Введение к работе
Актуальность исследования. Для исследования твердых тел существует множество различных методов, позволяющих получать полную информацию об образце: о химическом составе, кристаллической структуре, о наличии различных примесей и многих других свойствах, представляющих как чисто научный, так и практический интерес. Наиболее важными и перспективными среди прочих являются методы электронной эмиссии, основанные как на использовании электронов в качестве зондирующего возбуждения, так и на регистрации электронов в качестве основного сигнала. Наиболее известными из них являются рентгеноспектральный анализ (ЕРМА), Оже-спектро-скопия (AES), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS), спектрометрия электронной эмиссии, возбуждаемой рентгеновским излучением (XIEES). Несмотря на широкое практическое использование таких методов диагностики, они во многом являются эмпирическими. Попытки аналитического решения подобного рода задач неоднократно предпринимались, начиная с ранних работ Г. Бете, и по настоящее время, однако до сих пор не привели к успеху. Для аналитического описания основных эффектов, требуется адекватное физическое моделирование переноса электронов дифференциальными уравнениями с соответствующими задаче начальными и граничными условиями. В связи с этим важным становится вопрос об аналитическом подходе к теории переноса электронов, т. к. только аналитическое описание процесса выявляет его физический смысл в математической форме.
Целью исследований является разработка на основе первых принципов аналитического подхода к вычислению электронно-эмиссионных характеристик однородных и многослойных структур со сверхмалыми размерами активных областей при бомбардировке поверхности электронным пучком и при рентгеновской фотоэмиссии.
При реализации поставленной цели решены следующие задачи:
на основе диффузионного приближения аналитически решена задача о рентгеноэлектроннои эмиссии в однородном полубесконечном образце;
решена задача о влиянии квантовомеханического коэффициента надба-рьерного отражения на выходные характеристики рентгеноэлектроннои эмиссии;
на основе приближения "прямо вперед и диффузия" решена задача об обратном рассеянии из толстых однородных мишеней;
на основе кинетического уравнения в транспортно-малоугловом приближении решена задача об обратном рассеянии из многослойных структур;
проведена оценка эффекта близости при инжектировании заряда в тонкие диэлектрические пленки, находящие на проводящих подложках.
Объекты исследования работы:
- кинетическое уравнение Больцмана для электронов;
- основные приближения кинетического уравнения: уравнение Бете,
уравнение Льюиса-Спенсера и приближение непрерывного замедления.
транспортные модели переноса заряженных частиц в веществе: диффузионная модель, приближение "прямо вперед и диффузия" и транспортно-ма-лоугловое приближение.
перенос электронов в мишени (энергетическое распределение обратно-рассеяных электронов, пространственные распределения плотности электронов, выделенной энергии и инжектированного заряда).
интегральные (например, интегральные функции выхода) и дифференциальные (энергетические спектры) выходные характеристики при рентгеноэлектроннои эмиссии и эмиссии обратнорассеянных электронов с поверхности однородных и неоднородных (слоистых) структур.
Основные положения, выносимые на защиту:
Рассчитанные из первых принципов без подгоночных параметров дифференциальные и интегральные параметры рентгеноэлектроннои эмиссии из однородного образца (энергетические спектры и интегральные функции выхода).
Аналитическое решение задачи о влиянии квантовомеханического над-барьерного отражения выходящих из образца электронов при рентгеноэлектроннои эмиссии.
Рассчитанные из первых принципов без подгоночных параметров энергетические спектры обратнорассеянных электронов из однородных и неоднородных (многослойных) мишеней.
Оценка эффекта близости при инжектировании заряда в тонкие диэлектрические пленки, находящиеся на проводящей подложке.
Научная новизна результатов исследования.
В аналитическом виде получено решение задачи о рентгеноэлектроннои эмиссии из однородного образца. Получены функции выхода и энергетические спектры в широком диапазоне энергий.
Проведен учет квантовомеханического надбарьерного коэффициента прохождения на границе "вещество-вакуум" и показано, что на пик медленных электронов при рентгеноэлектроннои эмиссии существенное влияние оказывает высота потенциального барьера.
В аналитическом виде получено решение задачи об обратном рассеянии из однородных и неоднородных (многослойных) мишеней.
Проведена оценка эффекта близости при инжектировании заряда в тонкие диэлектические пленки, находящиеся на проводящих подложках.
Практическая значимость работы заключается в том, что теоретически исследованные в работе процессы позволяют глубже понять сущность соответствующих физических явлений, а также разработать методику аналитического расчета основных параметров электронной эмиссии (функции выхода и энергетического спектра вышедших электронов), имеющих важное практическое значение как при исследовании электронной структуры твердых тел, так и в приложениях, например, при проектировании электронных микроскопов, при использовании Оже-эмиссии для измерения толщины аморфного слоя полупроводника на монокристаллической подложке того же
полупроводника, для получения нужной топологии заряженных областей в диэлектрике на положке из проводника, а также при использовании электронов для микротомографии пространственных структур.
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Работа проводилась в рамках специальности 01.04.04 "Физическая электроника". Областью исследования является эмиссионная электроника, включая процессы на поверхности, определяющие явления электронной эмиссии и эмиссионную спектроскопию. Работа относится к отрасли физико-математических наук, так как полученные результаты носят общефизический характер.
Достоверность результатов исследования обусловлена строгим аналитическим обоснованием полученных теоретических положений и обеспечивается сравнением с опубликованными в литературе экспериментальными данными и данными численных экспериментов.
Реализация результатов исследования. Работа велась в рамках НИР «Исследование взаимодействия электромагнитных волн и электронных потоков со средами и изучение характеристик мишеней» (тема №29.230), выполняемая на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета в рамках плана перспективных и фундаментальных работ. Материалы диссертации включены в курс лекций "Транспортные модели в теории переноса быстрых заряженных частиц" и "Основы моделирования сложных систем", читаемых на 5 курсе для студентов физического факультета.
Апробация результатов исследования. Результаты исследований опубликованы в периодической научной печати (журналы "Биомедицинские технологии и радиоэлектроника", "Известия ВолгГТУ" ) и докладывались на XIII региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2008 г.); Международной конференции Крымико 2009 (Севастополь, 2009 г); Всероссийской конференции ВНКСФ-16 (Волгоград, 2010 г.); Международной конференции Крымико 2010 (Севастополь, 2010 г.); VII Международном семинаре "Физико-математическое моделирование систем" (Воронеж, 2010 г.); ежегодных внутривузовских научных конференциях (Волгоград, 2008 - 2010 гг..).
Публикации. По результатам данной работы имеется восемь публикаций (три из списка ВАК), список которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. Диссертант выполнил полное аналитическое и численное исследование в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем: использовал различные транспортные модели для аналитического решения из первых принципов поставленных физических задач о рент-геноэлектронной эмиссии и об обратном рассеянии электронов от различных мишеней (в том числе и многослойных); принимал непосредственное участие в обсуждении результатов работы и оценке их точности. Основные научные результаты, содержащие в диссертации, опубликованы в соавторстве с научным руководителем В.А. Смоляром.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 78 наименований. Общий объем диссертации составляет 101 страница.
