Монохроматизация и энергоанализ потоков заряженных частиц в электростатических конических потенциалах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Габдуллин, Павел Гарифович

• Габдуллин, Павел Гарифович
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Габдуллин, Павел Гарифович

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ

1.1. Обзор литературы. Постановка задач

1.2. Используемая система единиц. 15 ГЛАВА 2. КОНИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ

2.1. Иерархия полевых структур на основе

представления Донкина

2.2. Задача Коши для симметричных конических полей

2.3. Выводы. 40 ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ДВИЖЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

В КОНИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛАХ:: :;44

3.1. Расчетные характеристики конического потенциала параболического сечения

3.1.1. Точечный источник

3.1.2. Источник конечных размеров

3.1.3. О технологии создания электродной конфигурации

3.2. Движение частиц в поле двугранного угла

3.3. Движение частиц в поле кругового конуса

3.4. Заключение. 67 ГЛАВА 4. ВЫБОР ПОЛЕВОЙ СТРУКТУРЫ, СОЗДАНИЕ

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОНОХРОМАТОРА ЛЕНТОЧНЫХ ПОТОКОВ

ЭЛЕКТРОНОВ НА ЕЕ ОСНОВЕ

4.1. Выбор полевой структуры

4.2. Многокаскадные системы

4.3. Выбор электронно-оптической схемы монохроматора

и его расчетные характеристики

4.4. Особенности конструкции монохроматора

4.5. Описание экспериментальной установки

4.6. Характеристики двухкаскадного монохроматора

и электронного спектрометра на его основе

4.7. Выводы. 94 ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 95 ЛИТЕРАТУРА. 98 ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Монохроматизация и энергоанализ потоков заряженных частиц в электростатических конических потенциалах»

Введение.

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 разрешения -СПЭЭВР); 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/г; у/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.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Габдуллин, Павел Гарифович

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 электронов; спектроскопия спин поляризованных электронов; спектроскопия 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 работе; научному консультанту и "вдохновителю" идей Голикову Юрию Константиновичу - за помощь в теоретических изысканиях и осмыслении получаемых результатов; научному консультанту Давыдову Сергею Николаевичу - за содействие в проведении экспериментов и обработке данных; Красновой Надежде Константиновне - за помощь в составлении компьютерных программ; а 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Габдуллин, Павел Гарифович, 1999 год

-98-Литература.

1. И. Г. Козлов. Современные проблемы электронной спектроскопии. М.: Атомиздат. 1978, - 248 с.

2. В. П. Афанасьев, С. Я. Явор. Электростатические энергоанализаторы для пучков заряженных частиц. М.: Наука. 1978, - 224 с.

3. С. А. Фридрихов. Энергоанализаторы и монохроматоры для электронной спектроскопии. Л.: Изд. ЛГУ. 1978, - 158 с.

4. Л. А. Баранова, С. Я. Явор. Электронные спектрометры для энергетического и углового анализа заряженных частиц. // ЖТФ. 1988, Т. 58, №2,-с. 217 -232.

5. Н. Ibach, D. L. Mills. Electron energy loss spectroscopy and survace vibration. N. Y.: Academic Press. 1982, - 336 p.

6. Дж. К. Ривьер. Оборудование. В кн. Применение электронной спектроскопии для анализа поверхности. Под ред. X. Ибаха. Рига: Знание. 1980, - с. 31 -80.

7. М. V. Kurepa. High resolution electron spectroscopy - resent new achievments. // Vacuum. 1987, V. 37, № 8, - p. 3 - 20.

8. П. Хокс, Э. Каспер. Основы электронной оптики. Т. 1. Основы геометрической оптики. М.: Мир. 1993, - 552 с.

9. П. Хокс, Э. Каспер. Основы электронной оптики. Т. 2. Прикладная геометрическая оптика. М.: Мир. 1993, - 478 с.

10. П. И. Лукирский. О фотоэффекте. Л.-М.: Гостехиздат. 1933, - 94 с.

11. N. R. Avery. Instrumental effects in the electron loss spectra from surface due to the use of LEED optics. // J. Phys. E. 1976, V. 9, № 8, - p. 676 -679.

12. E. M. Purcell. The focusing of charged particles by spherical condenser. // Phys. Rev. 1938, V. 54, № 5, - p. 818 -826.

-9913. G. A. Harro wer. Measurements of electron energies by deflection in an uniform electric field. // Rev. Sei. Instrum. 1955, V. 26, № 7, - p. 850 -854.

14. Т. С. Грин, Г. А. Прока. Электростатический спектрограф с плоскопараллельными пластинами. // Приборы для научн. исслед. 1970, № 10,-с. 20 -23.

15. Г. А. Прока, Т. С. Грин. Линейный размер изображения в электростатическом спектрографе с плоским полем. // Приборы для научн. исслед. 1970, № 12, - с. 82 - 87.

16. В. В. Зашквара, М. И. Корсунский, О. С. Космачев. Фокусирующие свойства электростатического зеркала с цилиндрическим полем. // ЖТФ. 1966, Т. 36, № 1, - с. 132 -136.

17. Cap-Эль. Характеристики цилиндрического конденсатора как анализатора нерелятивистских заряженных частиц. // Приборы для научн. исслед. 1967, № 9, - с. 10 -16.

18. К. А. Меньшиков. Электростатический анализатор заряженных частиц с тремя коаксиальными цилиндрическими электродами. I Конструкция с тремя каскадами. Случай тонкого среднего электрода и фокусировкой типа ось - ось. // ЖТФ. 1981, Т. 51, № 1, - с. 17-21.

19. К. А. Меньшиков. Электростатический анализатор заряженных частиц с тремя коаксиальными цилиндрическими электродами. III Конструкция с тремя каскадами и фокусировкой общего вида кольцо - кольцо. //ЖТФ. 1982, Т. 52, № 11, - с. 2245 -2252.

20. В. А. Горелик, Ю. П. Машинский, О. Д. Протопопов. Двухступенчатый цилиндрический зеркальный энергоанализатор с регулируемым разрешением. // Электронная промышленность. 1984, вып. 2(130),-с. 91-93.

-10021. В. А. Горелик, Ю. П. Машинский, Т. М. Пиковская, О. Д. Протопопов. Трехкаскадный цилиндрический зеркальный энергоанализатор с фокусировкой четвертого порядка. // ЖТФ. 1985, Т. 55, №2,-с. 412-414.

22. Т. В. Крачино, В. Д. Белов. Энергоанализатор ожэ - электронов на основе цилиндрического зеркала с фокусировкой "кольцо - ось". // ЖТФ. 1983, Т. 53. № 10, - с. 2059 - 2070.

23. Т. В. Крачино, В. Д. Белов. Энергоанализ медленных вторичных электронов в цилиндрическом зеркале. // ЖТФ. 1983, Т. 53, № 10, - с. 2067 -2070.

24. Н. A. Van Hoof, М. Т. Van der Viel. Position-sensitive detector system for angle-resolved electron spectroscopy with a cylindrical mirror analyser. // J. Phys. E. Sci. Istrum. 1980, V. 13, № 4, - p. 404 - 414.

25. В. А. Горелик, О. Д. Протопопов, Г. М. Самсонова, 3. А. Шувалова, Г. Н. Якушев. Цилиндрический зеркальный анализатор с плавно изменяемым энергетическим разрешением. // ПТЭ. 1988, № 1, - с. 239 - 240.

26. Н. Ritchie, J. S. Checa, R. D. Birchoff. The spherical condenser as a high transmission particle spectrometer. I. Point source. // Nuclear Instr. & Meth. 1960, V. 6, № 2, - p. 157 - 163.

27. D. Birchoff, J. M. Kohn, H. Eldridge, R. H. Ritchie. The spherical condenser as a high transmission particle spectrometer. II. Disc source. // Nuclear Instr. & Meth. 1960, V. 8, № 3, - p. 313 - 319.

28. В. В. Зашквара, Б.У. Ашимбаева. Угловая дисперсия и времяпролетные характеристики системы электростатических зеркал сферического и цилиндрического типа. // ЖТФ. 1981, Т. 51, № 3, - с. 490 - 495.

29. В. В. Зашквара, Б.У. Ашимбаева. Электронно-оптическая система на основе электростатических зеркал цилиндрического и сферического типа. // ЖТФ. 1982, Т. 52, № 8, - с. 1633 - 1636.

30. В. В. Зашквара, JI. С. Юрчак, А. Ф. Былинкин. Электронно-оптические свойства электростатического сферического зеркала и систем на его основе. //ЖТФ. 1988, Т. 58. В. 10, - с. 2011 - 2020.

31. D. Roy, A. Delage, J. D. Carrete. Description and perfomance of a high resolution electron spectrometer. // J. Phys. E. 1975, V. 8, № 2, - p. 109 -114.

32. Brett, A. Sexton. High resolution electron energy loss spectrometer for vibrational surface studies. // Vac. Sci. & Technol. 1979, V. 16, № 4, - p. 1033 - 1036.

33. Симпсон. Спектрометр с высоким разрешением для электронов малых энергий. // Приборы для научн. исслед. 1964, № 12, - с. 63 -69.

34. Кате, Девис, Кроуэл, Солорджан. Высокостабильный малошумящий источник питания для использования с электронным спектрометром энергетических потерь высокого разрешения. // Приборы для научн. исслед. 1982, № 6, - с. 60 - 61.

35. Нисиджима, Месуда, Кобаяси, Ончи. Установка для исследования колебательных спектров поверхности твердых веществ методами спектроскопии потерь электронов при высоком разрешении. • // Приборы для научн. исслед. 1982, № 6, с. 66 -73.

36. Анвил, Стендел, Гарбот, Конрад, Хоффман. Простая высокоэффективная система для спектроскопии энергетических потерь электронов высокого разрешения. // Приборы для научн. исслед. 1984, № 11, - с. 80 -85.

37. В. М. Кельман, С. П. Карецкая, JI. Ф. Федулина, Е. М. Якушев. Электронно оптические элементы призменных спектрометров заряженных частиц. Алма-Ата: "Наука". 1979, - 232 с.

38. JI. А. Баранова, С. Я. Явор. Электростатические электронные линзы. М.: "Наука". 1986, - 192 с.

39. JI. А. Баранова, Г. Н. Дьякова, С. Я. Явор. Методы приближенного расчета электростатических конических систем. // ЖТФ. 1988, В. 58, № 1, - с. 207 -210.

40. А. А. Трубицин. Конические анализаторы с фокусировкой второго порядка. // ЖТФ. 1994, В. 64, № 2, - с. 159 - 164.

41. S. N. Davydov, S. N. Romanov, Yu. К. Golikov, V. V. Korablev. Electron-optical properties of two-dimentional compressing electrostatic potentional. // SPIE. 3345. (January 1998), - p. 136 - 138.

42. Ю. К. Голиков, К. Г. Уткин, Н. А. Холин, В. В. Чепарухин. Дисперсионные и фокусирующие свойства электростатических квазиконических полей. Л.: НТО АН СССР, 1987, - 29 с.

43. К. Siegbahn, N. Kholin, Yu. Golikov. A high resolution and large transmition electron spectrometer. UPTEC 96094, June 1996, - 17 p.

44. Г. Бейтмен. Математическая теория распространения электромагнитных волн. М.: Гос. изд. физ,- мат. лит. 1958, - 180 с.

45. Э. Т. Уиттекер, Дж. Н. Ватсон. Курс современного анализа. Часть вторая. Трансцендентные функции. М.: Гос. изд. физ-мат. литературы. 1963, - 516 с.

46. Ю. К. Голиков, К. Г. Уткин, В. В. Чепарухин. Расчет элементов электростатичиских электронно-оптических систем. Л.: Изд. ЛПИ. 1984,-78 с.

47. Л. Д. Ландау, Е. М. Лившиц. Механика. М.: "Наука". 1973, - 208 с.

48. N.K.Krasnova, S.N.Davydov, Yu.K.Golikov, V.V.Korablev, Yu.A.Kudinov. Cone electrostatic energy analyser, used for concurrent energy- and angle-resolved measurements. // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 1995, v.72, - p. 323 - 326.

49. S.N.Davydov, Yu.K.Golikov, S.N.Romanov, N.K.Krasnova. Cone electrostatic energy analyser of high luminosity. // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 1998, v. 97, - p. 209 -214.

50. P.G.Gabdullin, S.N.Davydov, Yu.K.Golikov. Dihedral-like electrostatic potential and analysing systems based on it: aberration coefficients and energy resolution. // Nucl. Instrum. Meth. Nim. A. 1999, v. 427 / 1-2, -p. 145 - 150.

51. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М.: "Наука". 1967, - 608 с.

52. Эрдман, Зипф. Низковольтная сильноточная электронная пушка. // Приборы для научн. исслед. 1982, Т. 53, № 2, - с. 100 - 103.

53. Б.В.Некрасов. Основы обшей химии. Т 2. М.: "Химия". 1969, - 400 с.

54. С.Н.Давыдов, В.Ю.Коломенков, В.А.Федотов. Изофокусирующая конусовидная система торможения, ускорения и транспортировки электронных пучков. Труды ЛПИ. 1989, № 489, - с. 73 - 75.

55. S.N.Davydov Yu.A.Kudinov, Yu.K.Golikov, V.V.Korablev. Highresolution electron energy analyser for angle-resolved spectroscopy. // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 1995, v.72, - p. 317-321.

Содержание работы раскрыто в следующих печатных работах,

опубликованных по теме диссертации:

1.П. Г. Габдуллин, С. Н. Давыдов, Ю. К. Голиков, В. В. Кораблев. Монохроматор и энергоанализатор слаборасходящихся ленточных потоков электронов. // Тезисы докладов. Российская научно-техническая конференция "Инновационные наукоемкие технологии для России". Ч. 9., СПб, 1996, с. 48.

2. П. Г. Габдуллин, С. Н. Давыдов, В. В. Кораблев, Ю. К. Голиков. Экспериментальное исследование электронно-оптических характеристик двухкаскадного энергоанализатора. // Тезисы докладов. Всероссийский симпозиум по эмиссионной электронике. Рязань, 1996, с. 84.

3. П. Г. Габдуллин, С. Н. Давыдов, В. В. Кораблев, Ю. К. Голиков. Исследование электронно-оптических характеристик спектрометра высокого разрешения. // Тезисы докладов. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция "Информатика и микроэлектроника - 98". Москва, 1998, с. 57.

4. P.G.Gabdullin, S.N.Davydov, Yu.K.Golikov. Dihedral-like electrostatic potential and analysing systems based on it: aberration coefficients and energy resolution. // Nucl. Instrum. Meth. Nim. A. 1999, v. 427/1-2, - p. 145- 150.