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Die Sekundrelektronenemission von Metallmischungen.

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Die Sekundarelektronenemission von Metallmischungen
Von H.S a l o w
(Mit 5 Ahbildungen)
Inhaltsubersicht
Die aus 2 Komponenteii, Ag uiid Cu einerseits, und Mg, A], Be andererseits,
durch gleichzeitiges Verdarnpfen iin Hochvakuum hergestellten Metallmischuiigen
besitzen ahnliche Sekundaremissionseigeiischaften wie erschmolzeiie Legierungen
aus den eritsprechenderi Komponenteii. Nach eiiieiii FormieruiigsprozeB in Anwesenheit von geriiigeii Alengeii voii 0, ergebeii sich Seliuiidareinissionsfaktoren
in der Niihe voii 10 bei eirier Geschwiiidigkcit der Primarelektronen voii 500 Volt.
Die &letallmischungen, iiisbesoiidere Cu-Mg, lasseii sich leicht forniieren ; sie
sind elektrisch und thermisch stabil und gegen trockene, CO, freie Fremdgase unempfindlich. Als techiiische Sekundareinissioiiskathoden siiid solche Schichteri
gut geeignet. Fur die Bildung hocheniittiereiider Kat.hoden ist iiic,ht das Konzentrat,ioiis.i.erhaltnis der beideii Metallkompoiienten zueinaiider, soiiderii eiri iiicht
oxydiert'er Ariteil des Erdalkalirnetalles iniierhalb der oxydierten Grundschicht
von Bedeutung. Diese Tatsache und das Auftret.en eiiies iiegativeii Teiiiperatnrkoeffizient,eii der Sekuiidaremissionsfaktoreii lassen den halbleitcnclen Charakter
der formierteii Schichteii dcutlich erkeiiiien.
In der vorliegenden h b e i t merden die Sekuiit!arelektroiieiiei&sioiiseigenschafteii voii Metallniischungen nntersucht, die ini Vakuum aus zwei Komponeuten
gleichzeitig auf eine Untcrlage aufgeclampft sind. Diese Eigeiischafteii erscheiiien
deshalb iiiteressaiit, weil iii den letzteii Jahren iii eiiier Aiizahl von Arbeitenl) 2) 3, *)
recht hohe SE-Ausbeuteii (Sekuiidareinissioii iiii folgeiiden als SE abgekiirzt) an
Legierungen gefundeii wurden, die aus zwei verschiedeneii Metallen besteheii. Es
handelt sich dahei voriiehmlich urn Legierungeii, die a m einer ,,schweren" Metallkomponente, Tie Cu, Ag, Au uiid Ni und aus eiiier ,,leichten" Metallkomponeiite,
wie 8 1 , Mg uiid Be gebildet sind. Solche Legierungeii zeigeii nach cineni PormierungsprozeB bei hoheii Teiiiperaturen in Aiiweseriheit von geringeii Bleiigeii Sauerstoff
1) G. Gille, Sektmdaremission von Nickel-Berylliumlegiequngen,
Z. t e c h . Physik
22, 228 (1941).
2) R. Kolla t h , Neuere Untersuchungen iiber die Sekun~arelektroneneiiiissionvon
Legierungen, Fernsehen und Tonfilm 1941, 13.
3) J. Matthes, Untersuchungen uber die SekundLreinission ron vcrschiedenen Legierungen. Z. t e c h . Physik 81, 232 (1941).
4 ) V, I
(.Zworykin and J. A. Rajchnian, Proc. Inst. Radio Engix. N. Y. 27, 558
(1939).
28 B
Ann. Physik. 6 . Folge, Bd. 5
41 8
Annalen der Physik. 6. Folge. Band 5. 1950
eineii hohen SE-Faktor. Bedenkt man, daB die reinen Metalle, sowohl die schwere
wie die leichte Metallkomponente, jede fur sich einen sehr kleiiien Falrtor besitzen,
erstere einen Faktor etwas iiber Eins, letztere etwas unter Eins, so sind die erzielteii Faktoren (6 10) erstaunlich, und es liegt nahe, a n besondere Strukturverhaltnisse zu denkeii, die durch den ForniierungsprozeB entstehen und den hohen
SE-Faktor bedingen. Gill e l ) ninirnt deshalb an, daB insbesondere solche Legierungen, die bei hoheri Temperatureii eine Auskristallisatioii der leichten Komponente zeigen, zur Erzielung einer grol3en SE-Ausbeute geeiguet sind. I m folgenden wird gepruft, welclie SE-Faktoren sich init Metallmischungen, die eine
ahiiliche Zusaminensetzung wie die Legierungen besitzen, gewinnen lassen, welche
Konzentrations-, Temperatur- uiid Formierungseinflusse vorliegen, inwieweit die
Faktoren stahil und reproduzierbar sind, und schlieBlic11, welche Empfindlichkeit
sie gegen Fremdgase besitzen. Sollten bei cler Bildung der elnittierenden Schichten
Struktureinfliisse iin Spiele sein, so mufiten sich diese gegenuber den Legierungeii
in unterschiedlichen Sekundaremissionseigenschaften bemerkbar machen. Denn
bei den im Vakuum aufgedainpften mikrokristallinen Schichten sind weder Mischkristalle noch Auskristallisierung der leichten Komponerite zu erwarten.
-
Herstellungs- und MeBverfahron dcr untersuchton Schichten
Die Metallmischungeii werden nach folgeiidein Verfahren hergestellt. 111einem
evakuierbaren GlasgefaB befinden sieh zwei Wolframbander (vgl. Abb. l), von
deiien dns cine Band mit einern schweren Metall, z. B. Ag beschickt ist, wahrend
MeBstreifin
p/obeplattchen
Wolffambandmif
Verdano/unqJq&
\B/ande
Abb . 1. Schematischc Darstcllung des Vcr~~itmpfuiigsverfahrens
~ R nndere
S
Band ein leichtes Metall, z. B. A1 cnthalt. Die Wolfranibander werden
soweit, erhitzt, bis beide Metalle zu vcrdanipfen anfangen. Bei gutem Hochvakuum
10-5 inm Hg) durchdritigen sich die Strahlenkegel der Metalle unge(Gasdrnck
hindert uiid beidc Metalle schlagen sich als I\lisc,hung auf den uber den Wolframbandern angeordiieten Probeplattchen nieder, die aus vorher sorgfalt,ig entgasteri
CuNi- oder CrNi-Blechen bestehen. Zwischen den Wo-Iframbandern befindet sich
eine Blende. Diesc sorgt dafiir, daB nur o berhalb der Blencle eine Durchdringungszone der beiden Metalle auftrit,t, wahrend rechts und links von ihr HalbrHume entstehen, in deiien sich nur je eine I\letalll~omporienteaushreitet,. I n jeclem dieser
Halbrauine ist eiii Mefistreifen ails Glimnier angeordnet, der am Elide rnit Silber-
-
H . Salow: Die Sekundiirelektroneni8sion von Metallmischunqen
419
kontakteii versehen ist. Sobald eine hinreichende Menge des Metalls verdainpft
ist, bildet sich zwischen den Kont,akten eilies Streifens eine inetallische Briicke,
dereii Widerstaiid ein Ma13 der verdanipften Metallmenge darstellt. Durch eine
solche Widerstaiidsmessung 1aBt sich leicht die Verdampfungsgeschwindigkeit
der einzelnen Metallkompoiienten kontrollieren und jedes gewunschte Mischungsverhaltiiis der Metalle eiiistellen.
Nach dem Bedampfen werden die Probeplattchen in moglichst kurzer Zeit
in die MeBapparatur eingebaut. Die MeBanordnung (vgl. Abb. 2 ) enthalt ein
Elektroneiistrahlerzeugungssystem (Wolframkathode), mit der der Primarelektronenstrahl gewonneii wird, einen Auffangkafig fur die Sekundarelektronen, eine
SeiundaremissmsFfo6e.l
Abb. 2. Schuitt durch die MeBapparatur
Heizwendel, init der die Versuchsplattchen erhitzt werdcn konnen, sowie zwei
weitere Wolframspiralen, aus denen jeweils noeh die leichte oder schwere Metallkomponente nachgedampft werden kann. Der SE-Faktor wird aus den an den
Proben zu- uiid abfliegenden Stromen in bekannter Weise ermittelt. Die Metallplattchen sind in einer von aul3en mit Hilfe eines Megneten bewegten Bruckc
angeordnet. Es koiinen so in einern Arbeitsgang jeweils 5 Proben untersucht
merdcn, was sich fur die Auffindung des geeigneteii Formierungsprozesses und fur
die Beurteilung seiner Reproduzierbarkeit gunstig auswirkte. Neben den im
Vakuurn aufgedampften Mischrnetallen wurden auf die gleiche Art auch Proben
eiriiger emchniolzener Legierungen untersucht .
Vcrsuchsmethodik und Versuchscrgehnissc
Als schweres Grundinetdl wurde fur alle Mischungen Kupfer oder Silber gewahlt,. (Wenige Probeii wurdeii auc,h niit Nickel uiid Chroni hergestellt, wegen der
schwierigen Verdampfung voii Ni uiid Cr wurde diescr Weg wieder verlassen.)
Zu dieseln Grundmetall wurden verschiedene Gewichtsprozente Aluminium,
Beryllium und Magnesium in der beschriebenen Art dazugesctzt. Dabei wurde die
Scliichtdicke auf durchschriittlich 1500 BE eingqstellt. Diese Dicke ist gro5 genug,
uiii anch bei den hochsten hier verwendeten Spaiinungeii ( V , = 2500 Volt) eiiien
EinfluB des Uiiterlageiiiaterials vollkomineii auszuschalten. Ein solchcr konnte
auch an keiner Stelle nachgewieseri werdcn. \Venn die Proben in die MeWapparatur
eingebaut sind, werden sie zunachst mit deln Ofen einige Stunden auf 400' ausgeheizt,. Bei dieser Temperatur foriuiereii die Platten noch iiicht, der SE-Faktor
ist noch schr klein, er liegt bei fast allen Prober1 zwischcn 1 und 2 . Die Platt,cheii
~ ~ e r d enun
n einzeln dnrch ElektronenstoBheizuiig nuf Teniperaturcii zmischeii
420
Anmlen der Physik. 6.Folge. Bund5. 1950
550" urid 750" C gebracht. l m allgemeineii geniigt hierzu eine Zeit von 20 Minuteii
bis 1 Stunde. (Das ist erheblich weiiiger :%IsGillel) urid Mat'tJes3)fur die Foriiiieruiigszeiteii der Legieruiigeii nrigeben .) Bei jedem FormierungsprozeB ist die
Anweseiiheit von Sauerstoff notwendig. Der Sauerstoffdruck ist dabei iiicht
niin Hg. A ~ c h
kritisdi, im allgeineineii geiiiigt achoii eiii Druck von lo-* bis
Gliinmeiitladuiigeii sind gelegentlich wirlrvani zur Erreichung hoher Sekundaremissionsausbeut,en. Auf jeden Pall mu13 weiiigstciis eiiimal wiihreiid der Fornijeruiig ein endlicher, weim such nieilriger Sauerstoffdruck vorhanden seiii,
andernfalls bleiben die SE-Faktoreii kleiner als 3 oder 45)*). Uiit,er den richtigen
Bedingungeii steigt der SE-Faktor walirend des Heizens bei den MagnesiumIegiertiiigen schnell an, Be und Al-Metallniischuugen benotigcii etwas laiigere
Formierungszeiteii uiid hohere Temperatureii. Der Faktor behiilt einige Zeit
seiiieii Hochstwert und fallt daiin larigsani ab, wenn die Heiztempersttnr beibehalt,en wird. Dieser ,,iiberformierte" Zustaiid kann durch Nachdainpfeii der leichten Iioniponente und errieutes Formiereu wieder aufgehoben werden.
In Tabelle 1 sind die Ergebnisse von 88 Forinierungsprozessen an veischiedeiien
Metallniischuiigeii und ail einigen Legierungcii wiedergegeben. Die erste Spalte
Tabelle 1
-I I
cu
-___
1
Konzcn8-Wert
ForinierungsKonzen6-Wert
Formierungs- tration i n
bei
tration i n
bei
Gewichts-o/, 500Volt Temp. oC Dauer Gewichts-% 600 Volt Temp. O c Dauer
1
I
576 Mg
16'yo Mg
0,5 (6)
8,5 (4)
570-420
570-620
-40'
570
-30'
-30'
~
I
'
byo Mg
10% Mg
16% Mg
1
___
-70'
-50'
___
15%Al
576 A1
7,G(4)
9,G (4)
720
G50
-60'
-50'
2,316 Be
5,7 (4)
6,2 (4)
1
700-750
550-780
-35'
-30'
-30'
_________
_______
600-680
620-670
-
12,2(4) 550-620
570
9,4 (10)
9,l (4) 570-620
5% Be
I 20,: Be Leg. I
GOO
620
720-770
680-700
5,2 (10) 650-700
-40'
-30'
-60'
-40'
~40'
1 I
30'
-~
-
90'
Die Tabelle eiithllIt in der ersten Spalte die jeweils zu Ag oder Cu hinzugefiigte Menge
Erdalkalinietall i n Gewichtsprozenten; in der zweiten Spalte den Mitt elwcrt der SEFaktoren bei V D= 500 Volt aus einer Anzahl von Forniierungsprozessen, cLic in Kliinniern
dahintergesetzt ist; in den letzten Spalten die ungeftihre ~ o r m i e r u n g s ~ , n i p e rin
i t ~"C
und Forrnierungsdauer i n ilfinuten.
5 , Dies geringe Aiiwachscn der Faktoren zeigt, wie spiiter begrundet wird, daW schon
bei eiiiem Druek von 1P6rnm Hg cine Gasaufnahme der Schichten eintritt. Insbesondero
besitzen i?jlg-Schieliten eino bedeutende Getterwirkung, wie ihre Verfarbung im besten
Hochvakuum beirn .t'ormieren susweist.
*) Anmcrkung bci der Korrektur : H. A. 9 t a h 1 weis t in seiner Arbeit ,.The structure of extremely thin l a p r s evaporated in kinetik vakuum systemb", J . appl. I'hys.
20, 1 (194'9, bei im Hochvakuuin sufgedanipftem und thermisch bchandclteni Mg uncl
Be rontgenographiscli die Sauerstofflinien nach.
H. Salow: Die Selcundare~ektronenemission von Metallmischungen
421
der Tabelle gibt jeweils fur die Grundmetalle Silber und Kupfer der Mischung
den Prozeiitsatz des zugesetzten Leichtmetalles in Gewichtsprozenten. Die zmeite
Spake enthalt deii inaxirnalen SE-Faktor 6, der wahrend des ~ormierungsprozesses
bei eincr Eriergie der Primarelekt,roiien von V, = 500 Volt aufgetreten ist. Dieser
SE-Wert deckt sich iiicht imnier mit dem des Maximums der SE-Kurve. Letzterer
liegt nianchrnal, besouders bei stark formiert'eii Schichten, bis zu 10% hoher.
Die angegebeiien 8-Werte stellen Mittelwerte verschiedeiier Proben dar, deren
Aiizahl in Klammerii hinter jedem SE-Wert verinerkt ist. Die folgende Spalte
gibt die inittlere Temperatur an, die sich bei der Foriiiieruiig als giinstig herausgeQtellt hat, die letzte Spalte enthalt schlieialich die ungefiihre Fonnierungszeit,
die bis zur Bildung der angegebeneii SE-Faktoren gebrauc,ht wurde.
Die Versuche zeigcn, daW Magnesium in Verbindung riiit Cu und Ag die besteii
Resultate liefert. (Auch hiiisichtlich Reproduzicrbarkeit uiid Stabilitat ubertrefferi die aufgedainpften Mg-Schichten alle andcren.) Aluiniiiiurn ergibt in Verbinduiig init, Kupfer rioch gute Faktoren. Merkwiirdigcrweise liefert die Kombiiiatioii A1-Ag keiiie hohen SE-Werte. Vielleicht ist hier bei den Probeii der Aluniiniunigehalt zu gering gewesen. Auch bei den mit l3eryllium gcmachteii Versuchen liegen die erzielt,en Faktoren iiur zwischen 4,9 uiid 7,s. Ca uiid Ba crweiseii
sich als Bestandteil der Metallmischung als uiigeeignet. Vermutlich oxydierten
die Schichten schon wahrend des kurzeii Einbauprozesses so stark, daB sich ein
richtiger FormierungsprozeD nicht inehr durchfuhreii lick
Zum Vergleich mit den aufgedainpften Mischungeii wurde cine kompakte
Silber-Magnesium-Legierung uiid Kupfer-Berylliurnbroiize herangezogen. Sic
ergaberi prakt,isch die gleicheii Resultate wie die entsprecheiiden Aufdanipfschichteii. Es muia allerdiiigs betont werden, daW die Legierungsschicht,eii schwieriger zu formiereii sind und iiicht so glcichmal3ige Resultate Iiefern. So streuen
z. B. die d-Werte der Mg-Ag-Legierung zwischen 4 uiid 14, wahrend die Aufdampfschichten aus Cu und 10% Mg sich gut uiii den Mittel\?rert gruppieren, die
hochsten Abweichungeii liegeri bei 6 = 7,5 uiid S = 12. Die 17011 M a t t h e s 3 )
angegebeiien hoheii SE-Werte fur die Kupfer-Beryllium-Legierung koiinten a n
deii hier verweiideteii Proben iiicht erzielt werdeii. Ein hiiireicheiider Grund lie13
sich dafiir iiicht finden.
In dern untersuchten Bereich voii 6 1 5 % ist ein EiiifluB der Mg-Konzentration
bei den Mg-Mischungen tYeder mit Cu noch mit Ag zu erkennen. Auch aus den
Versuchcii rnit Beryllium 1aDt sich Beiiie wesentliche Anderung mit dem Mischuiigsverhaltnis ableseii. Ob bei den Aluiiiiniumschichten eiii Konzentra~tionseinfluB
auftritt, moge dahin gestellt bleiben. Auf jeden Fall hat dcr Formierungsmstand
der Schicht eiiieri x-eit groDeren Einflulj nuf die SE-Eigcnschaften a,lsdas Mischungsverhaltiiis der Komponenten. Die Forinieruiigsclauer und die Formicrungstemperat,ur steigeii rnit deni Schruelzpunkt der Leicht,metnllkomnponente vom Mg
iiber A1 bis zurn Be an. Die Abbildungen 3 uiid 4 geben cine Auswahl von SEKurveu (d iiz Ahhaiigigkeit roii der Voltgeschwiridigkeit V , der Priniarelekt,ronen),
wie sic bei den behandelten Schichten auftreteii. Sic zeigen gegeii die bekariiiteii
SE-Kurven der Metalle oder zusainmengesetzten Cs-Schichten keine Besonderheiten. Bemerkenswert, ist die Tatsache, daW die stark oxydierteii Schichteii u ~ d
auch die iiberformierten Scliichteri cine Verschiebung des &!taximumszii hohereii
Spannungen auf weisen.
I n einem Punkte unterscheidcn sich allerdiiigs die formicrtcn SE-Schichten
weseiitlich von deli reinen Metalloberflachen, wie Versurhc a n versehiedenen Proben
Annulen der Physik. 6.Folge. Band 5. 1950
422
zeigen. Sie. besitzen einen deutlichen, ncgativen Teinperaturkoeffizienten. Abb. 5
gibt eine Vorstellung von der Gro13e des Effektes. Sie zeigt die SE-Bnrve eiiler
?
15
8'4
13
72
?I
I0
9
a
7
6
5
4
3
2
I
500
17
1000
1500
vp
2000
2500
Abb. 3. Abhangigkeit des SE-Faktors 6 von der Geschwindigkeit der &'rim%relektronen
V, in Volt fur verschiedene Metallmischungen. Die Schichten (von oben nach unten)
enthalten: Crt + 10% Mg; Cu 3. 6y0 Al; Ag 4- 15% Be; Cu 2,3% Be. Die CuBeSchicht ist iiberformiert
+
oxydierten uiid formierteii Mg-Schicht auf Ta bei Zilnmertemperatur und bei
340" C. Im Mittel nimnit der S-Wert bei der Temperaturdifferenz von 320" urn
3,2% ab. Jeder eiiizelne Meapunkt wurde mehrinals bei cleii verschitdenen Tem4
Abb. 4. Abhiingigkcit des SE-Fitktors b von der Geschwindigkeit der Priinarelektronen
V, in Volt fur einc CuRIg-Schicht,bei der in1 Wechscl auf einc 100 BE dicke Cu-schicht
eine 60AE diclre Mg-Schiclit folgt (die oberste Schicht bcsteht &usMg), fur eine Ag-NgLegierung (Ag 5U0, Mg), fur eine unformierte Cu-Mg-Schicht (Cu 101:6 Mg)
+
+
peraturen geumseii, nm den kleiiieii Effekt iiiit hoherer Genauigkeit zu erfassen.
Dabei wurde die relativ kleine Te'inperaturanrlcruii~der Schicht 11~1'durch Wiirmestrahlung vorgenomrnen, uni cinerscit,s eine elektrische Beeinf lussuiig dcr Faktor-
H . Salow: Die Se~undare2e~ronnemission
von Metallmischungen
423
messung zu vermeiden und andererseits auch ein minimales Formiereii der Schicht,
das bei hoheren Temperaturen auftreten konnte, auszuschlie8en.
Auch die aufgedampfteii Metallmischungen und die Legieruagen zeigen im
formierten Zustand den gleichen negativen Temperaturkoeffizienten. Z. B. ergaben die Ag-Mg-Legierung fur die Temperatmdifferenz von 320" einen Effekt
von 2,5% uiid die Cu-Mg-Schxht einen Effekt von 3,1%, der durch weitere
Oxydation der Schicht auf 4,3% anstieg. Der gemessene Temperaturkoeffizient
voii rund 0,Ol% pro C kann nur den formierten Schichten zugeschrieben werden.
Reine Metalloberflachen und unbehandelte Schichten besitzen keine Temperaturabhangigkeit des SE-Faktors, wie Kontrollversuche ergaben.
Zeitliche Verzogerungen bei der Auslosung der Sekundarelektronen wurden
an keiner Schicht wahrgenommen. Solche Tragheitseffekte konnten leider nur
Mg ouf io
Abb. 5. Die Sekundiiremissionskurve (SE-Faktor S gegen die Voltgeschwindigkeit V , der Primiirelektronen aufgetragen) einer formierten Mg-Schicht auf Ta
bei verschiedenen Temperaturen. To= 20" C nnd TI= 340" C
bis zu 300 kHz gesucht werden, da der Primarelektronenstrahl mit hoheren Frequenzeii nicht mehr inoduliert werden konnte. Jedenfalls traten bei 300 kHz
keine iiachaeisbaren Verzogerungen auf. Man darf wohl annelimen, da13 auch noch
wesentlich hohere Frcquenzen v o ~ iden beschriebenen SE-Schichten ohne Tragheitseffekte iibertragen werden konnen.
Gegen eine elektrische Belastung verhaltcn sich die Schichten im richtig forrnierten Zustand stabil. Es wurde eine Reihe von Versuchen, vornehmlich an
Mg-Cu-Schichtea, durchgefuhrt, bei deneii eine Kreisfliiche VOII 3 nun DurchWatt
messer bei 500 Volt einer spezifischen elektrischen Belastung von 1ell?
gesetzt war. Diese Belastungen wurden bis zu 70 Stunden ausgedehnt, ohne da13
ein Absiaken des SE-Faktors beobachtet werden konnte. Von gro8er Bedeutung
fur die elektrische Stabilitat iut der Formierungszustarld der Schicht. Mg-CuMischungen liefern auch hier die besten Resultate.
Trockene und CO, freie Luft greift die Schicht nur langsain an. So sinkt der
formierte SE-Faktor einer Mg-Cu-Schicht aach Einwirkung ron trockener Luft
z. B. von 10,3 auf 9,6. Normale feuchte und CO, haltige Luft ist wirksamer, nach
2 Tagen nehliien die Faktoren uin 20% ab, nach weiteren 3 Tagen erneut inn 10%.
6)
D. E. Wooldriclge, Theory of Secondary cmission. Physic. Rev. SG, 562 (1939).
424
Annalern der Physik. 6.Folge. Band 5. 1950
Trockene Gase, wie Ar, N, haben nur geringen EinfluB, wahrend Wasserdampf
die formierten Schichten sehr schnell zerstort. Mit reinem CO, behandelte Schichten
verlieren ihre Faktoren in wenigeli Minuten, sie lassen sich aber durch einfachee
Heizen regenerieren. Es kann sich also bei der GO,-Einwirkung nur um einen
Oberflacheneffekt handeln, der keinen ernstlichen Eingriff in das Gefuge der
Schicht vorstellt.
Deutung der Vcrsochsergobnisse
Fur die Bildung von Sekundarelektronen an der Oberflache fester Korper bei
ElektronenbeschuB sind 2 Prozesse im Innern der Materie von wesentlicher Bedeutung. Einmal die Bildung von angeregten sekundaren Elektronen durch die
primaren, das andere Ma1 die Strcuung und Absorption der Sekundarelektronen
im Korper selbst. Vorn ersten ProzeB wissen wir aus theoretischen Gr:riinden6)
und experimentellen Beobachtungen 7 daB die Primarelektronen ihre Energie
in kleinen Betragen von 5 bis 20 Volt an die freien oder gebundenen Elektronen
des Festkorpers abgeben, bis ihre eigene Energie aufgezehrt ist. Dabei ist es gleichgultig, ob es sich uni Metalle, Isolatoren oder Halbleiter handelt. Die Prozesse
der Streuung und Absorption sind dagegen in1 hohen MaBe vom Aufbau des Festkorpers abhangig 7. Die angeregten Elektronen treten namlich mit anderen Elektroneii oder mit dem Gitter in Wechselwirkung und verlieren dabei ihre Energie.
Sie yerlassen entweder den Korper als Sekundarelektronen oder erwarmen das
Gitter und fallen auf ihre Ausgangsniveaus zuruck.
In den Metallen werden im weit iiberwiegenden MaBe die freien Leitungselektronen durch die priniaren Elektronen angeregt. Wegen des Impulserhaltungssatzes haben die angeregten Elektronen zunachst die gleiche Richtung wie die
primaren, sie werden also ins Innere des Metalles beschleunigt. Erst infolge elastischer Reflexionen am Metallgitter oder durch weitere StoBe mit Leitungselektronen laufeii sie nach allen Seiten auseinander. Wegen der verschwindend kleinen
Masse der Elektronen gegenuber den Gitterbausteinen ist n u der StoB ElektronElektron fur eine Energieabgabe wirksam. Die Anregungsenergie wird rasch auf
weitere Leitungselektronen iibertragen, bis sie nicht mehr hinreicht, die Austrittsarbeit zu uberwinden. Die Sekundarelektronen sind also im Metal1 einer schnellen
Dissipation ihrer Energie und damit einer starken Absorption unterworfen. Dadurch
wird verstandlich, daS die SE-Faktoren der reinen Metalloberflachen alle in der
Nahe von Eins liegen. Bei den Alkali- und Erdalkalirnetallen treten sogar weniger
Elektronen aus der Oberflache aus als auftreffen, ihr SE-Faktor ist stets kleiner
als Eins. Der hochste an reiner Metalloberflache iiberhaupt vorkoinmende Faktor
betragt 6 = 1,s fur Platin bei V , = 700 Volt. Der geringen Wechselwirkung der
Sekundarelektronen mit dem Metallgitter entspricht die Tatsache, daS sich eine
Temperaturabhangigkeit des SE-Faktors bisher an keiner Stelle hat nachweisen
lassen.
Anders liegt der Fall bei Isolatoren, hier gibt es kein frei bewegliches Elektronengas. Die PrinGirelektronen treten mit den gebundenen Elektronen oder dem
7 ) G. Maurer, Die Sekundarelekf,ronenemission von Halbleitern bzw. Isolatoren.
Z. Physik 118, 122 (1941).
8) W. Lang , Geschwindigkeitsverluste lnittelscheller Elektronen beim Durchgang
durch diinne Metallfolien. Optik 3, 233 (1948).
9) 0. Eachenberg, Absorption der im Festkorper ausgelosten SekundLrelektronen
auf ihrem Weg zur OberflZiche. Ann. I’hysik, 6. Folge, 2, 404 (1948).
dtoiiigitter in Wechselwirkiing. Die aiigerepteii E l e k t r o n ~verlierrn
~
i1ii.e Eiiergie
iiicht so rasch wie iiii Metall, da sie cliese iiur als Gittcrsch~~-iiiguii~.Rquaiiteiiteii
oder
a n Fehlstelleii ini Gitter abgebeii kiiniieii. Wir fiiideii geringere Elrlrtroiiena1)sorption und dainit, hohere SE-Faktoreii. So zeigen Gliiiimer, Qnarz und Glas
bereits SE-Faktoren in der Nahe von 3lo),wahrend L41kalihalogenideFaktoreii roil
10 uiid dariiber erreicheii ') 'I). Wegeii der starkrreii Gitterwechselwirkniig werden
die SE-Faktoren teniPeraturahhaiigi~. So Iiiigt sidi fur KC'1 eine starke negative
Teniperaturabhangigkeit nachmeisen'l), derart, daB der SE-Faktor proportional
mit 1/T zunimnit, wie sich auch rechnerisch bepriiiiden lafit ".
Die Halbleiter iiehiiien in dieser Einordnung eiiie Zwischenstellung ein. ln
ihiien ist iin allgenieinen die durch Stijrzeiitreii oder iniiere Emission liervorgerufeiie Zahl voii Leituiigselektroneii nicht so grofi, dafi sie wesentlich zur Absorption der Sekiiiidarelektroiieii beitragen konnten. Sndererseits koiineii die angeregt,cn Elektroiien die gebundeneii Elektroiieii in das iiieist nahegelegene Leitfahigkeitsbaiid aiihebeii oder niit den Storzentren selbst in Wechselwirkung
treteii und so ihre Energie abgebeii. Gitterbaufehler uiid eingebaute Frei~idatonie
iibeii iiuii 1-erschiedenartige Wirkung auf die Sekundarelektroneii aus. So koiiiiteii
H a c h e i i b e r g , K n o l l und Randnierl') ini NaCl uiid KCl bei einer F-Zentrendichte von 10ls pro em3 eine 5proz. Abiiahnie der Sekundareiiiissioii beohachten.
Iiii Gegeiisatz dazu finden Geyer12)uiid Suhrniaii uiid Berger13) eiiie betrachtliche Steigerung der Sekundaremissioii, wenii sie Freiiidatome, vorzugsweise Cs,
in das Gruiidgitter einbaueii. Es scheineii also Storzentreii iiiit iiiehr elektronegat,irem Charakt,er (F-Zentren) die Sekundarelekt,ronen zu heinmeii, wahreiid Storstellen iiiit elektropositivem Charakter (Cs-Atome) die Sekuiidaremissioii fordeni.
Man wird deinnach fur Halbleiter sehr uiiterschiedliche SE-Faktoren erwarten
diirfen, wie das auch der Fall ist. Wegen der hier stets vorhaiideiien Wechselwirkung
iiiit dem Atonigitter sollt,e auch eiiie Temperat,urabhanpigkeit, des SE-Faktors
vorliegen. Sie diirfte allerdings iiicht irnnier klar herausgearbeitet werden konneii,
da die Halbleiterschichteii vielfach schon von sich aus teniperatureinpfindlich
sind und Storstellengehalt uiid Zahl der Leitungselektroiieii selbst voii der Teniperatur abhangen.
Nach diesen allgeineiiieii Uberlegungen ist die Einordnulig der iiii Anfang beschriebeiieii Metallinischuiigeii und Legierungeri in das hier aufgestellte Schema
nirht, iiiehr schwierig. Iiii uriforinierteii Zustaiid zeigen alle aufgedanipfteii Schichteii uiid Lzgierungeii metallische Leitfahigkeit. Ihr SE-Faktor ist daher sehr
kleiri, er liegt in der Nahe von Eins, wahreiid das Maximum der SE-Kurven bci
V , = 200 Volt erreicht wird (vgl. Abb. 4). Sobald aher die Schichten foriniert
sind, liegeii die SE-Faktoren sehr hoch, das Maximum der SE-Kurve tritt bei etwa
600 Volt auf. Der absorbiereiide EiiifluB der Leituiigselektrolieli auf die angeregten Sekundarelekt,ronen ist jetzt ausgeschaltet. Es siiid in der Schicht halbleitende oder sogar isoliereiide Bereiche, in denen die Zahl der frei beweglic,hen
Elektroiien sehr kleiii oder sogar Null geworden ist, entstanden. Die Verschiebuiig
_
_
_
~
H. S a l o w , Ubcr den Seiiuncliiremissionsfnlrtor elelctroncnl~cstrahlterIsolatoren.
%. t e c h . Physilr el, 9 (1940).
11) 1\1.Knoll, 0.H a c h c n b e r g u . J . R a n d m e r , Zurn Mechanismus der Selcundiircmision im Inncrn von Ionenltdstallen. Z. P h y d r 1?2, I37 (1944).
12) I<. €1. G e y o r , Reobachtung an der Ssl~und3rdcktronenstralilong ~ L I S P\'ichtleitern. Ann l'hysilr 41, 241 (1942).
13) R.Suhrmnnn 11. 14'. Kcrgcr, Ubcr die 1~~missionszcnti.cn
dcr Selrundiir-Emission
von aufgedampften ~1lialiliarl~o~~atscllic.I~ter~.
%. I'hysilr 123, 73 (194.4).
10)
4%
Annulen der Physik. 6. Folge. Bawd 5. 1950
des Maxiiiiuins der SE-Kurve 1aBt sich naeh eiiier voii Sa10w'~)uiid Bruiiiiiig15)
durchgefuhrteii Rechiiurig verstehen, iiach der das Maxiiiiuni V , der SE-Kurve
init deli Koiistaiiteii n des Widdingtoii-Thoiiisoiischeii Gesetzes fur die Eiiidriiigtiefe der Priiiilrelektroiieii uiid der Absorptionskonst,aiiteii LX der Sekundara 5
clektroueii in folgeiider Art rerkiiupft ist. Dariach gilt: V?,,= 0,92
Nuii
(-)
\n.
'
sollte beini ubergang voiii uiibchaiidelteii iii den foriiiierteii Zustaiid der Wert.
voii n iiiir uiii den Fakt,or 1,5, der sich :%US der Dicht>eaiideruiigabschatzeii IaBt,
zunehinen. Eiiier Verschiebuiig des 3laxiiiiuiiis V,n,uiii deli Faktor 3 (voii V,, =
200 Volt auf V,, = 600 Volt) wurde also eiiier Abiiahine der Absorptionskoristaiiteii uni eiiieii Faktor 6 eiitspreeheii. Wir durfeii daher iii dieser Verlageruiig
tles Maximums eiiieii experinieiitelleii >%usdruckfur die Ausschaltung der Leitungselekt~roiieii uiid fur die daniit verbuiideiie weseiibliche Verniiiiderung der
Sekuiidarelektronenabsorption seheii. Es koiiiieii aiigeregte Elekt,roiieii iioch aus
weit tiefereii Schicht,eii als vordem die Oberfliiche erreicheii uiid verlasseii. Hier(lurch wird auch die Tatsache erkllrt, daB sich fur stark oxydierte Schichteii das
?iiaxiniuiii V77zzn noch hohereii Spaniiuiigen verschiebt.
Iiii gleicheii Siiine iiiull das auftreteii des Teiiiperaturkoeffizienteii der Sekuiid~reiiiissioiinach deiii Forriiiereii gedeutet werden. Der verniiiiderte EiiifluB der
Leit,niigselektroiieii 1aBt die Gitterstreuuiig der Sekundarelektrorieii hervortreteii. Da die Teiiiiieratureitipfiiidlichkeit in eiiiein Teniperaturgebiet iiachgewieseii wurde, in dein eiii Forniieren der Schichteii nicht eiiitritt, so wird inaii cs
liier iiiit einer Beeinflussung des Sekuiidareniissioiisvorhaiiges durch reiiie Gitterstrenuiig zu t u n habeii, fur die eiii l/T-Gesetz gelteii sollte. Ob diesos Gesetz erfullt ist, lallt sich bei der Kleiiiheit des Effektes uiid des uiitersuchbeii Teinperaturbereiches iiaturlich iiicht feststelleii. lmnierhiii wird iiiaii aus dein kleiiieri Teniperaturkoeffizieiiteri dea SE-Faktors roil 0,0l% pro O C schlieBeii durfeii, dall die
foriiiierteii Schichteii halbleiteiideii Charakt,er habeii, bei deiieii wegeii der g r o h i
Maiinigfaltigkeit voii Streuprozesseii die reiiie Gitterstreuuiig iiicht deli starkeii
EiiiflnB wie bei deli Isolatoreii ausuben kaiin. Hierinit sttimint ubereiii, daB sich
keiiie A4iizeicheiifur isoliereiide Bezirke iiachweiseii lieBen. Solche isolierendeii
Zeiit,reii iii deli sekuiidareinitt,iereiidcii Schichteii sollOeii sich iii Tragheitseffekteii,
z.B. in eiiier wrzogerteii oder feldabhaiigigeii Emission heiiierkbar inacheii. Spnrt!ii
derartiger zeitabhaiigiger Eiiiissioii koiiiiteii iiicht gefuiideii werdeii. Wir fasseii
also die forinierteii Kathodeii als reine halbleiteiide Srhicht,eii auf.
Eiiie A4iialysedes Foriiiierungsvorgaiiges sol1 deli Aufbau der Schichteii iioch
iiaher keiiiizeichiieii. Uiii die halbleiteiideii uiid Rut,eniit,tiereiideii Eigenschafteii
cler Schichteii zit gewiiineii, iiiuB Sauerst,off uiid Erwariiiniig gleichzeitig zur Anmeiidung koiiiiiieii. Teiiil'eraturbehaiidlung ohiie Sauerstoffzufuhr geriiigt eheiisoweiiig wie Oxydat,ioii tier Schichteii ohne Erwariiiuiig. Es iiiuB sich also bei dcr
Foriiiieruiig 11111 eiiie Oxydatioii der leichteii uiid schwereii Konipoiieiite (iiiit ,411siilthiiie voii Silber) haiidelii, die hei hiihereii Teiiiperatureii ablauft. Das wird auch
dnrch die Verfarbuiig der Oberflachcii bestatigt,. Die Metalle durfen allerdiiigs
iiicht restlos iii das Oxyd Verwaiidelt werden. Ein zu starker Sanerstoffgehalt iii
der Schirht setzt die SE-Eigeiischafteii x'ieder herab. Es gibt die Erscheinuiig der
~
H. S a l o w , ULer die n'inliel:Lbh8ngigkcit der ScLunddrcleldroiiencmissio~~
roil
Isolatoren. Physik. Z. 19, 8 (1940).
15) H. Brnining, Die Xe1;uiidiir-~:lektroncii-Emisaion fester Korpcr. I3erlin 1942.
S. G5.
14)
H . Salow: Die Sekundkrelektronenernission VOR Metallrnischungen
42 7
Gberoxydation. Ebenso ist eine Uberformieruiig durch zu hohe und lange Temperaturanwendung moglich. Ein Zerfall des Oxyds ist dabei selbst bei den hochsten
angewandten Temperaturen nicht zu erwarten. Es kommt vielniehr auf eine
bestimmte Konzentration des freien Metalies zum Metalloxyd an. Dies Konzentrationsverhaltiiis wird bei der Uberoxydation durch einen SauerstoffuberschuB
bei der Uberformierung durch Herausdampfen der leichten Metallkomponente,
also durch einen MetallunterschuB gestort. Mit diesem Bild stimmt gut iiberein,
daB man durch Nachdampfen der Erdalkalikomponente uiid erneutes Formieren,
in beiden Fallen, den iiberoxydierten und iiberforniierten Zustand aufheben und
die hohen SE-Faktoren wiedererhalten kann. Die Konzentration der metallischeii
Komponente innerhalb des Oxydes diirfte einen weiten Spielrauin besitzen, da
einerseits sehr geringe Sauerstoffmengen zur Forinieruiig ausreichen, andererseits
sehr kleine Mengen der Lzichtmetallkomponente den uberforinierten Zustand
aufheben.
Um etwa doch vorhandene Konzentrationseiiifliisse der beiden Metallkomponenten sicher zu erfassen, wurden auf eine Grundplatte Mg und Cu im Wechsel aufgedampft derart, daB eine Cu-Schicht von 100 AE Dicke mit einer Mg-Schicht
von 50 AE Dicke abwechselte. Diese geschichteten Kathoden verhielten sich genau
wie die gleichmaBig gemischten, vorausgesetzt, daB die oberste, dem Vakuum
zugewandte Lage aus Mg bestand. Auch in diesen Schichten wird sich die vorteilhafte Konzentration von Metal1 und Oxyd automatisch durch den FormierungsprozeI3 einstellen, wobei eiii Teil des iiberschiissigen Mg an der Oberflache in das
Kupfer hineindiffundiert, ein anderer Teil abdampft. Aus diesem Versuch geht
klar hervor, daB das Konzentrationsverhaltnis vom Cu zum Mg fur die Bildung
hoher SE-Faktoren in diesen Schichten keine Bedeutung besitzt. Das Entscheideiide bleibt die metallische Komponente des Mg innerhalb des mehr oder weiiiger
stark oxydierten Grundgitters.
Bei der Formierung der Metallmischungen wie der Legierungen fallt die Tatsache auf, daB eine sehr scharfe Temperaturgrenze besteht, bei der die Formierung
einsetzt. So genugt z. B. eine zweistundige Erhitzung einer Mg-Cu-Schicht auf
520" C in Anwesenheit von Sauerstoff nicht, um den SE-Faktor auch nur wenig
zu steigern, wahrend eine Temperatur von 570" C hinreicht, den ganzen Formierungsvorgang in 20 Minuten ablaufen zu lassen. Wegen des niedrigen Schmelzpunktes von Mg und A1 - sie werden bei 657 und 658" C fliissig - darf man wohl
inindestens fur diese beiden Metalle bei den Formierungstemperatuen eine betrachtliche Beweglichkeit ihrer Atome im Grundgitter anaehmen
Der Formierungsvorgang besteht dann zunachst darin, daB eine mehr oder
weniger groBe Menge Sauerstoff von den einzelnen Mikrokristallen der beiden
Komponenten aufgenommen wird, die freien Leituiigselektronen werden dabei
in im Hristallgitter gebundene Elektronen verwandelt. Es bleiben bei diesem
ProzeB genug freie Metallatome zuriick, vornehmlich die Erdalkalimetalle, die
nun von einer bestimmten Temperatur an, der E"ormieruiigstemperatur, eine so
groBe Beweglichkeit besitzen, daB sie in das Oxydgitter einwandern und an solchen
Stellen gebunden werden, an denen sie elektronenspenderide Storstellen darstellen.
Wegen des elektropositiven Charakters dieser Storzentren konnen die zunachst
yon den Primiirelektronen angeregten Elektroiien in ihnen besonders leicht die
Sekundarelektronen auslosen. Die Erdalkalimetalle iibernehmen also hier die
gleiche Rolle, wie sie z. B. Cs-Atome in den sekundaremittierenden Ag-Cs,O-CsKathoden spielen, mit denen iiberhaupt die hier behandelten Schichten im Aufbau
.
428
dniiulen der Physik. 6. Folge. Bund 5. 1950
eiiie pewisse ..~hnlichkcit besit.zeii. Wegen des hohereii Schn~elzpikt,esder Erdnlkaliniet.alle iind wegeii ihres schwachereii elektroposit.ire11 Vcrhalteiis gege~iiilocr
den iZlkaliiiieta.llen werden die auf der Erdalkalibasis aufgebauteii Schieht,en
(sowohl die aufgedainpften Met,alliiiischungeii wie die Legieruagea) t,herniisch und
clektrisch st.abiler uiid gegen Sauerstoff uneliipfiridlicher als solche, die :tuf Alknli))asis, insbesoiidere niit Cs zu~aii~i~eiigesetzt
siiid 16).
Zuni SchluB sol1 iioch iiiit wenigeii Worten auf die Stmkturuiitcrschiede zwischeii deli ~~et.allmischuiigcn
und den Legieruligen und ihreii in1 Aiifang wrniutetcn
eiiigegailgeii werden.
EiiifluS auf die Sekuiidlreiiiissiouseiffeiischafteil
Die ~let.alliiiischuiig-eiikoniieii iiii frisch aiifgedampftcn Zustand ills feiiikristalline Zusaiunieiisctzniia voii Mikrokristalleu der beideii Koniponenteil aufgefafit werden. Eiii vollig regelloses Zusamrneiiliegen der einzelneii Metallatoii>e iii
dichter Kugelpackuiig, die dein ainorphen Zustand entspricht., darf wegel1 der ausgepriigteii iiietallischen Leitfahiglteit iiicht angenoinmeii werdeil. Die Legierungeii
uiiterscheiden sich von den aufgedanipfteii l\;letallmischungeii durch eiiic weit
gleichmLBigere Aiiordnung wid vollkoinnieiierc Durchniischuiig ihrer Atoiiic.
Eiii deutlicher EiiifluD dieser Strukturuiiterschiede auf die Sekund~reinissioiiseigcnschafteii, wie er anfaiigs verinutet wurde, 1aBt sich aus den aiigefiihrten Experirneiiteii nicht entiiehnien. Legieruiigen wie die Met,allmischungeu ergeben
praktisch die gleicheii Resultate. Die 1eicht.ere Por~iiierbarkeitdcr letzteren u n d
ihre groBere Stabilitat tliirften darauf zuriickzufiihreii seiii, daB schon durch den
Verdampfungsvorgaiig eiiie groBe Bildungsmoglichkeit voii Storzeiitren vorgegebeii
wird, da cine feiiikristalline Struktur eiiie weit groBere Zahl von Kristallgrenzeii
oder Fehlstelleii iin Kristallgefiige enthalt, aii deiieii bevorzugt der Einbau sekundare1ektroiieiisl)eridei~der Zentren vor sich geheii kaim, als eine grobkristalliiie,
wie sic den Legierungeii entspricht. Die Aniiahiiie voii Gille, daB iiishesondcrc
solche Legieruiigen, die Auskristal1is:ttioii der Erddkalikoniponeiite zeigen, zur
Bildung voii hocheiuittierendeii SE-Kathodeu befahigt sind, kann durch die vorliegenden Experimeiite nicht bestatigt werden.
16) Die init Erdalkaliatonien geziichteten Selrundaremissioiislratlioden tliirften in
tcchnischer Hinsicht den Cs-Kathoden uberlegen sein.
B a r g t e h e i d e , Ferriiiielcietechiiisches Zentralaint.
(Bei der Rednlrtion eingcgnngen am 11. Oktober 19.19.)
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