材料二次電子發(fā)射特性及測(cè)量方法研究

王思展

摘要：當(dāng)材料表面受到具有初始動(dòng)能的粒子撞擊時(shí)，會(huì)被激發(fā)出二次電子。二次電子發(fā)射特性廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，而在航天領(lǐng)域，二次電子發(fā)射系數(shù)與在地球同步軌道運(yùn)行的航天器表面帶電水平息息相關(guān)。為了更好地計(jì)算航天器表面帶電電位，需要準(zhǔn)確獲取航天器表面材料的二次電子發(fā)射特性，因而二次電子發(fā)射特性研究以及二次電子發(fā)射系數(shù)測(cè)量顯得尤為重要?；诙坞娮訌漠a(chǎn)生之時(shí)所經(jīng)歷的輸運(yùn)、逃逸等物理過(guò)程對(duì)二次電子發(fā)射理論進(jìn)行了整理，并對(duì)目前國(guó)內(nèi)外二次電子發(fā)射系數(shù)的測(cè)量方法及測(cè)量手段進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：二次電子發(fā)射特性;二次電子發(fā)射系數(shù);航天器表面帶電;二次電子產(chǎn)額

中圖分類號(hào)：0462.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.014

當(dāng)有初始能量的粒子（電子或離子等）撞擊到材料表面時(shí)，會(huì)從材料表面激發(fā)出電子，如果到達(dá)材料表面的電子所具有的能量足以克服材料表面的能量勢(shì)壘，便可從材料表面逃逸出來(lái)，即二次電子發(fā)射現(xiàn)象，逃逸出來(lái)的電子稱為二次電子，如圖1所示。在研究中約定，從材料表面逃逸出來(lái)的電子中，能量在50 eV以下的電子稱為（真）二次電子，能量在50 eV以上的電子稱為背散射電子。二次電子發(fā)射特性可由二次電子發(fā)射系數(shù)和二次電子能譜來(lái)表征。二次電子發(fā)射系數(shù)定義為從材料出射的電子數(shù)（流）與入射到材料表面的電子數(shù)（流）之間的比值。二次電子發(fā)射現(xiàn)象自19世紀(jì)末期由Campell發(fā)現(xiàn)的幾十年以來(lái)，在理論研究方面及實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面都有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，而二次電子發(fā)射現(xiàn)象在多個(gè)領(lǐng)域，包括掃描電子顯微鏡、俄歇能譜儀等都得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在航天領(lǐng)域，二次電子發(fā)射系數(shù)不僅與航天器表面充電電位大小密切相關(guān)，同時(shí)還與航天微波器件的微放電效應(yīng)有關(guān)[2-5]。因此，有關(guān)二次電子發(fā)射現(xiàn)象的理論研究和二次電子發(fā)射系數(shù)的測(cè)量手段顯得尤為重要。

1 二次電子發(fā)射現(xiàn)象理論研究

二次電子發(fā)射現(xiàn)象最初由Campell發(fā)現(xiàn)，后來(lái)由Austin和Strake進(jìn)行了較為深入的研究[6]，Bruining于1954年對(duì)當(dāng)時(shí)的二次電子理論研究成果以及相關(guān)的測(cè)量手段進(jìn)行了階段性的總結(jié)[7]。對(duì)于二次電子數(shù)值模型是基于大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果推導(dǎo)得出的，1950年Baroody提出了只考慮垂直入射條件下的二次電子發(fā)射系數(shù)數(shù)值模型[8]。1956年，Kollath對(duì)自己的二次電子發(fā)射系數(shù)模型進(jìn)行了詳細(xì)描述[9]。1957年，Ley和Dekker得到了修正模型，并對(duì)之前的二次電子數(shù)值模型進(jìn)行了分析比較[1O]。對(duì)于二次電子能譜模型，Chung和Everhart于1974年首次提出低能二次電子能譜模型[11]。2002年，F(xiàn)urman和Pivi首次將二次電子分為真二次電子、背散射電子（包括彈性散射和非彈性散射），并引入了概率模型，這個(gè)模型能夠應(yīng)用于二次電子能譜的擬合[12]。2005年，Rebecca Seviour對(duì)Furman模型進(jìn)行了修正，提出了較新的二次電子發(fā)射模型[13]。

目前對(duì)金屬材料二次電子發(fā)射現(xiàn)象的理論模型主要基于二次電子在材料內(nèi)部的產(chǎn)生、輸運(yùn)和逃逸這三個(gè)物理過(guò)程，且多數(shù)模型的推算均圍繞以下這個(gè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼归_(kāi)：

f（x） =Bexp（- X/λSE）.（1）

式（1）中：B為二次電子的轉(zhuǎn)移逸出系數(shù)，為僅與材料相關(guān)的常數(shù)，對(duì)于導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，B與材料的功函數(shù)有關(guān)，對(duì)于介質(zhì)材料，它與材料能帶隙以及電子親和力有關(guān);λSE為二次電子平均逃逸長(zhǎng)度。

當(dāng)材料內(nèi)部的二次電子被激發(fā)出來(lái)后，在材料內(nèi)部經(jīng)歷了如下三個(gè)物理過(guò)程。

二次電子的產(chǎn)生：當(dāng)具有一定的能量撞擊到材料表面時(shí)，在材料表面激發(fā)產(chǎn)生的電子數(shù)量和入射粒子的擊穿深度與入射粒子的能量有關(guān)。入射電子的擊穿深度還與其初始能量以及與材料的化學(xué)組成有關(guān)。另外，由入射粒子激發(fā)出來(lái)的高能電子會(huì)在材料內(nèi)部經(jīng)歷更多的彈性散射事件，從而會(huì)在材料內(nèi)部激發(fā)出更多的低能電子，而在實(shí)際研究中，認(rèn)定從材料表面出射的電子即為二次電子。對(duì)于絕緣體而言，激發(fā)出來(lái)的電子還需要克服材料表面的能帶隙能量[14]。

二次電子在材料內(nèi)部的輸運(yùn)：在材料表面被激發(fā)出來(lái)的電子在材料內(nèi)部會(huì)有一個(gè)輸運(yùn)的過(guò)程，在這一過(guò)程中電子會(huì)損失能量。多數(shù)電子在未到達(dá)材料表面時(shí)能量耗盡無(wú)法逃逸。二次電子輸運(yùn)過(guò)程可表述成擴(kuò)散過(guò)程模型，一個(gè)被激發(fā)出來(lái)的電子到達(dá)材料表面時(shí)的概率隨著二次電子產(chǎn)生深度呈指數(shù)衰減，并且隨著電子在材料中逃逸深度的變化而變化（電子在材料中的逃逸深度與材料特性有關(guān)）[15]。二次電子能否從材料表面逃逸，取決于材料自身的性質(zhì)，而這可用二次電子在材料中的逃逸深度來(lái)表征。絕緣體中電子的平均逃逸深度為1O - 50 mm，導(dǎo)體中電子的平均逃逸深度低于10 nm，由于電子在絕緣體中的逃逸深度大于導(dǎo)體，因此更多的電子可以從絕緣體表面逃逸，所以在入射電子能量相同的情況下，絕緣體的二次電子發(fā)射系數(shù)遠(yuǎn)高于導(dǎo)體[16]。

二次電子的逃逸：二次電子若要從材料表面逃逸，需要克服材料表面的能量勢(shì)壘，對(duì)于接地的導(dǎo)體而言，該能量勢(shì)壘為材料的逸出功，而對(duì)于絕緣體和半導(dǎo)體而言為電子親和性，且當(dāng)絕緣體（半導(dǎo)體）表面帶電時(shí)，還需克服材料表面的電位[17]。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，從材料表面逃逸出來(lái)的二次電子能量一般在幾電子伏特，而產(chǎn)生位置在幾納米的位置，因此材料表面的性質(zhì)對(duì)二次電子發(fā)射現(xiàn)象影響很重要。

2 二次電子發(fā)射與航天器表面充電之間的關(guān)系

運(yùn)行在地球同步軌道的航天器在等離子體環(huán)境作用下發(fā)生表面充電，當(dāng)電位達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，航天器表面電位由入射電流（電子和離子）、二次電子電流、背散射電子電流和光電子電流決定;當(dāng)航天器在陰影區(qū)運(yùn)行時(shí)，此時(shí)不出現(xiàn)光電效應(yīng)，航天器表面電位只與入射電流和二次電子電流有關(guān)。航天器表面電位的平衡方程為：

當(dāng)航天器表面的電位足夠高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致靜電放電效應(yīng)（ ESD），導(dǎo)致航天材料失效，對(duì)航天任務(wù)的執(zhí)行造成威脅。太陽(yáng)電池板占據(jù)了航天器大部分面積，Kapton是航天器表面的熱防護(hù)層，而Teflon是航天器光纜的表面材料，因此需要準(zhǔn)確測(cè)量這些航天材料的二次電子發(fā)射系數(shù)，將測(cè)量結(jié)果用于航天器表面充電電位的估算，以便準(zhǔn)確評(píng)估航天器在軌運(yùn)行時(shí)的充電情況，控制航天器在GEO軌道的充電電位。

3 二次電子發(fā)射系數(shù)測(cè)量方法研究

由于材料自身的性質(zhì)各不相同，針對(duì)不同的材料二次電子發(fā)射系數(shù)測(cè)量方法也應(yīng)有所區(qū)分。對(duì)于金屬材料，二次電子電流較易測(cè)試，可直接通過(guò)電流法測(cè)得;而對(duì)于絕緣體和半導(dǎo)體，測(cè)量過(guò)程中易產(chǎn)生表面充電效應(yīng)且不易中和，需要使用更為復(fù)雜的測(cè)量手段。

3.1 二次電子測(cè)量方法概述

結(jié)合目前的二次電子發(fā)射系數(shù)測(cè)量現(xiàn)狀，測(cè)量材料二次電子發(fā)射系數(shù)的主流方法的目的都是實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電子電流、（真）二次電子電流及背散射電子電流的區(qū)分及收集，并使用不同的中和方法保證介質(zhì)材料在測(cè)量過(guò)程中不至于充到較高電位，減少其對(duì)入射電子能量的影響，提高測(cè)量精度。

3.2 三極管法、四極管法

三極管法與四極管法皆為使用電子束管測(cè)量二次電子發(fā)射系數(shù)，對(duì)陰極進(jìn)行加熱，通過(guò)控制被測(cè)材料與陰極材料之間的電勢(shì)差來(lái)控制二次電子的發(fā)射并收集，如圖3、圖4[18-19]所示。圖3為三極管法，電子從陰極C發(fā)出，陽(yáng)極為A，待測(cè)材料在陽(yáng)極表面。通過(guò)控制陽(yáng)極與陰極之間的電位差使電子進(jìn)入柵格G，從而計(jì)算二次電子電流。這兩種方法原理較為簡(jiǎn)單，但測(cè)量精度不高，只可作為現(xiàn)象研究，不可用于材料二次電子發(fā)射系數(shù)的精確測(cè)量。

3.3 偏壓電流法和收集法

隨著理論研究與測(cè)量手段更為深入，使用電子槍對(duì)材料的二次電子發(fā)射系數(shù)進(jìn)行測(cè)量成為了目前主流的測(cè)量手段。對(duì)于金屬材料而言，二次電子發(fā)射系數(shù)測(cè)量方法主要包括偏壓電流法和收集法兩種，如圖5、圖6所示。

偏壓電流法是指通過(guò)對(duì)樣品施加不同大小和方向的偏壓，獲得入射電流、二次電子電流和樣品電流，從而計(jì)算出二次電子發(fā)射系數(shù);收集法是使用柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置，通過(guò)對(duì)各層?xùn)啪W(wǎng)時(shí)施加不同的偏壓，收集二次電子（背散射電子）并測(cè)得相應(yīng)的二次電子（背散射）電子電流，從而計(jì)算出二次電子發(fā)射系數(shù)。這兩種方法均可用于金屬材料二次電子發(fā)射系數(shù)的測(cè)量。

3.4 絕緣材料測(cè)量方法

同金屬材料相比，絕緣材料的二次電子發(fā)射系數(shù)測(cè)量較為復(fù)雜，在測(cè)量過(guò)程中，如果采用持續(xù)的電子束流照射樣品，會(huì)使得絕緣材料表面積累電荷，不僅會(huì)使得材料表面的性質(zhì)發(fā)生改變，同時(shí)還會(huì)使得材料表面產(chǎn)生電場(chǎng)，短時(shí)間的照射即可讓材料表面的電勢(shì)達(dá)到I-IOV，這將會(huì)影響隨后電子的入射能量，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不精確。為了解決這一問(wèn)題，需要在已有金屬材料測(cè)量方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在絕緣材料二次電子發(fā)射系數(shù)的測(cè)量過(guò)程中對(duì)材料表面所積累的電荷進(jìn)行中和，保證絕緣材料在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中電位保持穩(wěn)定狀態(tài)，即通過(guò)樣品的凈電流保持為0.

目前常用的中和手段基本為使用低間隔的低能電子脈沖照射樣品，從而使樣品在測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的電位在可忽略的范圍內(nèi)，并在脈沖間隙，使用低能電子槍或紫外光源對(duì)樣品進(jìn)行中和。Willis和Skinner使用持續(xù)時(shí)間為ll s的脈沖，束流大小為1 nA，束斑直徑為5 mm2，測(cè)量絕緣體材料的二次電子發(fā)射系數(shù)來(lái)避免充電效應(yīng)。對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行加熱也可避免材料的充電效應(yīng)，但對(duì)于一些較為復(fù)雜的聚合物材料這個(gè)方法不適用。對(duì)于絕緣體樣品而言，二次電子發(fā)射系數(shù)測(cè)量方法都應(yīng)該根據(jù)具體待測(cè)材料的性質(zhì)進(jìn)行修正而不是一成不變的。因此，在實(shí)際工作中，不同研究機(jī)構(gòu)的研究人員提出了不同的方法。

電子科技大學(xué)使用三槍法對(duì)絕緣材料進(jìn)行中和[20]，如圖7所示，使用兩把電子槍作為中和槍，通過(guò)控制兩把中和電子槍的能量，對(duì)材料表面的電荷進(jìn)行中和。當(dāng)材料表面積累正電荷時(shí)，使用中和槍2使材料表面產(chǎn)生正電荷;當(dāng)材料表面積累正電荷時(shí)，使用中和槍1照射樣品使之產(chǎn)生負(fù)電荷，從而達(dá)到中和的目的。但需要對(duì)中和槍的發(fā)射電流、偏置電壓和偏置時(shí)間進(jìn)行精確控制，但又由于不同材料的物理性質(zhì)，因此需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)設(shè)定脈沖參數(shù)。

西安交通大學(xué)曹猛等人通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)測(cè)量絕緣材料的二次電子發(fā)射系數(shù)時(shí)，對(duì)樣品施加- 20V的偏壓時(shí)，可以很好地中和樣品表面積累的電荷，同時(shí)在測(cè)量過(guò)程中更換入射點(diǎn)的位置同樣可以避免材料表面產(chǎn)生較為嚴(yán)重的充電現(xiàn)象[21]。在測(cè)量過(guò)程中使用開(kāi)爾文探針來(lái)測(cè)量材料表面的電位以保證中和效果。測(cè)量裝置如圖8所示。

法國(guó)宇航材料研究局使用了最新的開(kāi)爾文探針?lè)▉?lái)測(cè)量絕緣材料的二次電子發(fā)射系數(shù)[22-23]，提供了一些常見(jiàn)的金屬和絕緣材料（Kapton^TM、Teflon、CMX玻璃等）的二次電子發(fā)射系數(shù)測(cè)量結(jié)果，測(cè)量設(shè)備及系統(tǒng)如圖9、圖10所示。為了使在測(cè)量過(guò)程中不受到地磁場(chǎng)的干擾，嚴(yán)格控制了電子槍的作用距離。

針對(duì)測(cè)量過(guò)程中絕緣材料表面電荷的中和問(wèn)題，該測(cè)量系統(tǒng)使用了KP法，該方法具體操作如下：①使用開(kāi)爾文探針測(cè)量表面電位，接著將待測(cè)材料的表面電位調(diào)整至一個(gè)負(fù)電位Vsi;②移除開(kāi)爾文探針，使用已知電荷量Qi的單脈沖照射樣品;③再次使用開(kāi)爾文探針測(cè)量此時(shí)材料的表面電位VSf，可計(jì)算得到材料表面電位的變化△s，即△Vs=VSf- Vsi.通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段可以測(cè)量得到材料的電容，隨后總二次電子發(fā)射系數(shù)可由如下公式計(jì)算得到：

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于二次電子發(fā)射理論研究、二次電子測(cè)量方法及測(cè)量裝置研究進(jìn)行了綜述，簡(jiǎn)要介紹了二次電子發(fā)射現(xiàn)象與航天器表面充電之間的聯(lián)系。事實(shí)表明，二次電子發(fā)射系數(shù)的精確測(cè)量對(duì)評(píng)估航天器表面電位具有重要意義，希望后續(xù)研究在以下方面能有所提高：①形成完善的二次電子發(fā)射系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)機(jī)制，掌握二次電子測(cè)量手段，并改進(jìn)二次電子測(cè)量裝置，能夠高效精確地測(cè)量不同材料尤其是絕緣材料的二次電子發(fā)射系數(shù);②掌握絕緣材料二次電子發(fā)射系數(shù)精確測(cè)量方法，能夠解決絕緣材料在測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的表面充電問(wèn)題;③絕緣材料的二次電子測(cè)量多數(shù)方法只能用于測(cè)量總二次電子發(fā)射系數(shù)而無(wú)法區(qū)分真二次電子和背散射電子，因此需要在以后的測(cè)量中對(duì)這兩類電子加以區(qū)分。

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