Аномальная эмиссия электронов при мягком рентгеновском облучении поверхности электретов
Исследование эффекта эмиссии электронов при рентгеновском облучении с энергией кванта порядка 3 keV поверхности электретов. Определение характера корреляции между энергией и плотностью потока эмиссионных электронов из сегнетоэлектрической керамики.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 30.05.2017 |
| Размер файла | 115,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Аномальная эмиссия электронов при мягком рентгеновском облучении поверхности электретов
А.Н. Павлов, А.Т. Козаков, В.П. Сахненко, Е.М. Панченко
г. Ростов-на-Дону
При рентгеновском облучении с энергией кванта порядка 3 keV поверхности электретов был обнаружен эффект эмиссии электронов, на несколько порядков большей по сравнению с нейтральными объектами. Оказалось, что характер корреляции между энергией и плотностью потока эмиссионных электронов из сегнетоэлектрической керамики ПКР-70 [1] на основе твердого раствора 0,8PbTiО3 0,2СаTiО3 и из несегнетоэлектрической керамики СаTiО3 разный (рис.1).
Рис.1. Экспериментальные временные зависимости энергии эмиссионных электронов (1) и плотности тока эмиссии j (2) для несегнетоэлектрической керамики СаTiО3 (а) и для сегнетоэлектрической керамики на основе твердого раствора 0,8PbTiО3 0,2СаTiО3 (б).
электрон рентгеновский квант электрет
Размещено на http://www.allbest.ru
Рис.2. Расчетные временные зависимости энергии эмиссионных электронов (1) и плотности тока эмиссии j (2) для несегнетоэлектрической керамики СаTiО3 (а) и для сегнетоэлектрической керамики на основе твердого раствора 0,8PbTiО3 0,2СаTiО3 (б).
Рассмотрим модель [2], в которой повышенная эмиссия связывается с наличием электретного заряда, нарушающего мезоскопическую электронейтральность вблизи поверхности. При этом различия в аномальной эмиссии между сегнетоэлектрической керамикой на основе твердого раствора PbTiО3 СаTiО3 (СКТСК) и несегнетоэлектрической керамикой СаTiО3 (НКТК) и обусловлены разной величиной подвижности электронов в этих материалах.
Образование электрета путем инжекции извне электронов на поверхность образца приводит к нарушению электронейтральности объекта исследования и появлению макроскопического поля с напряженностью Eel. Пусть электретный заряд обусловлен отрицательным зарядом на глубоких локализованных поверхностных состояниях акцепторного типа (рис.3а, где EF - уровень электрохимического потенциала, Еs - энергия акцепторного состояния, Еcon - энергия дна зоны проводимости, Еval - энергия потолка валентной зоны, Ф=Е0-ЕF - работа выхода электрона, Е0 - энергия свободного электрона в вакууме. ). Свободные электроны из зоны проводимости испаряются и под действием поля электрета уносятся от объекта (эмиттера), что фиксируется в виде эмиссии электронов. При этом возникает обедненная электронами область Шоттки с объемным положительным зарядом, обусловленным дырками в валентной зоне (рис.3б, где L - линейные размеры зазора между эмиттером и коллектором, d - линейные размеры объекта, ls - толщина слоя объемного заряда). Точка xd находится на электроде, ограничивающем объект, являющийся эмиттером. Точка xL находится на электроде - коллекторе. Точки xd эмиттера и xL коллектора имеют один и тот же потенциал.
Рис.3. Схема распределения энергетических уровней в объекте (а). Схема эксперимента (б).
Рис.4. Схема распределения энергетических уровней в объекте при рентгеновском облучении с учетом электретного заряда: в процессе формирования неравновесной области Шоттки (а), после формирования неравновесной области Шоттки (б).
elkL - потенциал, равный разности потенциалов между поверхностью объекта, на которой находится электретный заряд, и коллектором. Электроны, пройдя от объекта к коллектору, получают в поле электретного заряда энергию W, описываемую выражениями (1), (2), где q - величина элементарного электрического заряда, 0 - электрическая постоянная.
(1)
(2)
Здесь el - плотность отрицательного электретного заряда; kL - плотность положительного заряда коллектора; ed - плотность положительного заряда на электроде объекта, являющегося эмиттером; h - плотность объемного положительного заряда области Шоттки, приведенная к поверхности с использованием выражения (3), в котором p - плотность дырок в валентной зоне.
(3)
По условию электронейтральности всей системы выполняется соотношение (4).
(4)
Учет соотношения (4), а также условия ls<<d<<L обеспечивает выполнение равенства (5), где - диэлектрическая проницаемость объекта.
(5)
При воздействии рентгеновского излучения создаются неравновесные электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне объекта. Плотность электронов и дырок области Шоттки в отсутствие вырождения описывается соотношениями (6)-(9), где EFn, EFp - квазиуровни Ферми [3] для электронов и дырок (рис.4), - потенциал, Nс, Nv - плотности состояний соответственно в зоне проводимости и валентной зоне.
(6)
(7)
Рассмотрим эмиссию, когда движение электронов из объема к поверхности можно описать в диффузионно-дрейфовом приближении [3]. При наличии отрицательного поверхностного заряда и полностью экранирующего его объемного положительного заряда плотности тока j1 и j2 по разные стороны границы раздела объект-вакуум одинаковы. Суммарная плотность тока j через границу раздела при этом равна нулю, что описывается выражениями (8), (9).
(8)
(9)
- напряженность электрического поля на границе вещества и вакуума.
nv - плотность электронов, способных преодолеть потенциальный барьер для выхода из вещества в вакуум, - подвижность электронов.
При h < el между образцом и коллектором возникнет разность потенциалов elkL, равенство токов нарушится, появится дополнительный ток, который идентифицируется в виде тока эмиссии. Плотность тока эмиссии jelkL описывается выражениями (10), (11).
(10)
(11)
Здесь kL - дрейфовая скорость электронов в области коллектора, m - масса электрона.
Отрицательный поверхностный заряд и экранирующий его объемный положительный заряд создают потенциальный барьер для выхода электронов из объема вещества. Поскольку вблизи поверхности взаимное расположение Е0 и Есon не изменится по отношению к объему образца, работа выхода из объема увеличится на величину , что определит выражения (12), (13) для nv .
(12)
(13)
Эмиссия электронов из вещества и тем самым разрастание области Шоттки продолжается до полной компенсации электретного заряда объемным зарядом области Шоттки. Увеличение области Шоттки осуществляется за счет примыкающей к ней области инжекции заряда, которой является слой вещества толщиной порядка длины свободного пробега ln . Потенциальный барьер (14) формируется как областью Шоттки, так и областью инжекции.
(14)
Здесь - вклад области Шоттки, - вклад области инжекции, определяемый однородным полем некомпенсированного электретного заряда.
В ходе эмиссии величина h стремится к величине el, поэтому поток и энергия эмиссионных электронов уменьшаются, что приводит к исчезновению эмиссии при и . Однако способность объекта к эмиссии восстанавливается при прекращении облучения, когда в отсутствие неравновесного заряда экранирующая электретный заряд область Шоттки уменьшается.
На рис. 2 отражены результаты модельных расчетов зависимости плотности тока эмиссии j и энергии эмиссионных электронов W от времени t, полученные с использованием формул (5) и (10).
Численное моделирование процесса эмиссии произведено при . В этом случае , когда предельная толщина области Шоттки . В предположении зонного характера переноса неравновесных электронов в НКТК оценку величины ln получим, используя соотношение [3], где µ измеряется в cm2/(V·s), а ln - в cm. При [4] для НКТК получаем . Поскольку для СКТСК с температурой Кюри Тс =597 K величина [5], оценка величины ln показывает, что в СКТСК перенос подвижных носителей заряда имеет прыжковый, поляронный характер с , где a - постоянная решетки ().
Характер зависимости потенциалов s и i от h различен , что и обуславливает для НКТК при выполнении соотношения немонотонную зависимость высоты барьера и величины j от времени эмиссии (рис. 2а). Однако энергия электронов эмиссии со временем монотонно уменьшается (рис. 3а), таким образом рассчитанные теоретически временные зависимости плотности тока эмиссии и энергии эмиссии для НКТК согласуются с экспериментом (рис. 1а).
Для СКТСК вследствие малости в отличие от НКТК длины свободного пробега, роль области инжекции в формировании барьерного потенциала незначительна, поэтому рассчитанные величины j и W в полном согласии с экспериментом монотонно убывают со временем (рис. 2б).
Таким образом, основным результатом рентгеновского облучения электретов является восстановление мезоскопической электронейтральности за счет создания области Шоттки, что сопровождается эмиссией неравновесного заряда, возникшего при облучении. Энергия эмиссионных электронов определяется только величиной полного заряда, равного сумме электретного заряда и заряда области Шоттки, Однако на интенсивности эмиссии сказываются как величина полного заряда, так и величина потенциального барьера. Поэтому характер корреляции между энергией и плотностью тока эмиссии для сегнетоэлектрической керамики ПКР-70 на основе твердого раствора 0,8PbTiО3 0,2СаTiО3 и несегнетоэлектрической керамики СаTiО3 оказывается разным, поскольку в сегнетоэлектрике существенная для формирования потенциального барьера подвижность неравновесных электронов меньше по сравнению с несегнетоэлектриком. Рост области Шоттки приводит к уменьшению эмиссии, поскольку уменьшается величина полного заряда. Образовавшаяся при эмиссии область Шоттки является неравновесной и исчезает при прекращении облучения, при этом способность электрета к эмиссии восстанавливается.
Литература
[1] Н.Л. Данцигер, О.Н. Разумовская, Л.А. Резниченко и др. Высокоэффективные керамические материалы. (Справочник). АО “Книга”, Ростов-на-Дону (1994). 32 с.
[2] А.Н. Павлов, А.Т. Козаков, А.В. Никольский. Влияние поляризованности на интенсивность аномальной электронной эмиссии в системе(1-х)PbMg 1/3Nb2/3O3+хPbTiO3. ФТТ 51, 7, 1310-1314 (2009).
[3] В.Л. Бонч-Бруевич, С. Г. Калашников. Физика полупроводников. Наука, М. (1977). 672 с.
[4] В. М. Гуревич. Электропроводность сегнетоэлектриков. Изд. Комитета Стандартов, М. (1969). 384 с.
[5] Э.В. Бурсиан, Я.Г. Гиршберг. Когерентные эффекты в сегнетоэлектриках. МГПИ, Москва (1989). 197 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Классификация и типы эмиссии электронов из проводников: термоэлектронная, холодная и взрывная, фотоэлектронная. Контактные явления на границе раздела двух проводников, их характеристика и физическое обоснование, главные влияющие факторы и значение.
презентация [1,7 M], добавлен 13.02.2016Исследование кристаллической структуры поверхности с помощью рентгеновских и электронных пучков. Дифракция электронов низких и медленных энергий (ДЭНЭ, ДМЭ), параметры. Тепловые колебания решетки, фактор Дебая-Валлера. Реализация ДЭНЭ, применение метода.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 08.06.2012Особенности газовой среды. Средняя длина свободного пробега частиц в газе. Энергия электронов в кристалле. Электрические свойства кристаллов. Движение электронов в вакууме в электрическом и магнитных полях. Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия.
курсовая работа [343,0 K], добавлен 08.12.2010Прямоугольный потенциальный барьер. Туннельный эффект как квантовый переход системы через область движения, запрещённую классической механикой. Кажущаяся парадоксальность данного эффекта. Вырывание электронов из металла. Контактная разность потенциалов.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 26.02.2010Дифракция быстрых электронов на отражение как метод анализа структуры поверхности пленок в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии. Анализ температурной зависимости толщины пленки кремния и германия на слабо разориентированой поверхности кремния.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 07.06.2011Движение электронов в вакууме в электрическом и магнитном полях, между плоскопараллельными электродами в однородном электрическом поле. Особенности движения в ускоряющем, тормозящем полях. Применение метода тормозящего поля для анализа энергии электронов.
курсовая работа [922,1 K], добавлен 28.12.2014Рассмотрение процесса взаимодействия ионов с твёрдыми телами. Изучение характеристик электронной эмиссии, а также ионной бомбардировки. Зависимость выхода электронов из твёрдого тела от кинетической и потенциальной энергии бомбардирующих частиц.
реферат [1,7 M], добавлен 09.11.2014Биографии Г. Герца и Д. Франка. Их совместная работа: исследование взаимодействия электронов с атомами благородных газов низкой плотности. Анализ энергий электронов, претерпевших столкновения с атомами. Характеристика вакуумной и газонаполненной лампы.
реферат [1,1 M], добавлен 27.12.2008Ge/Si гетероструктуры с квантовыми точками, рост и особенности упорядочения и эффекты самоорганизации. Влияние температуры роста и качества поверхности на формирование квантовых наногетероструктур Ge/Si. Методика и значение дифракции быстрых электронов.
курсовая работа [993,4 K], добавлен 28.08.2015Роль эффекта "накопления" в непрозрачном твердом теле под действием излучения лазера, с помощью регистрации ионизационного состава плазмы, эмитированных с поверхности твердых тел при многократном облучении. Использование метода масс-спектрометрии.
статья [13,3 K], добавлен 22.06.2015Объединение изолированных атомов в кристалл. Схема локальных энергетических уровней электронов. Основные элементы зонной теории. Особенность состояний электронов в кристаллах. Уменьшение сопротивления металлов. Физические основы квантовой электроники.
контрольная работа [1,9 M], добавлен 09.01.2012Вакуум - состояние газа при давлении меньше атмосферного. Поток электронов в вакууме как разновидность электрического тока. Явление термоэлектронной эмиссии, его применение. Вакуумный диод (двухэлектродная лампа). Вольтамперная характеристика диода.
реферат [187,2 K], добавлен 24.10.2008Роль затравочных электронов лавины. Набор энергии электроном в осциллирующем поле. Пороги пробоя и зависимость от давления. Физические представления об оптическом пробое идеальных диэлектриков. Его тепловой механизм. Влияние первичных электронов.
реферат [547,2 K], добавлен 26.08.2015Порядок и основные этапы взаимодействия электронов с веществом. Процесс рассеяния электронов, отличительные признаки упругих и неупругих столкновений. Метод Монте-Карло в задачах переноса частиц в веществе. Этапы алгоритма решения поставленной задачи.
реферат [84,4 K], добавлен 23.12.2010Изучение понятия и свойств полупроводников. Квантовый размерный эффект электронов и дырок. Классификация многократно повторяющихся квантовых ям и сверхрешеток. Электрический транспорт: резонансное туннелирование через квантовую яму с двойным барьером.
реферат [602,0 K], добавлен 06.06.2012Ознакомление с основами движения электрона в однородном электрическом поле, ускоряющем, тормозящем, однородном поперечном, а также в магнитном поле. Анализ энергии электронов методом тормозящего поля. Рассмотрение основных опытов Дж. Франка и Г. Герца.
лекция [894,8 K], добавлен 19.10.2014Понятие электронной микроскопии как совокупности методов исследования с помощью электронных микроскопов микроструктур тел, их локального состава. Содержание телевизионного принципа развертки тонкого пучка электронов или ионов по поверхности образца.
презентация [3,1 M], добавлен 22.08.2015Определение длины проволоки для намотки резистора. Концентрация электронов и дырок в собственном и примесном полупроводнике. Диффузионная длина движения неравновесных носителей заряда в полупроводниковом материале. Проводимость конденсаторной керамики.
контрольная работа [89,8 K], добавлен 12.11.2013Исследование особенностей электрического нагрева, печей с теплогенерацией в газообразном рабочем теле при приложении к нему разности потенциалов. Описания печей с теплогенерацией при ударе ускоренного потока электронов о поверхность нагреваемого тела.
реферат [18,8 K], добавлен 17.10.2011Физические процессы, лежащие в основе электронной оже-спектроскопии (ЭОС). Механизмы ЭОС, область ее применения. Относительная вероятность проявления оже-эффекта. Глубина выхода оже-электронов. Анализ тонких пленок, преимущества ионного распыления.
реферат [755,3 K], добавлен 17.12.2013
