Монохроматизация и энергоанализ потоков заряженных частиц в электростатических конических потенциалах

Развитие современной физики поверхности и границ раздела предъявляет все более жесткие требования к методам и аппаратуре для исследования процессов, протекающих на поверхности и приповерхностных областях твердого тела. Знание этих процессов в значительной мере определяет развитие технологий микроэлектроники, получение принципиально новых структур с заданными параметрами, а также различных покрытий, определяющих эксплуатационные свойства поверхностей различных деталей и устройств.

Широко применяемыми для этих целей методами являются методы электронной спектроскопии. С их помощью можно получать разнообразнейшую информацию, например, об элементном составе поверхности и химическом состоянии атомов на ней (электронная оже спектроскопия — ЭОС) — об адсорбированных на поверхности атомах и молекулах: местах адсорбции, энергии и природе адсорбата (спектроскопия потерь энергии электронов высокого разрешенияСПЭЭВР) — о поверхностных электронных состояниях границы раздела «твердое тело — вакуум» (методы резонансного рассеяния электронов).

Все эти методы постоянно требуют усовершенствования главнейших составляющих электронных спектрометров монохроматоров и энергоанализаторов. Так, например, для исследования быстропротекающих процессов на поверхности твердого тела в случае адсорбции или десорбции примесей, помимо высокого энергетического разрешения (в единицы мэВ) требуется и высокая интенсивность зондирующего электронного пучка (для достижения необходимого временного разрешения). В традиционно используемых современных монохроматорах потоков заряженных частиц существует принципиальное ограничение максимально достижимого значения интенсивности зондирующего монохроматизированного потока при фиксированной абсолютной величине разрешения по энергии (в частности, из-за влияния на электронный поток сил расталкивания пространственного заряда в пучке). Получение необходимого разрешения по энергии АЕ требует уменьшения размеров диафрагм прибора и, соответственно, уменьшения пропускаемого тока. Так, при разрешении современных монохроматоров АЕ = 10 мэВ, значение максимальной интенсивности 1ш не превышает 10″ 9 А.

Решение этой проблемы возможно, например, если создать систему, которая бы наряду с разделением вводимого в нее потока заряженных частиц на монокинетичные составляющие, сжимала бы каждую составляющую по одному либо двум направлениям в плоскости сечения. Тем самым мы сможем вводить в систему сквозь широкую входную диафрагму заведомо более интенсивный поток, фокусируя на узкой выходной диафрагме монохроматизированный пучок с большей интенсивностью, по сравнению с системами традиционной геометрии.

Как оказалось, решение такой задачи возможно в «конических» полевых структурах, потенциал которых зависит от отношения координат (х/гу/г- .). Более того, весь класс подобных структур можно свести к простому аналитическому выражению, основанному на общем решении уравнения Лапласа — формуле Донкина — и получаемого на основе функций комплексного переменного.

Целью настоящей работы является выявление класса «конических» полевых структур, нахождение и создание на их основе новых систем монохроматизации и энергоанализа, обладающих рядом особенностей, привлекательных для практического применения, и экспериментальное подтверждение расчетных характеристик простейших приборов подобного типа.

Научная новизна и практическая ценность работы.

1. На основе комплексного представления Донкина положено начало систематическому исследованию класса «конических» полевых структур. Разработана методика синтеза такого рода полей исходя из простого аналитического описания, который сводится к аппарату функций комплексного переменного.

2. Решена задача Коши для потенциалов «конического» типа с плоскостью симметрии. Показана возможность синтеза «конусовидных» полей в аналитическом виде, основываясь на задаваемом априори поведении потенциала в плоскости симметрии, что может применяться при решении «обратных» задач электронной оптики.

3. На основе фокусирующих и дисперсионных свойств трехмерного конического электростатического поля с параболическим профилем сечения и плоскостью симметрии получены расчетные характеристики монохроматора и компрессора широких (в плоскости сечения) потоков заряженных частиц. В такого типа монохроматорах можно превысить предельное значение интенсивности выходного пучка при заданной степени монохроматичности по сравнению с существующими на сегодняшний день аналогами.

— 74. Впервые рассчитан, спроектирован и изготовлен двухкаскадный монохроматор потоков электронов, созданный на основе двумерного электростатического поля, образуемого в пространстве между плоскими полезадающими пластинами, смыкающимися на общей оси (поля «двугранного угла»).

5. Спроектирован и изготовлен макет электронного спектрометра, одним из основных элементов которого является двухкаскадный «двугранный» монохроматор потоков электронов.

6. Экспериментально проверены и подтверждены основные электронно-оптические характеристики двухкаскадного монохроматора. Получено разрешение по энергии не хуже 0.35%, при базовом размере прибора в 150 мм и ширине входной диафрагмы в 6.4 мм, что в несколько раз превосходит энергетическое разрешение систем традиционной геометрии при равных габаритах устройств, которое для последних не превысило бы 3%. Такого рода приборы могут найти применение, например, в спектроскопии характеристических потерь электронов, спектроскопии спин поляризованных электронов, спектроскопии упругого отражения электронов и других методах исследования поверхности твердого тела.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Введена новая иерархическая классификация «конусовидных» полевых структур на основе комплексного представления Донкина.

2. Для электростатических «конических» полей, имеющих плоскость симметрии, в общем виде аналитически решена задача Коши.

— 83. На основе конусоподобной полевой структуры параболического вида построена теория монохроматора широких потоков заряженных частиц.

4. Разработан двухкаскадный монохроматор ленточных потоков электронов на базе полевой структуры двугранного угла и экспериментально подтверждены его основные электронно-оптические характеристики.

4.7. Выводы.

В настоящей главе получены и описаны следующие результаты:

1. На основе поля двугранного угла впервые рассчитан, спроектирован и изготовлен двухкаскадный монохроматор ленточных потоков электронов.

2. Приведены основные расчетные характеристики исследуемого прибора.

3. Спроектирован и изготовлен макет электронного спектрометра с использованием рассчитанной системы монохроматизации для проверки которой в первую очередь он и предназначен.

4. Практически апробированы подтверждены и уточнены расчетные параметры двухкаскадного монохроматора. Показана перспективность дальнейших исследований данного направления, перспективность практического применения приборов создаваемых на базе описанных полевых структур.

Заключение

.

В работе положено начало систематическому исследованию «конусоподобных» электростатических полевых структур на основе комплексного представления Донкина, выражающего общее решение уравнения Лапласа для однородных потенциалов нулевой кратности. Разработана методика синтеза «конических» потенциалов на базе аппарата функции комплексного переменного, в которой конкретный вид получаемых полей определяется аналитической функцией воздействия на аргумент Донкина.

Показаны и проанализированы простейшие потенциалы получаемые из первой и второй, положительных и отрицательных аргумента Донкина, из логарифма и экспоненты от этого аргумента.

В общем виде аналитически решена задача Коши для восстановления потенциалов «конического» типа с плоскостью симметрии. При помощи этого решения можно синтезировать полевые структуры с заранее заданным поведением в их плоскости симметрии, что может с успехом быть применено в решении «обратных» задач электронной оптики.

Изучены фокусирующие и дисперсионные свойства трехмерного «конического» электростатического поля параболического вида. Предложен и рассчитан вариант монохроматора широких интенсивных потоков заряженных частиц на основе «параболического» поля, в котором возможно получение в несколько раз больших значений разрешения и интенсивности монохроматизированного потока по сравнению с существующими на данный момент аналогами при равных габаритах устройств. Предложен вариант компрессора слабых потоков заряженных частиц, который может быть использован, например, в исследованиях космических излучений.

Рассчитаны аберрационные характеристики и соответствующая им удельная дисперсия по энергии для полевой структуры образуемой в пространстве между плоскими полезадающими электродами, смыкающимися на общей оси (поле двугранного угла). Даны рекомендации к параметрам входных потоков заряженных частиц для систем, создаваемых на базе этого поля.

На основе поля двугранного угла рассчитан, спроектирован и изготовлен двухкаскадный монохроматор ленточных потоков электронов. Для проверки его характеристик спроектирован и изготовлен макет электронного спектрометра.

Экспериментально подтверждены расчетные данные основных электронно-оптических характеристик двухкаскадного двугранного монохроматора электронов. При базовом размере прибора (расстоянии между центрами входной и выходной диафрагм) в 150 мм и ширине входной диафрагмы в 6.4 мм получено разрешение по энергии не хуже 0.35%, тогда как для систем традиционной геометрии при тех же габаритах разрешение не превысило бы 5%. Сделан вывод о перспективности и преимуществах использования изучаемых систем энергоанализа и монохроматизации в таких методах исследования поверхности твердого тела как, например: спектроскопия характеристических потерь энергии электроновспектроскопия спин поляризованных электроновспектроскопия упругого отражения электронов.

В заключение хочу выразить благодарность и глубокое признание своему научному руководителю Кораблеву Вадиму Васильевичу за предоставленную тему, руководство, внимание и помощь в работенаучному консультанту и «вдохновителю» идей Голикову Юрию Константиновичу — за помощь в теоретических изысканиях и осмыслении получаемых результатовнаучному консультанту Давыдову Сергею Николаевичу — за содействие в проведении экспериментов и обработке данныхКрасновой Надежде Константиновне — за помощь в составлении компьютерных программа также всем сотрудникам сектора диагностики поверхности и моим товарищам в университете за дружескую поддержку и творческие обсуждения возникающих в ходе работы проблем и помощь в их решении.