HAL Id: jpa-00207109
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Étude de l’émission électronique secondaire du Ge ;Influence de la température
L. Touzillier, J. Faure-Bandet
To cite this version:
L. Touzillier, J. Faure-Bandet. Étude de l’émission électronique secondaire du Ge ;Influence de la température. Journal de Physique, 1971, 32 (7), pp.547-552. �10.1051/jphys:01971003207054700�.
�jpa-00207109�
ÉTUDE DE L’ÉMISSION ÉLECTRONIQUE SECONDAIRE
DU Ge ; INFLUENCE DE LA TEMPÉRATURE
par L. TOUZILLIER et J. FAURE-BANDET
Laboratoire de
Physique Expérimentale,
Faculté desSciences,
Toulouse(Reçu
le 30juin 1970,
révisé le 26janvier 1971)
Résumé. 2014 Nous avons étudié l’émission électronique secondaire du Germanium et déterminé l’influence de la température de la cible sur les taux d’émission et sur les distributions d’énergie des
secondaires vrais.
Nous avons proposé une interprétation des résultats obtenus en considérant les interactions collec- tives et les variations des profondeurs d’émission des secondaires.
D’autre part nous avons identifié les pics de structure fine des courbes de distribution d’énergie
comme niveaux finals de transitions interbandes et Auger.
Abstract. 2014 The true secondary emission from electron bombarded germanium is investigated.
The influence of the target temperature upon the yield and the energy distribution of secondaries is studied.
The results are explained in term of collective excitations and escape depths of secondaries electrons.
The structures found on the energy distribution curves are attributed to final levels of interband and Auger transitions.
Classification
Physics Abstracts : 17.52
I. Introduction. - Les
interprétations
de l’émis- sionélectronique
secondaire onttoujours
été difficilesen raison d’une part du nombre
important
de para- mètres mis enjeu
et d’autre part de l’absence de basesexpérimentales
assez solides. Les difficultés essentielles de l’étude de cephénomène
sont indiscutablement liées à l’existence de la surface du solide. Grâce à l’utilisation detechniques
modernes et àl’emploi systématique
de l’ultra-vide desexpériences
nouvelleset des mesures
plus précises
que par lepassé
ont pu être réalisées. Il est devenupossible
de mettre enévidence des résultats vraiment
caractéristiques
d’unsolide
donné,
que ce soit les courbes de distributionangulaire
ou les courbes de distributiond’énergie ;
le
développement
de laspectroscopie Auger
au coursde ces dernières années est d’ailleurs à ce
sujet
trèssignificatif.
Nous nous sommes intéressés aux variations des coefficients d’émission secondaire et de distribution
d’énergie
en fonction de latempérature
de la cibledans le cas du
platine
et du Germanium.Le
problème
de l’influence de latempérature
sur lesmétaux a suscité de nombreuses controverses et n’a pas fait
l’objet
de travauxrécents ;
il nous a donc paru intéressant d’en faire l’étude dans de bonnes conditionsexpérimentales.
Si sur les isolants il existequelques
travauxthéoriques
etquelques
résultatsconcernant l’influence de ce
paramètre,
il n’en existepratiquement
pas sur les semi-conducteurs.II.
Dispositif expérimental.
- II.I TUBE. - Le faisceau d’électronsprimaires
est fourni par un canonélectronique
du typeélectrostatique
fonctionnant enrégime continu ;
sagéométrie
estanalogue
à celledécrite par Bazhanova
[1 ]. L’énergie
des électrons peut varier dans les 2plages
75-200 eV et 150-3 000 eV.Le courant
primaire
a été choisi de10-’
A pour limiter les effets decharge d’espace
et decharge
des surfaces.Les électrons secondaires sont recueillis par un
collecteur
hémisphérique ;
unegrille
entungstène joue
le rôle degrille
d’arrêt pour les électrons tertiaires.Le
porte-échantillon,
constitué d’un tube fermé àune extrémité par un
cylindre plein
en cuivre surlequel
est encastrée la
cible,
forme un vase de Dewar. En utilisant de l’azoteliquide
et une résistance montéesur stumatite on peut faire varier
rapidement
latempé-
rature de la cible entre - 150 OC et 600
OC,
valeurqui
ne peut être
dépassée
par suite de laprésence
de lasoudure cuivre-inox.
L’ensemble de ce
dispositif
estplacé
dans uneenceinte où une
pression
résiduelle inférieure à10-10
mmHg
est obtenueaprès dégazage
à 400 OCpar pompage
ionique
etcryosublimation
de titane.II . 2 MESURES. - La mesure des coefficients d’émis- sion secondaire est effectuée par une méthode
précé-
demment décrite
[2].
Pour
analyser
le spectred’énergie
des secondaires émis nous utilisons la méthode duchamp
retardateurArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01971003207054700
548
qui
ne donne pas directement la courbe de distribu- tiond’énergie
mais sa courbeintégrale.
Dans la méthode de dérivation que nous avons
utilisée
[3]
on superpose à la différence depotentiel
cible-collecteur des
impulsions
de 100 mV(durée :
1 ms,
fréquence
derépétition :
30Hz).
A cesimpul- sions, correspondent
sur le collecteur des variations de courantqui représentent
sous forme échantillon- née la courbe de distribution cherchée.Un montage
symétrique
a été utilisé pour éliminer les effets descapacités parasites
cible-collecteur etcollecteur-masse. Les
impulsions
de courant sontamplifiées
parl’amplificateur symétrique
TX 100(Tranchant Electronique).
La restitution de la courbe sous forme continue est obtenue par un
extrapolateur
d’ordre zéro(capacité C3
et transistor à effet dechamp
UC714).
Unamplifi-
cateur monté en
adaptateur d’impédances
permetd’attaquer l’enregistreur (Fig. 1).
FIG. 1. - Schéma du dispositif électronique de dérivation.
III. Résultats. - III.1 PLATINE. - L’ensemble de
l’appareillage
a été testé en étudiant l’émission secon-daire du
platine.
Les résultatsobtenus,
taux d’émis-sion et distribution
d’énergie,
sont en accord avecceux obtenus par
Mayer
et Holzl[4].
Contrairement aux résultats anciens obtenus par
Sternglass [5]
etprobablement
liés à desdésorptions
de gaz, nous n’avons constaté aucune modification de l’émission
électronique
secondaire duplatine
enfonction de la
température
dans l’intervalle - 150 °C 400 °C. Les courbes de distributiond’énergie
sontaussi
indépendantes
de latempérature
des cibles.Les résultats sont
reproductibles
et l’on peut conclurequ’il n’y
a pas d’effet detempérature
surl’émission
électronique
secondaire duplatine.
III .2 GERMANIUM. - Les mesures ont été réalisées
sur des monocristaux de Germanium de type n, 50 Q. cm et face III. Les cibles ont été
nettoyées
auCP4,
rincées à l’acidefluorhydrique
et recuites à600 °C,
à unepression
résiduelle de 10 -10 mm deHg
suivant unetechnique
décrite par Farnsworth[6].
Les rendements d’émission secondaire en fonction de
l’énergie
des électronsprimaires
et les distributionsd’énergie
des secondaires sont en accord avec les résultats dePalmberg [7] qui
utilise un bombardement d’ionsArgon
pour le nettoyage des cibles.- Iniuence
de latempérature
dans l’intervalle 20 °C 400 °C. - Lafigure
2 montre les variationsFIG. 2. - Variation du taux d’émission secondaire du Ge
en fonction de l’énergie des primaires à deux températures
différentes.
obtenues à 2
températures
différentes du coefficientglobal
d’émission secondaire 6 en fonction del’énergie
des électrons
primaires Ep.
Nos
expériences
ont montréqu’il
n’existe aucunevariation du coefficient Q pour des
énergies
inférieures à 200 eV. Par contre pour desénergies supérieures
àcette valeur la variation relative de 2,5
%
entre 20°Cet 400°C est
indépendante
del’énergie.
Un résultatanalogue
adéjà
été obtenu par Johnson et McKay [8]
sur le Germanium et
Gornyi
et Reisakas[9]
sur leGe02.
Sur la
figure 3, qui
est relative à nos mesures, appa-FIG. 3. - Modification des courbes de distribution d’énergie
du Ge en fonction de la température. Energie des électrons
primaires 500 eV.
raît la modification des courbes de distribution d’éner-
gie
obtenues avec un faisceauprimaire d’énergie
500 eV. La variation relative de Q peut être
évaluée,
dans ce cas, parcomparaison
des surfaces délimitées par les deuxcourbes ;
le résultat obtenu est en très bon accord avec la détermination directeprécédente.
D’autre part cette
figure
permet de voir une dimi- nution relative de l’effet detempérature
pour des secondairesd’énergie supérieure
à 5 eV et ladispari-
tion
complète
de cet effet pour des secondaires d’éner-gie supérieure
à 11 eV. Des mesures en fonction de latempérature,
pour diverses valeursd’énergie
dessecondaires,
permettent de mieux mettre en évidencece résultat
(Fig. 4).
FIG. 4. - En ordonnés
En abscisses Es énergie des secondaires.
- Influence de
latempérature
aux bass’estempéra-
tures. -
Malgré
laprésence
du panneaucryogénique, l’absorption
de gaz sur la surface des ciblesperturbe
en
général
les mesures. Laperturbation
constatée estidentique
à celle que l’on obtientlorsqu’on
modifiele travail de sortie du Germanium.
Lorsque
les mesures sont effectuéesrapidement
aucune variation du travail de sortie
n’apparaît
surles courbes de distribution
d’énergie.
On ne constatedans ce cas aucune modification de l’émission électro-
nique
secondaire entre 20 °C et - 150 °C.- Pics de structure
fine.
- Les courbes de distri-bution
d’énergie présentent
un certain nombre depics
de structure fine
(Fig. 5).
La méthode de dérivation utilisée permet de déterminer lescaractéristiques (largeur
etposition)
de cespics.
Certaines de ces structuresapparaissent
avec la mêmeposition
enénergie
sur les résultats obtenus par Weber et Peria[10]
et
Palmberg [7].
Cet auteur a réalisé sesexpériences
enutilisant des recouvrements de sodium destinés à réduire la hauteur de la barrière de
potentiel.
On peut donc observer à basseénergie
dessingularités qui
nous ont
permis
decompléter
le spectre despics
duGermanium dans ce domaine
d’énergie.
FIG. 5. - Pics de structure fine du Ge dans le domaine de l’émission secondaire « vraie ».
Nous avons fait varier
l’énergie
du faisceauprimaire (100
eV à 1 000eV)
et nous avons constaté unefaible variation des
caractéristiques
despics.
Mais laplage d’impact
du faisceau sur la cible varie en gran- deur et enposition
avecl’énergie
des électrons inci- dents. Or des modifications d’émission secondairesont observées
lorsque
àénergie primaire
constanteon
déplace l’impact
sur la cible. Il est doncdifficile,
dans cesconditions,
de discuter ces résultats.Nous avons
regroupé
dans le tableau ci-dessous l’ensemble des résultats obtenus. Lesénergies
sontcomptées
par rapport au sommet de la bande devalence,
le travail de sortie du Germanium étant choisiégal
à4,8
eV, valeur obtenue enphotoémission
par Allen et Gobeli
[11].
TABLEAU 1
Les
pics, V,
VI et VIIn’apparaissent
que sur lesrésultats de
Palmberg [7].
Nous n’avons pas observé de variation de la
position
ou de la
largeur
de cespics
avec latempérature.
Cerésultat est à
rapprocher
de celui obtenu par Palm-berg
et Rhodin[12]
concernant unpic Auger
de l’ordans l’intervalle de
températures
77 OK, 800 OK.IV. Discussion des résultats. 2013 IV.l GÉNÉRALITÉS.
- Les
interprétations
de l’émissionélectronique
secondaire font intervenir la succession des 3 proces-
sus suivants :
- création de secondaires internes par suite de l’interaction des électrons
primaires
avec les électronsdu réseau,
- le transport de ces secondaires vers la surface,
- leur interaction
particulière
avec la surface.550
Diverses théories ont été
proposées
utilisant cettedescription
et traitantparticulièrement
l’un de cestrois processus.
L’étude de l’interaction du faisceau
primaire
avecles électrons du réseau, dans
l’approximation
desélectrons libres ou dans
l’approximation
0. P. W.,conduit à des distributions
angulaires
en contradic-tion avec les résultats
expérimentaux.
Il semble que ce désaccord entre théorie etexpérience
soit dû moins àl’approximation
utiliséequ’au
fait que l’on ne tient pas compte de la contribution des électrons réfléchisinélastiquement
à l’émissionélectronique
secondairevraie. Les résultats
expérimentaux
montrent que cette contribution estprépondérante [13].
Les
phénomènes
de transport sont décrits parl’équation
de Boltzmann. Cailler[14]
a obtenu sur lesmétaux des résultats en accord avec les
expériences
surtout en ce
qui
concerne les secondaires de basseénergie.
Dans le cas des isolants la
description
à l’aide duprocessus de transport conduit à des résultats
qui
sontconfirmés par
l’expérience.
Enparticulier
Dekker[15]
a fait une étude
théorique
en fonction de latempéra-
ture que des résultats
expérimentaux
récents de Stuchinskii[16]
et Borisov et Gnuchev[17]
confirment.Dans le cadre de cette
description
l’excitation des secondaires est due à une interactionélectron-électron,
et le transport à des interactions
électrons-phonons ;
les secondaires
proviennent
deprofondeurs
dequel-
ques centaines
d’Angstrôms
alors que les interactionsauxquelles
ilsparticipent
ont des libres parcours moyens d’une dizained’Angstrôms
avec des pertesd’énergie
de l’ordre de0,05
eV.Dans le cas des métaux et des semi-conducteurs on
admet
généralement
que lesprofondeurs
d’émissiondes secondaires ne
dépassent
pasquelques
dizainesd’Angstrôms.
Dans le cas du Germanium lesprofon-
deurs maximales d’émission obtenuesexpérimentale-
ment sont de 28 A
Segal [18]
Bronshtein et Frai-man
[19].
Deplus
les secondaires créés par les réfléchisinélastiquement
sont émis àpartir
de zonesproches
dela
surface ;
or la notion de transport n’a de sens que sil’épaisseur participant
à l’émission estgrande
par rapport au libre parcours moyen de l’interaction.En
conséquence
il semble que les courbes de distri- butiond’énergie
obtenues pour les semi-conducteurs nesoient pas fondamentalement le reflet du processus de transport et de l’interaction avec la
surface,
ainsique cela est
généralement
admis. Le but de notretravail est de montrer que c’est là une
explication possible
des résultats obtenus en fonction de latempérature.
IV. 2 INFLUENCE DE LA TEMPÉRATURE. - L’effet de
température
que nous avons observé n’est pas dû à une modification du travail de sortie : on ne cons-tate en effet aucune modification du travail de sortie
sur les courbes de distribution
d’énergie.
De même, latempérature n’agit
pas sur le processus d’excitation :nous n’avons pas pu mettre en évidence une variation du coefficient des rétrodiffusés en fonction de ce
paramètre.
Nous en déduisons que latempérature agit
sur le processus de transport. Il résulte donc de l’étude des résultats obtenus que les secondaires dontl’énergie
estsupérieure
à 11 eV(16
eV si l’onrepère
lesénergies
par rapport au haut de la bande devalence)
n’ont pas
participé
à un processus de transport.Soulignons
que des électrons dontl’énergie
dans lesolide est
supérieure
à 16 eV ont uneénergie
suffisantepour exciter un
plasmon
de volume(hco,
=16 eV pour
le
Ge).
Cette perted’origine collective, qui
est d’ailleursla perte
principale
observée dans le spectre des pertesdiscrètes,
a été mise en évidence en réflexion pour desénergies supérieures
à 40 eV parGornyi [20]
et en transmission par Pradal
[21].
Pour desénergies plus faibles,
de l’ordre degrandeur
del’énergie
duplasmon
devolume,
cette interaction a été étudiée parQuinn [22] qui
obtient un libre parcours moyenthéorique
de 10A.
Une valeuranalogue
est obtenueen
extrapolant
dans le domaine des bassesénergies
lescalculs de Ferrell
[23 ].
L’influence de cette interaction surla
photoémission
et l’émissionélectronique
secondairen’a été observée que dans le cas des métaux alcalins.
En
rapprochant
nos résultats de ceux deMayer
et Holzl[4]
il semblequ’à partir
de 16 eV lesprofondeurs
d’émission des secondaires
diminuent ;
on peut donc éliminer pour eux toutepossibilité
de transport.Parmi les secondaires émis il en existe
qui
ontparti- cipé
à un processus de transport avant leur émissionFIG. 6. - Courbe de distribution d’énergie des secondaires n’ayant pas subi l’influence de la température : a) avant franchis-
sement de la surface ; b) après franchissement de la surface.
et pour
lesquels
il y a influence de latempérature,
que l’on retrouve à basseénergie.
Mais il existeaussi,
un nombre
important
de secondaires émis sans avoirparticipé
à unphénomène
de transport par suite de la contribution des réfléchisinélastiquement
à l’émis-sion secondaire.
Nous pensons obtenir la contribution totale des électrons non diffusés à l’émission secondaire en
extrapolant
la courbeexpérimentale
obtenue du côtédes
grandes énergies,
par rapport àA,
dans larégion
des faibles
énergies.
En admettant que l’influence du travail de sortie est la même sur tous lesélectrons,
nous déduisons de la courbe
(a) (Fig. 6)
la courbe(b)
donnant le nombre d’électrons émis sans diffusion
après
franchissement de la surface. Nous nous sommesaffranchis du
problème
de l’interaction des secondairesavec la barrière de
potentiel
en utilisant les résultats dePalmberg [7] qui
nous permettent d’obtenir avecune certaine
approximation
l’émission du Germanium avant franchissement de la surface.IV. 3 IDENTIFICATION DES PICS DE STRUCTURE FINE.
- L’émission
électronique
secondaire est considéréecomme le résultat de l’excitation des électrons du solide par le faisceau
primaire.
L’étudethéorique
de laréponse
du solide peut s’effectuer dans un formalismeanalogue
à celui de laréponse
du solide sous bombarde-ment de
photons. L’analyse
des pertesd’énergie
desfaisceaux d’électrons d’une
part
et celle desspectres optiques
d’autre part, aboutissent à des fonctions permettant d’identifier les transitionsélectroniques
et
optiques
àpartir
d’un modèle de structure de bandes.Nous avons
essayé d’interpréter
les structures obser- vées dans les courbes de distributiond’énergie
duGermanium en utilisant les résultats de
photoémission.
Des travaux récents dans ce domaine ont montré que pour certains cristaux la conservation du vecteur d’onde n’est pas une
règle
de sélectionimportante.
Berglund
etSpicer [24]
ont été conduits à définir des transitions non directes. Cetteinterprétation
ne peut s’étendre à tous lesrésultats,
les transitions directes et non directes coexistent engénéral
dans les semi-conducteurs du type Ge et Si
Spicer
et Eden[25].
En émission
électronique
secondaire cette notion a été utilisée par Cailler[14]
et par Kane[26].
Pour identifier les
pics
obtenus à basseénergie
nousavons utilisé les travaux de
Philipp
et Ehrenreich[27].
Roessler
[28]
pour les spectresoptiques,
Allen etGobeli
[11 ] Cohen
etPhilipp [29]
pour laphotoémis- sion,
Herman[30]
pour la structure de bandes et les densités d’états de la bande de valence et de la bande de conduction.Pic 1. - Etant donné
l’amplitude
de cepic
par rapport au fondcontinu,
il nousparaît
peuprobable qu’il puisse
être dû à une transition interbande. Nous l’attribuons à la transitionAuger M,VVV,
avec leniveau
Mlv
à 31,8 eV du haut de la bande devalence,
valeur
qui
necorrespond
pas exactement à la valeur donnée par laspectroscopie
X(27 eV).
Pics II et III. - Ils
pourraient correspondre
à des pertesd’énergie
collectives des électrons associés aupic Auger précédent (11
eVplasmon
desurface,
16 eV
plasmon
devolume).
Ce genred’interprétation
a été
proposé
parTaylor [31]
Mularie et Rusch[32]
pour
expliquer
laprésence
de structures satellites de certainspics Auger.
Mais dans notre cas
l’énergie
dupic Auger
est bieninférieure à celle des
pics
desexpériences précédentes.
De
plus
latempérature
n’a pas d’effet sur laposition
du
pic
à9,5
eV. OrMeyer [33]
observe du côté des pertes discrètes undéplacement
dupic
duplasmon
del’ordre de
0,2
eV entre latempérature
ambiante et400 °C en accord avec la modification de la densité
électronique. Quand
aupic
à14,8
eV un recouvrementde la surface par des atomes
étrangers
ne modifie passa
position
alors que lepic
deplasmon
de surface du côté des pertes discrètes est fortement influencé par l’état de la surface. Enconséquence,
nous ne croyons pasqu’une
telleinterprétation
soitpossible.
Nous pensons
plutôt
que lepic II, correspond
à unetransition
Auger
mettant enjeu
le niveauMlv
et unniveau de la bande de valence
correspondant
à undeuxième maximum de la densité
d’états,
calculé à7,5
eV par Herman[30],
que nous situons à8,5
eV.Le
pic
III moinslarge
que lesprécédents pourrait
être attribué à la transition
X4 --> Xs
dontl’énergie
est13 eV
[30].
On trouve effectivement unesingularité
à 13-14 eV dans les spectres
optiques [28]
et à13,2
eV dans le spectre des pertes discrètes obtenu en réflexion parGornyi [20].
Pics IV et V. - Ils ont été obtenus
également
enphotoémission
par Allen et Gobeli[11],
cequi
lesassocie à des transitions sur la droite 1, ne conservant pas
rigoureusement
le vecteurd’onde ;
ils correspon- dent à des maximums de la densité d’états de la bande de conduction.Pic VI. - On l’observe
également
enphotoémis- sion ;
il peut être attribué à la transition directeL3 - L3
de5,4 eV ;
néanmoinsl’interprétation
entransition non directe est
également possible.
Pic VII. - Il
apparaît
sur les courbes de Palm-berg [7], lorsque
le recouvrement de sodium est de l’ordre d’unemonocouche ;
saposition correspond
àcelle du maximum de la courbe de distribution d’éner-
gie
du sodiummassif ;
nous pensons donc que cepic
n’est pas
caractéristique
du Germanium.Conclusion. - Nous avons mis en évidence l’effet de la
température
sur l’émissionélectronique
secon-daire du Germanium. Tous les résultats obtenus peu- vent
s’expliquer
par l’influence des excitations col- lectives sur lesprofondeurs
d’émission des secondaireset par la contribution des électrons réfléchis inélasti- quement.
552
Nous avons pu voir
également
que les distributionsd’énergie
des secondairesprésentent,
comme cellesdes
photoélectrons,
dessingularités
en liaison avec lastructure
électronique
du solide.Remerciements. - Les auteurs remercient Mon- sieur Pradal Directeur de recherches au C. N. R. S.
qui
s’est intéressé à ce travail et avecqui
ils ont tou-jours
eu de fructueuses discussions.Bibliographie [1] BAZHANOVA (N. P.) and FRIDRIKHOV
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