发射体里面所引起的。     

Characteristics of secondary electron emission from few layer graphene on silicon (111) surface

As a typical two-dimensional (2D) coating material, graphene has been utilized to effectively reduce secondary electron emission from the surface. Nevertheless, the microscopic mechanism and the dominant factor of secondary electron emission suppression remain controversial. Since traditional models rely on the data of experimental bulk properties which are scarcely appropriate to the 2D coating situation, this paper presents the first-principles-based numerical calculations of the electron interaction and emission process for monolayer and multilayer graphene on silicon (111) substrate. By using the anisotropic energy loss for the coating graphene, the electron transport process can be described more realistically. The real physical electron interactions, including the elastic scattering of electron—nucleus, inelastic scattering of the electron—extranuclear electron, and electron—phonon effect, are considered and calculated by using the Monte Carlo method. The energy level transition theory-based first-principles method and the full Penn algorithm are used to calculate the energy loss function during the inelastic scattering. Variations of the energy loss function and interface electron density differences for 1 to 4 layer graphene coating GoSi are calculated, and their inner electron distributions and secondary electron emissions are analyzed. Simulation results demonstrate that the dominant factor of the inhibiting of secondary electron yield (SEY) of GoSi is to induce the deeper electrons in the internal scattering process. In contrast, a low surface potential barrier due to the positive deviation of electron density difference at monolayer GoSi interface in turn weakens the suppression of secondary electron emission of the graphene layer. Only when the graphene layer number is 3, does the contribution of surface work function to the secondary electron emission suppression appear to be slightly positive.     

Influence of surface topography on the secondary electron yield of clean copper samples

Secondary electron yield (SEY) due to electron impact depends strongly on surface topography. The SEY of copper samples after Ar-ion bombardment is measured in situ in a multifunctional ultrahigh vacuum system. Increasing the ion energy or duration of ion bombardment can even enlarge the SEY, though it is relatively low under moderate bombardment intensity. The results obtained with scanning electron microscopy and atomic force microscopy images demonstrate that many valley structures of original sample surfaces can be smoothed due to ion bombardment, but more hill structures are generated with stronger bombardment intensity. With increasing the surface roughness in the observed range, the maximum SEY decreases from 1.2 to 1.07 at a surface characterized by valleys, while it again increases to 1.33 at a surface spread with hills. This phenomenon indicates that hill and valley structures are respectively effective in increasing and decreasing the SEY. These obtained results thus provide a comprehensive insight into the surface topography influence on the secondary electron emission characteristics in scanning electron microscopy.     

基于微陷阱结构的金属二次电子发射系数抑制研究

近年来,金属二次电子发射系数的抑制研究在加速器、大功率微波器件等领域得到了广泛关注.为评估表面形貌对抑制效果的影响,利用唯象概率模型计算方法对三角形沟槽、矩形沟槽、方孔及圆孔4种不同形状微陷阱结构的二次电子发射系数进行了研究,分析了微陷阱结构的形状、尺寸对二次电子发射系数抑制特性的影响规律.理论研究结果表明:陷阱结构的深宽比、孔隙率越大,则其二次电子发射系数抑制特性越明显;方孔形和圆孔形微陷阱结构的二次电子发射系数抑制效果优于三角形沟槽和矩形沟槽;具有大孔隙率的微陷阱结构表面的二次电子发射系数对入射角度的依赖显著弱于平滑表面.制备了具有不同表面形貌的金属样片并进行二次电子发射系数测试,所得实验规律与理论模拟规律符合较好.     

微孔阵列铜表面二次电子发射系数抑制研究

针对微孔阵列对铜表面二次电子发射系数(SEY)的抑制效应进行实验研究以提高电真空器件性能。首先利用Casino软件模拟了入射能量分别为0.5 keV和3 keV的电子束垂直入射到方形微孔阵列表面的SEY,分析了方孔阵列的深宽比和孔隙率对本征二次电子发射系数(ISEY)、背散射二次电子发射系数(BSEY)及总二次电子发射系数(TSEY)的影响。然后采用半导体光刻工艺在铜箔表面制备具有不同形貌参数的圆孔阵列,采用激光扫描显微镜进行形貌分析和几何结构参数提取,采用二次电子测试平台进行TSEY测试。仿真结果表明:微孔阵列的深宽比、孔隙率越大,其SEY抑制特性越明显;随着微孔阵列深宽比逐渐增大,SEY逐渐趋于饱和;入射电子束能量较低时,微孔阵列对SEY抑制效应比入射能量较高时更为明显。实验结果表明:微孔阵列能有效抑制铜表面SEY,实测结果与仿真结果规律一致,为微孔阵列结构用于铜表面SEY抑制提供了依据。     

高能电子辐照绝缘厚样品的表面电位动态特性

采用数值计算和实验测量相结合的方法, 阐明了高能电子束照射下绝缘厚样品的表面电位和电子产额动态特性. 结果表明: 由于电子在样品内部的散射和输运, 沿着深度方向, 空间电位先缓慢下降到最小值, 然后逐渐升高并趋近于零; 随着电子束照射, 样品的表面电位逐渐下降, 可至负千伏量级, 电子总产额逐渐增大至一个接近于1的稳定值; 电子束停止照射后, 长时间放置下, 表面电位将逐渐升高, 但带电并不会消除; 表面电位随电子束能量的升高近似线性下降, 随入射角的增大而升高, 而随样品厚度的增大仅略有下降.     

Elastic and inelastic contributions to the auger electron appearance potential spectrum of titanium

The energy distribution of electrons contributing to the L-shell Auger electron appearance potential spectrum of a polycrystalline titanium surface has been measured. The Auger electron appearance potential spectrum is obtained by differentiating the total secondary electron yield of an electron bombarded sample as a function of incident electron energy. At the threshold for scattering from a core level the secondary yield increases. Most of the electrons contributing to this increase have energies below 30 eV, and result from secondary processes following Auger recombination of the core hole. The elastic yield decreases at the threshold, however, due to opening a new channel for inelastic scattering. A comparison of the elastic yield spectrum (DAPS), the total yield spectrum (AEAPS) and the soft X-ray yield spectrum (SXAPS), shows very similar line shapes, but differences in the relative strengths of the lines.     

Secondary electron emission yield from vertical graphene nanosheets by helicon plasma deposition

The secondary electron emission yields of materials depend on the geometries of their surface structures.In this paper,a method of depositing vertical graphene nanosheet(VGN)on the surface of the material is proposed,and the secondary electron emission(SEE)characteristics for the VGN structure are studied.The COMSOL simulation and the scanning electron microscope(SEM)image analysis are carried out to study the secondary electron yield(SEY).The effect of aspect ratio and packing density of VGN on SEY under normal incident condition are studied.The results show that the VGN structure has a good effect on suppressing SEE.     

Backscattered electron spectra from graphite

The backscattered electron spectra from graphite sample were studied both experimentally and theoretically at impact energies between 500 and 5000 eV. The angle of the incident electron beam was 50° and the detection angle was 0° with respect to the surface normal, respectively. Monte Carlo (MC) simulations were performed based on the Classical Transport Theory (CTT) model to mimic the experimental spectra. In our simulations, both elastic and inelastic scattering of primary electrons and secondary electron emission from graphite are taken into account. There is found satisfactory agreement between measured and calculated electron spectra.