材料二次电子发射特性及测量方法研究

材料二次电子发射特性及测量方法研究

王思展Summary：当材料表面受到具有初始动能的粒子撞击时，会被激发出二次电子。二次电子发射特性广泛应用于各个领域，而在航天领域，二次电子发射系数与在地球同步轨道运行的航天器表面带电水平息息相关。为了更好地计算航天器表面带电电位，需要准确获取航天器表面材料的二次电子发射特性，因而二次电子发射特性研究以及二次电子发射系数测量显得尤为重要。基于二次电子从产生之时所经历的输运、逃逸等物理过程对二次电子发射理论进行了整理，并对目前国内外二次电子发射系数的测量方法及测量手段进行了综述。Key：二次电子发射特性;二次电子发射系数;航天器表面带电;二次电子产额：0462.2：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2019.08.014当有初始能量的粒子（电子或离子等）撞击到材料表面时，会从材料表面激发出电子，如果到达材料表面的电子所具有的能量足以克服材料表面的能量势垒，便可从材料表面逃逸出来，即二次电子发射现象，逃逸出来的电子称为二次电子，如图1所示。在研究中约定，从材料表面逃逸出来的电子中，能量在50eV以下的电子称为（真）二次电子，能量在50eV以上的电子称为背散射电子。二次电子发射特性可由二次电子发射系数和二次电子能谱来表征。二次电子发射系数定义为从材料出射的电子数（流）与入射到材料表面的电子数（流）之间的比值。二次电子发射现象自19世纪末期由Campell发现的几十年以来，在理論研究方面及实验测量方面都有了突飞猛进的发展，而二次电子发射现象在多个领域，包括扫描电子显微镜、俄歇能谱仪等都得到了广泛的应用[1]。在航天领域，二次电子发射系数不仅与航天器表面充电电位大小密切相关，同时还与航天微波器件的微放电效应有关[2-5]。因此，有关二次电子发射现象的理论研究和二次电子发射系数的测量手段显得尤为重要。1二次电子发射现象理论研究二次电子发射现象最初由Campell发现，后来由Austin和Strake进行了较为深入的研究[6]，Bruining于1954年对当时的二次电子理论研究成果以及相关的测量手段进行了阶段性的总结[7]。对于二次电子数值模型是基于大量实验测量结果推导得出的，1950年Baroody提出了只考虑垂直入射条件下的二次电子发射系数数值模型[8]。1956年，Kollath对自己的二次电子发射系数模型进行了详细描述[9]。1957年，Ley和Dekker得到了修正模型，并对之前的二次电子数值模型进行了分析比较[1O]。对于二次电子能谱模型，Chung和Everhart于1974年首次提出低能二次电子能谱模型[11]。2002年，Furman和Pivi首次将二次电子分为真二次电子、背散射电子（包括弹性散射和非弹性散射），并引入了概率模型，这个模型能够应用于二次电子能谱的拟合[12]。2005年，RebeccaSeviour对Furman模型进行了修正，提出了较新的二次电子发射模型[13]。目前对金属材料二次电子发射现象的理论模型主要基于二次电子在材料内部的产生、输运和逃逸这三个物理过程，且多数模型的推算均围绕以下这个半经验模型展开：f（x）=Bexp（-X/λSE）.（1）式（1）中：B为二次电子的转移逸出系数，为仅与材料相关的常数，对于导体来说，B与材料的功函数有关，对于介质材料，它与材料能带隙以及电子亲和力有关;λSE为二次电子平均逃逸长度。当材料内部的二次电子被激发出来后，在材料内部经历了如下三个物理过程。二次电子的产生：当具有一定的能量撞击到材料表面时，在材料表面激发产生的电子数量和入射粒子的击穿深度与入射粒子的能量有关。入射电子的击穿深度还与其初始能量以及与材料的化学组成有关。另外，由入射粒子激发出来的高能电子会在材料内部经历更多的弹性散射事件，从而会在材料内部激发出更多的低能电子，而在实际研究中，认定从材料表面出射的电子即为二次电子。对于绝缘体而言，激发出来的电子还需要克服材料表面的能带隙能量[14]。二次电子在材料内部的输运：在材料表面被激发出来的电子在材料内部会有一个输运的过程，在这一过程中电子会损失能量。多数电子在未到达材料表面时能量耗尽无法逃逸。二次电子输运过程可表述成扩散过程模型，一个被激发出来的电子到达材料表面时的概率随着二次电子产生深度呈指数衰减，并且随着电子在材料中逃逸深度的变化而变化（电子在材料中的逃逸深度与材料特性有关）[15]。二次电子能否从材料表面逃逸，取决于材料自身的性质，而这可用二次电子在材料中的逃逸深度来表征。绝缘体中电子的平均逃逸深度为1O-50mm，导体中电子的平均逃逸深度低于10nm，由于电子在绝缘体中的逃逸深度大于导体，因此更多的电子可以从绝缘体表面逃逸，所以在入射电子能量相同的情况下，绝缘体的二次电子发射系数远高于导体[16]。二次电子的逃逸：二次电子若要从材料表面逃逸，需要克服材料表面的能量势垒，对于接地的导体而言，该能量势垒为材料的逸出功，而对于绝缘体和半导体而言为电子亲和性，且当绝缘体（半导体）表面带电时，还需克服材料表面的电位[17]。经过研究发现，从材料表面逃逸出来的二次电子能量一般在几电子伏特，而产生位置在几纳米的位置，因此材料表面的性质对二次电子发射现象影响很重要。2二次电子发射与航天器表面充电之间的关系运行在地球同步轨道的航天器在等离子体环境作用下发生表面充电，当电位达到平衡状态时，航天器表面电位由入射电流（电子和离子）、二次电子电流、背散射电子电流和光电子电流决定;当航天器在阴影区运行时，此时不出现光电效应，航天器表面电位只与入射电流和二次电子电流有关。航天器表面电位的平衡方程为：当航天器表面的电位足够高时，可能会导致静电放电效应（ESD），导致航天材料失效，对航天任务的执行造成威胁。太阳电池板占据了航天器大部分面积，Kapton是航天器表面的热防护层，而Teflon是航天器光缆的表面材料，因此需要准确测量这些航天材料的二次电子发射系数，将测量结果用于航天器表面充电电位的估算，以便准确评估航天器在轨运行时的充电情况，控制航天器在GEO轨道的充电电位。3二次电子发射系数测量方法研究由于材料自身的性质各不相同，针对不同的材料二次电子发射系数测量方法也应有所区分。对于金属材料，二次电子电流较易测试，可直接通过电流法测得;而对于绝缘体和半导体，测量过程中易产生表面充电效应且不易中和，需要使用更为复杂的测量手段。3.1二次电子测量方法概述结合目前的二次电子发射系数测量现状，测量材料二次电子发射系数的主流方法的目的都是实现对入射电子电流、（真）二次电子电流及背散射电子电流的区分及收集，并使用不同的中和方法保证介质材料在测量过程中不至于充到较高电位，减少其对入射电子能量的影响，提高测量精度。3.2三极管法、四极管法三极管法与四极管法皆为使用电子束管测量二次电子发射系数，对阴极进行加热，通过控制被测材料与阴极材料之间的电势差来控制二次电子的发射并收集，如图3、图4[18-19]所示。图3为三极管法，电子从阴极C发出，阳极为A，待测材料在阳极表面。通过控制阳极与阴极之间的电位差使电子进入栅格G，从而计算二次电子电流。这两种方法原理较为简单，但测量精度不高，只可作为现象研究，不可用于材料二次电子发射系数的精确测量。3.3偏压电流法和收集法随着理论研究与测量手段更为深入，使用电子枪对材料的二次电子发射系数进行测量成为了目前主流的测量手段。对于金属材料而言，二次电子发射系数测量方法主要包括偏压电流法和收集法两种，如图5、图6所示。偏压电流法是指通过对样品施加不同大小和方向的偏压，获得入射电流、二次电子电流和样品电流，从而计算出二次电子发射系数;收集法是使用栅网结构的测量装置，通过对各层栅网时施加不同的偏压，收集二次电子（背散射电子）并测得相应的二次电子（背散射）电子电流，从而计算出二次电子发射系数。这两种方法均可用于金属材料二次电子发射系数的测量。3.4绝缘材料测量方法同金属材料相比，绝缘材料的二次电子发射系数测量较为复杂，在测量过程中，如果采用持续的电子束流照射样品，会使得绝缘材料表面积累电荷，不仅会使得材料表面的性质发生改变，同时还会使得材料表面产生电场，短时间的照射即可让材料表面的电势达到I-IOV，这将会影响随后电子的入射能量，导致测量结果不精确。为了解决这一问题，需要在已有金属材料测量方法的基础上进行改进，在绝缘材料二次电子发射系数的测量过程中对材料表面所积累的电荷进行中和，保证绝缘材料在整个测量过程中电位保持稳定状态，即通过样品的净电流保持为0.目前常用的中和手段基本为使用低间隔的低能电子脉冲照射样品，从而使样品在测量过程中产生的电位在可忽略的范围内，并在脉冲间隙，使用低能电子枪或紫外光源对样品进行中和。Willis和Skinner使用持续时间为lls的脉冲，束流大小为1nA，束斑直径为5mm2，测量绝缘体材料的二次电子发射系数来避免充电效应。对待测样品进行加热也可避免材料的充电效应，但对于一些较为复杂的聚合物材料这个方法不适用。对于绝缘体样品而言，二次电子发射系数测量方法都应该根据具体待测材料的性质进行修正而不是一成不变的。因此，在实际工作中，不同研究机构的研究人员提出了不同的方法。电子科技大学使用三枪法对绝缘材料进行中和[20]，如图7所示，使用两把电子枪作为中和枪，通过控制两把中和电子枪的能量，对材料表面的电荷进行中和。当材料表面积累正电荷时，使用中和枪2使材料表面产生正电荷;当材料表面积累正电荷时，使用中和枪1照射样品使之产生负电荷，从而达到中和的目的。但需要对中和枪的发射电流、偏置电压和偏置时间进行精确控制，但又由于不同材料的物理性质，因此需要根据实际情况来设定脉冲参数。西安交通大学曹猛等人通过多次实验验证，发现当测量绝缘材料的二次电子发射系数时，对样品施加-20V的偏压时，可以很好地中和样品表面积累的电荷，同时在测量过程中更换入射点的位置同样可以避免材料表面产生较为严重的充电现象[21]。在测量过程中使用开尔文探针来测量材料表面的电位以保证中和效果。测量装置如图8所示。法国宇航材料研究局使用了最新的开尔文探针法来测量绝缘材料的二次电子发射系数[22-23]，提供了一些常见的金属和绝缘材料（KaptonTM、Teflon、CMX玻璃等）的二次電子发射系数测量结果，测量设备及系统如图9、图10所示。为了使在测量过程中不受到地磁场的干扰，严格控制了电子枪的作用距离。针对测量过程中绝缘材料表面电荷的中和问题，该测量系统使用了KP法，该方法具体操作如下：①使用开尔文探针测量表面电位，接着将待测材料的表面电位调整至一个负电位Vsi;②移除开尔文探针，使用已知电荷量Qi的单脉冲照射样品;③再次使用开尔文探针测量此时材料的表面电位VSf，可计算得到材料表面电位的变化△s，即△Vs=VSf-Vsi.通过实验手段可以测量得到材料的电容，随后总二次电子发射系数可由如下公式计算得到：4结束语本文基于二次电子发射理论研究、二次电子测量方法及测量装置研究进行了综述，简要介绍了二次电子发射现象与航天器表面充电之间的联系。事实表明，二次电子发射系数的精确测量对评估航天器表面电位具有重要意义，希望后续研究在以下方面能有所提高：①形成完善的二次电子发射系数测量实验机制，掌握二次电子测量手段，并改进二次电子测量装置，能够高效精确地测量不同材料尤其是绝缘材料的二次电子发射系数;②掌握绝缘材料二次电子发射系数精确测量方法，能够解决绝缘材料在测量过程中出现的表面充电问题;③绝缘材料的二次电子测量多数方法只能用于测量总二次电子发射系数而无法区分真二次电子和背散射电子，因此需要在以后的测量中对这两类电子加以区分。Reference：[1]ThomsonCD.Measurementsofthesecondaryelectronemissionpropertiesofinsulators[J].Physics，2013（2）[2]張健.二次电子发射与航天器表面充电的研究[D].南京：南京信息工程大学，2012.[3]张恒.二次电子发射能谱及其对微放电阈值的影响研究[D].西安：中国航天科技集团公司第五研究院西安分院.2017.[4]苗光辉，崔万照，杨晶，等.二次电子发射特性测量装置的研究与进展[J].空间电子技术，2018（1）.[5]杨晶，崔万照，胡天存，等.纯银材料的二次电子发射能谱研究[J].太赫兹科学与电子信息学报，2014，12（1）：141-144.[6]AustinL，StarkeH.UeberdieReflexionderKathodenstrahlenundeinedamitverbundeneneueErscheinungsecundarerEmission[J].AnnalenDerPhysik，2010，314（10）：271-292.[7]Dr.H.BRUINING，M.B.E.PhysicsandApplicationsofSecondaryElectronemission[M].Qxford：PergamonPressLTD。1954.[8]BaroodyEM.Atheoryofsecondaryelectronemissionfrommetals[J].PhysicalReview，1950，78（6）：780-787.[9]KollathR.ANewMethodfortheMeasurementoftheEnergyDistributionofSecondaryElectrons[J].Z.techn.Phys，1940（21）：328.[10]Lye，R.B，A.J.Dekker.TheoryofSecondaryEmission[J].JournalofAppliedPhysics，1957，107（44）：977-981.[11]ChungMS，EverhartTE.SimpleCalculationofEnergyDistributionofLow-energySecondaryElectronsEmittedfromMetalsunderElectronBombardment[J].JoumalofAppliedPhysics，1974，45（2）：707-709.[12]FurmanMA，PiviMTF.ProbabilisticModelfortheSimulationofSecondaryElectronEmission[J].PhysicalReviewSpecialTopics-AcceleratorsandBeams，2002，5[13]SeviourR.TheRoleofElasticandInelasticElectronReflectioninMultipactorDischarges[J].IEEETransactionsonElectronDevices，2005，52（8）：1927-1930.[14]Meyza，G.T，I.L.Krainsky，etal.Secondaryelectrondependentchargingphenomenaininsulatorsunderelectronbeamirradiation[J].JournalofAppliedPhysics，1995，78（10）：6224-6232.[15]Dionne，A.J.OriginofSecondaryElectronYieldCurveParameters[J].JournalofAppliedPhysics，1975，46（8）：3347-3351.[16]Seiler，H.SecondaryEmissioninTheScanningElectronMicroscope[J].JournalofAppliedPhysics，1983，54（11）：Rl-R18.[17]Reimer，L.ScanningElectronMicroscopy.PhysicsofImageFormationandMicroanalysis[M].NewYork：Springer-Verlag，1985.[8]苗光辉，崔万照，杨晶，等二次电子发射特性测量装置的研究与进展[J].间电子技术，2018，15（1）：25-32.[19]HoffmannRC.Electron-inducedelectronyieldsofunchargedinsulatingmaterials[J