Secondary-electron emission from solids : coincidence experiments and dielectric formalism

Abstract

Das doppeltdifferentielle Spektrum korrelierter Elektronenpaare, die von Festkörpern unter Elektronenbeschuss emittiert werden, wurde mit einer Flugzeitkoinzidenz-Technik gemessen als Funktion vom Energieverlust des rückgestreuten Primärelektrons und als Funktion der Energie vom emittierten Sekundärelektron. Die gewonnenen Daten ermöglichen einen detaillierten Einblick in die Mechanismen, die für die Entstehung von Sekundärelektronen verantwortlich sind: sie erlauben es, direkt zu beobachten, wie die vom Primärelektron im Festkörper deponierte Energie unter Sekundärelektronen verschiedener Energie verteilt wird. Die experimentellen Daten, untermauert von detaillierten Monte Carlo Simulationen, haben gezeigt, dass Oberflächenanregungen eine wichtige Rolle bei der Emission von Sekundärelektronen spielen: Sekundärelektronen müssen die Trennfläche zwischen Festkörper und Vakuum überqueren und, aufgrund ihrer verhältnismäßig kleinen Energie (< 50 eV), ist es doch sehr wahrscheinlich, dass sie beim Überqueren der Oberfläche eine Oberflächenanregung erleiden. Ein Modell für die inelastische Wechselwirkung geladener Teilchen in der Nähe von planaren Oberflächen wurde hochdetailliert im Rahmen des semiklassischen dielektrischen Formalismus entwickelt, ausgehend von den Maxwellgleichungen. Das Modell ist in der Lage, experimentelle Elektronenrückstreuspektren zu reproduzieren bei sehr guter Übereinstimmung in absoluten Einheiten (innerhalb von ~5%).<br />Darüber hinaus wurde das Modell erfolgreich dazu verwendet, um die Interpretation der obengenannten Koinzidenzmessungen zu unterstützen.<br />Das Modell hat auch die Winkelverteilung der mittleren Anzahl von Oberflächenanregungen in Rückstreuexperimenten korrekt reproduziert, sowie die Größe und das Vorzeichen von Änderungen in Oberflächenanregungpeaks in experimentellen Rückstreuspektren, die aufgrund von Unterschiede in den Energieverlustscharakteristika beim Eintreten bzw. beim Austreten von der Oberfläche entstehen.<br />Eine detaillierte Zusammenfassung des partial intensity analysis (PIA) Formalismus für Elektronenspektroskopie wurde vorgestellt auf der Basis einer linearisierten Boltzmann-Transportgleichung. Das Oswald-Kasper-Gaukler-Modell für elastische Rückstreuung wurde im Rahmen des PIA-Formalismus erweitert und ein geschlossener Ausdruck für Elektronenrückstreuspektren wurde hergeleitet, sowie ein geschlosser Ausdruck für die Pfadlängenverteilung und die partiellen Intensitäten in Rückstreuexperimenten.<br />

The double-differential spectrum of correlated electron pairs emitted from different solids under electron bombardment has been acquired as a function of the energy loss of the backscattered primary electron and of the energy (or time of flight) of the ejected secondary electron (SE) using a time-of-flight coincidence technique. The acquired data are unique in that they allow to directly investigate how different amounts of energy deposited in the solid by the primary electron are distributed among SE of different energies. The experimental data, supported by detailed Monte Carlo simulations, have revealed that surface excitations play a dominant role in the SE-emission process, regardless of the energy of the incoming electrons: SE emitted from the solid must cross the solid-vacuum interface and, owing to their low energy, they are likely to undergo a surface excitation.<br />A state-of-the-art model for the inelastic interaction of charged projectiles in the vicinity of a planar interface has been derived in great detail within the semiclassical dielectric formalism. The model is able to reproduce experimental reflection electron energy loss spectra (REELS) within ~5% uncertainty in absolute units. The model has been successfully employed to support the interpretation of the aforementioned coincidence spectra. Furthermore, it has successfully reproduced the angular distribution of the average number of surface excitations at the vacuum side of the interface in REELS experiments.<br />Moreover, it has correctly predicted the magnitude and sign of the changes observed in the intensity of surface-excitation peaks in complementary REELS spectra (with the angular position of the source and the detector exchanged) as a result of the asymmetry in the surface excitation characteristics between incoming and outgoing trajectories.<br />Finally, the partial intensity analysis (PIA) plural-scattering framework for electron spectroscopy has been briefly reviewed on the basis of a linearized Boltzmann transport equation. The Oswald-Kasper-Gaukler (OKG) model for elastic electron backscattering has been extended within the PIA in order to derive a closed expression for REELS spectra, as well as for the path length distribution and for the partial intensities in REELS experiments.