Jak záření elektronů ovlivňuje sekundární emisní elektronovou odezvu dielektrických materiálů?

Sekundární emisní odezva (SEY) je klíčovým parametrem pro pochopení interakce elektronového záření s materiály, zejména dielektriky. Tento parametr vyjadřuje počet sekundárních elektronů, které jsou emitovány z povrchu materiálu, když na něj působí primární elektrony. SEY závisí na řadě faktorů, včetně energie incidentního elektronového svazku a fyzikálních vlastnostech samotného materiálu. V této části se podíváme na konkrétní příklady materiálů, které jsou běžně studovány v kontextu sekundární elektronové emise.

V tabulkách, které následují, je uveden přehled SEY pro různé dielektriky při různých energiích incidentních elektronů. Měření SEY těchto materiálů poskytuje důležitý náhled na to, jak materiály reagují na elektronové záření, což má široké aplikace v různých technologiích, jako je elektronová mikroskopie, elektronové litografie a další oblasti, kde je třeba kontrolovat interakce mezi elektrony a materiály na mikroskopické úrovni.

Příkladem může být PET (polyethylentereftalát), u něhož SEY vykazuje různé hodnoty v závislosti na energii dopadajících elektronů. Při nízkých energiích, například při 50 eV, SEY dosahuje hodnoty 1.7744, zatímco při vyšších energiích (až 5 000 eV) se hodnota SEY snižuje na 0.3354. Tento trend ukazuje, že materiál má tendenci emitovat více sekundárních elektronů při nižších energiích, což může být užitečné pro aplikace, kde je důležité maximalizovat sekundární emisi při určitých podmínkách.

Stejný vzorec je patrný i u dalších materiálů, jako je muskovit (minerál obsahující draselné sloučeniny), oxid křemičitý (SiO2), polymethylmetakrylát (PMMA), nebo alumina (Al2O3). U každého z těchto materiálů je křivka závislosti SEY na energii incidentních elektronů charakteristická, což ukazuje na různé elektronové vlastnosti každého materiálu. Muskovit, například, vykazuje výrazně vyšší hodnoty SEY při nižších energiích, které se pak při vyšších energiích zvolna snižují.

Pro lepší pochopení je důležité si uvědomit, že výskyt sekundárních elektronů je závislý nejen na energii dopadajících elektronů, ale také na mikroskopických vlastnostech materiálu, jako jsou elektronová struktura, absorpce energie, a schopnost uvolnit elektrony z povrchu. Tento proces je ovlivněn i chemickým složením materiálu, což se projevuje v různých typech dielektrik v podobě specifických křivek SEY.

Při porovnávání různých materiálů je nutné brát v úvahu, že každý materiál má jinou citlivost na změnu energie dopadajících elektronů. To znamená, že i když materiál jako SiO2 může mít vysokou SEY při středních energiích (například při 300 eV), jiný materiál, jako PMMA, může vykazovat vyváženější odezvu při širším rozsahu energií. Tento jev může být zásadní pro výběr materiálu v závislosti na konkrétní aplikaci, například při návrhu elektronických zařízení, kde je třeba optimalizovat sekundární emisi pro dosažení požadovaných parametrů.

Jak struktura povrchu ovlivňuje emisi sekundárních elektronů a multipaktorový prah

V oblasti výzkumu sekundární elektronové emise (SEE) je stále více zřejmé, že povrchová struktura materiálů, konkrétně různé uspořádání mikrotraps, může významně ovlivnit účinnost tohoto procesu. V tomto kontextu se často zkoumá struktura v podobě různých geometrií otvorů nebo drážek na povrchu materiálu, které mohou potlačit emisní chování sekundárních elektronů.

U uspořádání, jako jsou drážky s eliptickým průřezem, lze pozorovat určité trendy. Při zvýšení horizontální poloosy elipsy (a) dochází k silnějšímu a pomalejšímu účinku potlačení, přičemž efekt „kolapsu“ na sekundární elektrony se stává méně výrazným, jak se elipsa roztahuje vertikálně. To znamená, že horizontální semi‑osa a je klíčovým parametrem, který určuje, jak efektivně bude tento „kolaps“ probíhat. Pokud je hodnota a přiblížena k šířce obdélníkové drážky (a ≈ R), struktura se podobá obdélníkové ploše, kde efekt potlačení není optimální. Nejlepšího účinku je dosaženo, když poměr a/R ≈ 1,4.

Důležitým faktorem je i velikost drážky nebo kanálu, který je ve struktuře přítomen. V případě drážek s většími hodnotami horizontální poloosy se zvyšuje podíl plochy, což zkracuje porozitu a mírně oslabuje efekt potlačení na celkovém povrchu. Zajímavé je také porovnání mezi struktury s různými parametry, kdy například struktura hruškovitého tvaru (gourd trough) vykazuje lepší účinnost než běžná obdélníková drážka. Konkrétně, povrchová struktura hruškovitého tvaru je schopna zlepšit potlačení sekundární elektronové emise až o 21,2 %.

Dalším důležitým aspektem je vliv výšky obdélníkové části struktury, která ovlivňuje „délku útěku“ sekundárních elektronů. Jak se tato výška zvětšuje, délka dráhy, kterou elektron musí urazit, se prodlužuje, čímž se snižuje maximální hodnota emise sekundárních elektronů. Tento jev je také zásadní při určování prahu multipaktoru, protože nižší emisní koeficient sekundárních elektronů obvykle znamená nižší prahovou hodnotu multipaktoru, zatímco vyšší hodnoty koeficientu zvyšují tento prah.

Pokud jde o multipaktor, je důležité mít na paměti vztah mezi kvalitou materiálu a jeho schopností potlačit sekundární elektronovou emisi. Zvýšení výšky drážky (H) vede k téměř lineárnímu zvýšení kvality faktoru multipaktoru F, což znamená, že materiál s vyšším F bude mít vyšší prahovou hodnotu multipaktoru a tedy lepší schopnost potlačit tento jev. Výsledky ukazují, že povrchová struktura hruškovitého tvaru může zlepšit tento faktor až o 24,97 % v porovnání s běžnou obdélníkovou drážkou.

Důležitým bodem je také to, že tyto struktury mohou být zpracovány moderními metodami, jako je mikro-nano vytváření, 3D tisk a mikro-imprint, což umožňuje jejich aplikaci i na menší měřítka a v podmínkách pokročilých technologických procesů.

Struktura povrchu, která je schopna efektivně potlačit sekundární elektronovou emisi, je tedy klíčová nejen pro zlepšení výkonu zařízení, ale také pro dosažení optimálních parametrů v oblasti multipaktorů. Proto je nezbytné pokračovat ve výzkumu a zdokonalování těchto mikrostruktur, aby bylo možné dosáhnout ještě lepších výsledků v oblasti potlačení sekundární elektronové emise a zlepšení celkové kvality materiálů pro mikroelektroniku a další aplikace.

Jak procesy výboje ovlivňují sekundární emisní vlastnosti dielektrických materiálů?

Při procesu výboje dojde k postupnému úniku volných elektronů, což způsobí, že zbývající elektrony v materiálu budou z větší části tvořeny zachycenými elektrony. Tento proces úniku elektronů vede k postupnému oslabování vnitřního elektrického pole a potenciálu materiálu. V průběhu výboje elektrické pole a potenciál v materiálu slábnou, jak je znázorněno na obrázku 6.11, který ukazuje distribuci vnitřního elektrického pole EF(z) a potenciálu V(z) v různých okamžicích procesu výboje. I když dojde k oslabení těchto veličin, stále zůstává určitý zbytek elektrického pole a potenciálu kvůli přítomnosti zachycených nábojů v materiálu.

V okamžiku, kdy elektrony přestávají dopadat na vzorek, dochází k vybití vzorku, což znamená, že již neexistuje žádný proud sekundárních elektronů, ani proud dopadajících elektronů. V tomto bodě je třeba se soustředit pouze na proud úniku, který je v této fázi dominantní. Jak postupně dochází k úniku nábojů, celkový záporný náboj a povrchový potenciál materiálu oslabují, což je vidět na křivkách vyjadřujících změny ve výboji a změnách potenciálu povrchu na obrázku 6.12.

Tento výbojový proces, který je zkoumán v této části, je relevantní pro praktické aplikace, neboť se týká situace, kdy je materiál již nasycen nábojem, což činí studium tohoto procesu realistickým. V mnoha případech různé materiálové parametry ovlivňují výbojový proces. Například zvýšení mobility materiálu může zkrátit dobu výboje, ale také urychlit uvolňování náboje, protože vyšší mobilita elektronů znamená rychlejší migraci elektronů. Materiály s větší mobilitou elektronů nebo kovově dopované dielektrické materiály mohou pomoci zmírnit účinky náboje.

Zachycený náboj má zásadní vliv na výbojový proces, protože je obtížné ho uvolnit. Konečný zbývající náboj výboje je složen převážně ze zachycených nábojů, přičemž hustota těchto nábojů přímo ovlivňuje celý výbojový proces. Materiály s menšími defekty jsou tedy pro únik nábojů výhodnější, protože umožňují snazší únik nábojů a rychlejší uvolnění zachycené energie.

Další klíčovou součástí tohoto procesu je, jak se vnitřní náboj v materiálu během vystavení elektronům postupně šíří do hlubších vrstev vzorku. Tento proces vede k tomu, že odpovídající vrchol koncentrace náboje se posouvá směrem k povrchu vzorku. Záporný potenciál uvnitř materiálu postupně slábne směrem do hlubších vrstev a během pokračujícího vystavení elektronům se tento potenciál stále zvyšuje. Jakmile začne být přítomen a zesilován únikový proud, zvyšující se úbytek náboje ve vzorku vede k jeho stabilizaci na určité konečné hodnotě, která je přímo ovlivněna hustotou zachycených nábojů.

V kontextu těchto dynamických procesů sekundární emisní schopnosti dielektrických materiálů je třeba zdůraznit, že sekundární emisní vlastnosti materiálů jsou mnohem složitější než u kovů. Díky vlivu nabitého stavu se sekundární elektronová emise dielektrických materiálů mění v závislosti na jeho nabití. Mnoho studií se zabývalo měřením a analýzou změn sekundární emisní vlastnosti dielektrik a nabitých stavů materiálů. Výsledky ukázaly, že dynamické charakteristiky sekundární elektronové emise jsou přímo ovlivněny nabíjecím procesem materiálu.

Pro lepší pochopení těchto procesů byly vyvinuty numerické modely, které využívají metody Monte Carlo a metody časové domény s konečnými rozdíly. Tato kombinace umožňuje simulaci různých aspektů interakce elektronů s materiálem, jako je elastické a inelastické rozptylování, a procesy přenosu, difúze a zachycení nábojů. Tento numerický model ukazuje, jak se mění transientní charakteristiky sekundární emise a nabití během celého procesu.

Je důležité si uvědomit, že nejen materiálové vlastnosti, jako je mobilita elektronů nebo struktura materiálu, ale také specifické procesy, jako je difúze a zachycení nábojů, hrají rozhodující roli v sekundární emisní schopnosti dielektrických materiálů. Kromě toho materiály s nízkou hustotou defektů jsou vhodnější pro rychlý únik nábojů, což může mít zásadní význam pro procesy, kde je potřebná kontrola nabíjení a výboje v dielektrických materiálech.