Мишина_МДиА_МиНС_тест_&_текст_к_Л5. Лекция Принципы функционирования отдельных элементов шаг 1
 Скачать 32.88 Kb.
|
|
Лекция 5. Принципы функционирования отдельных элементов ШАГ 5.1 Источники электронов ТЕКСТ 5. 1 Источником электронов в электронном микроскопе является электронная пушка. Характеристики электронной пушки определяются катодом. Свойства катода определяются типом выхода электронов из материала катода: за счет термоэлектронной эмиссии, за счет туннелирования или за счет термоэлектронной эмиссии, «облегченной» путем снижения потенциального барьера электрическим полем (эффект Шотки). Плотность тока электрода с термоэлектронной эмиссией определяется законом Ричардсона-Дешмана  , где k = 1,38 · 10−23 Дж · K−1 - постоянная Больцмана, Tc- температура катода, A - постоянная, которая зависит от материала катода в А/см2.К2.Плотность тока автоэмиссионного катода, в котором происходит туннелирование электронов, определяется по формуле Фаулера – Нордхейма  ,  и  константы, слабо зависящие от материала катода, -напряженность электрического поля,  – работа выхода.Потенциальная энергия  электрона в случае катода с эмиссией Шотки равна работе выхода за вычетом складывается из электростатической энергии взаимодействия электрона с отраженным зарядом и его энергии в электрическом поле напряженности :  . В максимуме эффективная работа выхода понижается до значения  ТЕСТ5.1а Выбор одного ответа В катоде с полевой эмиссией выход электронов с катода обеспечивается *Туннелированием электронов через потенциальный барьер Превышением кинетической энергии электронов над работой выхода Превышением напряжения на катоде над ускоряющим напряжением колонны Превышением потенциальной энергии электрона над кинетической Превышением работы выхода над кинетической энергией электрона Выбор одного ответа В катоде с термоэлектронной эмиссией выход электронов с катода обеспечивается Туннелированием электронов через потенциальный барьер *Превышением кинетической энергии электронов над работой выхода Превышением напряжения на катоде над ускоряющим напряжением колонны Превышением потенциальной энергии электрона над кинетической Превышением работы выхода над кинетической энергией электрона Выбор нескольких ответов Для катода с термоэлектронной эмиссией используются следующие материалы: *Вольфрам Платина *Борид лантана Титанат стронция Нитрид бора Выбор нескольких ответов У автоэмиссионного (полевого) катода по сравнению с термоэмиссионным *Температура катода ниже *Плотность тока эмиссии выше *Яркость выше Вакуум ниже Разброс энергии выше ШАГ 5.1б ЗАДАЧИ 5.1б Численная задача. Определить константу  в выражении для коэффициента прохождения D электроном треугольного потенциального барьера, образованного электрическим полем напряженности в материале с работой выхода  : ,пользуясь выражением для коэффициента прохождения электроном с энергией Е произвольного потенциального барьера U(x):  . Ответ записать с точностью до трех значащих цифр, размерность  . Обратите внимание, что напряженность поля измеряется в Вольтах/Ангстрем (внесистемная единица, принятая в электронной оптике для того, чтобы в расчетах не возникали высокие степени).Ответ: 0, 683. Численная задача. Во сколько раз изменится плотности тока платинового электрода с термоэлектронной эмиссией, если его температуру уменьшить с 2200oC до 2000oC ? В колонне электронного микроскопа используется автоэмиссионный катод с напряженностью поля на его поверхности  . Работа выхода из катода равна 2.5эВ. Во сколько раз уменьшится плотность тока с катода, если напряженность поля у поверхности катода уменьшить в 1,5 раза? Коэффициент взять из предыдущей задачи. Ответ дать с точностью до одной значащей цифры. Ответ:  Численная задача. Во сколько раз уменьшится плотность тока платинового электрода с термоэлектронной эмиссией, если его температуру уменьшить с 2200oC до 2000oC ? . Работу выхода для платины найти в интернете. Ответ записать с точностью до одной значащей цифры.Ответ: в 50 раз. Численная задача. Рассчитать эффективную работу выхода из вольфрама в катоде Шоттки, если напряженность поля на его поверхности составляет 5 108 В/м. Работу выхода для вольфрама найти в интернете. Ответ записать в электронвольтах с точностью до трех значащих цифр. Ответ: 3.65 ШАГ 5.2 Детекторы ТЕКСТ 5. 1 Для детектирования электронов используются детекторы двух типов: сцинтилляционные и прямого дететрирования. Для детектирования вторичных электронов используется, как правило, детектор Эверхарта-Торнли. Работа этого детектора основана на эффекте сцинтилляции: люминесценции под воздействием ионизирующего излучения, в электронном микроскопе – электронов. Далее излучение люминесценции по световоду направляется в фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Каждой точке образца, в которую попал электронный луч, соответствует значение фототока, измеренного ФЭУ. Поскольку электронный луч сканируется по поверхности, то в результате строится картина фототока в зависимости от координаты. В свою очередь, величина фототока определяется контрастом. При прямом детектировании полупроводниковым детектором электронный пучок создает электронно-дырочные пары непосредственно в полупроводнике, которые затем детектируются и преобразуются в сигнал. Такой детектор может быть и точечным, и кольцевым. Для детектирования электронов, отраженных назад, используются оба типа детекторов. ШАГ 5.2а ТЕСТ3.2а Выбор нескольких ответов В детекторе Эверхарта-Торнли напряжение на сцинтилляторе служит для *увеличения кинетической энергии электронов для усиления их взаимодействия со сцинтиллятором *ускорения электронов для увеличения яркости изображения искривлению траекторий вторичных электронов увеличению кинетической энергии электронов для увеличения разрешающей способности Выбор нескольких ответов Недостатками сцинтилляционных детекторов являются *Образование пучка фотонов из одного электрона, что приводит к размытию изображения точки; *Темновой шум; *В сканирующих микроскопах необходимость сопряжения скоростей сканирования образца и ПЗС матрицы; Простота эксплуатации Компактность Выбор нескольких ответа Полупроводниковый детектор электронов *Состоит из двух полупроводников p- и n-типа, разделенных собственным полупроводником; *Обеспечивает генерацию электронно-дырочных пар при попадании в него электрона; *Не требует подачи напряжения Требует подачи напряжения Обеспечивает генерацию фотонов при попадании в него электрона ШАГ 5.3 Электронная оптика ТЕКСТ 5. 3 В электронном микроскопе электронный пучок управляется при помощи нескольких элементов электронной оптики: магнитных линз, дефлекторов, диафрагм. Магнитные линзы - объективная, промежуточные и проекционная - являются основными элементами управления. В электронном микроскопе используются линзы различных конфигураций, простейшей их которых является катушка с током и сердечником. Магнитное поле в такой линзе осе-симметрично, неоднородно (имеет продольную и радиальную составляющие, что и обеспечивает фокусировку параксиального пучка (распространяющегося вдоль оси с небольшой перпендикулярной составляющей скоростей). Простейшей моделью такой линзой является единичный виток с током. Оптическая сила магнитной линзы при фиксированных остальных параметрах пропорциональна квадрату силы тока, текущего через обмотку магнитной линзы. Для понимания принципа фокусировки в магнитном поле на качественном уровне полезно сначала описать движение электрона, влетевшего в однородное магнитное поле под углом к силовым линям. На этот электрон действует сила Лоренца, а его движение представляет собой спираль. Далее можно представить движение электронов в двух последовательно расположенных областях, индукция магнитного поля в которых различается: и шаг спирали, и ее радиус изменятся. Для точного описания траекторий электрона в магнитном поле (созданном, например, витком с током или катушкой) требуется воспользоваться уравнениями движения электрона в осе-симметричном поле. Магнитным линзам присущи аберрации: хроматическая и геометрическая и астигматизм. Первые два типа аберраций опять-таки легко представить, если, соответственно рассмотреть электроны, имеющие разброс кинетических энергий (это эквивалентно разбросу ускоряющего напряжения) и электроны, имеющие разброс по углу влета в магнитное поле. Астигматизм невозможно описать в рамках осе-симметричной задачи. Дефлектор обеспечивает сканирование электронного луча по образцу путем изменения наклона и смещения электронного пучка. Дефлектор представляет собой два каскада катушек, отклоняющих пучок в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Диафрагмы служат для ограничения расходимости электронного пучка. ШАГ 5.3а ТЕСТ5.3а Выбор одного ответа Астигматизм в электронном микроскопе приводит обусловлен нарушением осевой симметрии линзы и приводит к отличию фокусных расстояний для лучей, проходящих в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Вследствие этого без корректировки астигматизма на изображении в РЭМ топографические детали поверхности Размыты осе-симметрично *Вытянуты в одном из направлений Не размыты Увеличены Уменьшены Выбор нескольких ответов В стандартном современном растровом электронном микроскопе корректировка астигматизма и фокусировка производятся с использованием *Автоматически, при помощи программных пакетов, встроенных в микроскоп *Глаз исследователя Искусственного интеллекта Справочных таблиц Изменением напряжения на колонне микроскопа Выбор одного ответа Оптическая сила магнитной линзы электронного микроскопа НЕ зависит от Напряжения на колонне Магнитного поля на оси линзы Заряда электрона Массы электрона *Температуры катода Выбор нескольких ответов Диафрагмы используются для *ограничения расходимости электронного пучка *увеличению контраста изображения фокусировки электронного пучка увеличению яркости изображения ШАГ 5.3б ЗАДАЧИ 5.3б Численная задача. Электрон, ускоренный разностью потенциалов U=5 кВ, влетает в однородное магнитное поле с магнитной индукцией В=2Т перпендикулярно силовым линиям и перпендикулярно границе области с полем. Ширина этой области равна 5 см. Найти угол отклонения электрона от первоначального направления движения. Ответ дать в градусах с точностью до двух значащих цифр. Ответ: 25о Численная задача. Электрон с энергией 10 кэВ входит в неоднородное аксиально-симметричное магнитное поле (рис.18). Найти силу, действующую на электрон, если в некоторой точке А угол между скоростью электрона и осью системы равен 15°, а угол между вектором магнитной индукции и осью системы равен –15°. Индукция магнитного поля 1 Тл; vϕ = 0. Ответ записать с точностью до двух значащих цифр. Ответ: 4,7⋅10-12 Н Численная задача. Магнитная электронная линза образована витком диаметром d = 20 мм, по которому течёт ток I = 25 А. Энергия параксиальных электронов, входящих в такую линзу, равна W = 1,0 кэВ. Найти оптическую силу линзы в диоптриях с точностью до двух значащих цифр. 0,65 дптр ШАГ 5.4 Производители ЭМ. Типичные характеристики ЭМ ТЕКСТ 5. 4 Электронные микроскопы являются многофункциональными приборами, позволяющими на единой платформе использовать несколько методик. С одной стороны, производители могут поставить прибор, строго опираясь на заявку покупателя. С другой стороны, они производят целые линейки приборов, каждый из которых имеет специфическое научное или промышленное назначение. Соответственно, будут различаться и характеристики конкретных приборов. При выборе микроскопа для своих исследований следует руководствоваться, как его характеристиками и их соответствием поставленным задачам, так и ценой. Например, если стоит задача изучения топографии микросхемы (чипа) с топологическим размером 22нм, то достаточно использовать РЭМ, если же требуется изучение 3D топологии микросхем с многоуровневыми ячейками и металлизацией, то необходим ПЭМ с функцией ФИП для пробоподготовки. ШАГ 5.4а ТЕСТ5.4а Выбор одного ответа. Требуется исследовать реконструкцию поверхности кремния Si(111) 7x7. Вам потребуется: просвечивающий классический электронный микроскоп *просвечивающий сканирующий электронный микроскоп растровый электронный микроскоп Выбор одного ответа. Требуется исследовать реконструкцию поверхности кремния Si(111) 7x7. Вы выберете микроскоп, который обеспечит вам режим работы: Светлопольный (BF) Темнопольный (DF) Темнопольный высокого разрешения (HDF) Темнопольный круговой (ADF) *Темнопольный круговой высокого разрешения под большими углами (HAADF) Выбор нескольких ответов. Требуется исследовать реконструкцию поверхности кремния Si(111) 7x7. При выборе микроскопа вы будут руководствоваться *Пространственным разрешением Диаметр электронного луча *Типом катода *Током зонда Максимальным полем обзора Числом степеней свободы управления столиком *Максимальным ускоряющим напряжением Выбор одного ответа. Требуется исследовать топографию поверхности ПЗС-матрицы. Вам потребуется: просвечивающий классический электронный микроскоп просвечивающий сканирующий электронный микроскоп *растровый электронный микроскоп |