CN113495082B - 二次电子发射系数测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种二次电子发射系数测量装置，包括：一扫描电子显微镜，具有一电子发射端以及一腔室，该电子发射端用于发射电子束；一第一收集板，具有一第一通孔；一第二收集板，具有一第二通孔；一第一电流计，用于测试从待测样品打到第一收集板和第二收集板的电子的电流强度；一法拉第杯，具有一电子入口；一第二电流计，用于测量进入到法拉第杯的电子的电流强度；以及一电压表，用于测量所述第一收集板与待测样品之间的电压。该第二收集板与第一收集板平行且间隔设置于腔室内，待测样品放置在第一收集板和第二收集板之间。该第一通孔、第二通孔以及电子入口贯穿设置，所述电子束依次穿过第一通孔、第二通孔后进入到所述法拉第杯中。

Description

二次电子发射系数测量装置
技术领域
本发明涉及一种二次电子发射系数测量装置。
背景技术
二次电子发射是指用电子流或离子流轰击物体表面，使之发射电子的过程。发射的电子叫次级电子或二次电子。二次电子一般都是在表层5～10nm深度范围内发射出来的，它对样品的表面形貌十分敏感，因此，二次电子发射现象能非常有效的显示样品的表面形貌。二次电子的原理被应用在电子倍增管、光电倍增管、微通道板、法拉第杯与戴利侦测器等侦测元件，也用在扫描电子显微镜等电子成像元件。随着电子技术的飞速发展，二次电子发射现象越来越受到人们的广泛关注。
二次电子发射系数为发射的二次电子与注入电子的比例，其是衡量二次电子发射现象的一个重要物理参数。不同情况下对二次电子发射系数的要求并不相同。例如，在光电倍增管和电子倍增器中，希望二次电子发射系数越大越好。然而，在栅控电子管以及高压电子管中，则希望二次电子发射系数越小越好，最好二次电子发射现象不要发生。因此，二次电子发射系数测量装置对准确性的要求较高。
然而，现有的二次电子发射系数测量装置，在测量过程中无法去除由其它方式产生的从表面逸出的低能电子(伪二次电子)。即，现有的二次电子发射系数测量装置无法区分伪二次电子与二次电子，因此导致现有的测量装置测得的二次电子发射系数准确性较低。而且现有的二次电子发射系数测量装置具有只能测量尺寸较大的三维体型材料的二次电子发射系数的问题。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种准确性较高的二次电子发射系数测量装置。
一种二次电子发射系数测量装置，包括：
一扫描电子显微镜，该扫描电子显微镜包括一电子发射端以及一腔室，该电子发射端用于发射电子束；
一第一收集板，该第一收集板包括一第一通孔；
一第二收集板，该第二收集板包括一第二通孔，该第二收集板与该第一收集板平行且间隔设置于所述腔室内，待测样品放置在所述第一收集板和第二收集板之间；
一第一电流计，用于测试高能电子束打到待测样品之后，从待测样品表面逸出并打到第一收集板和第二收集板的电子的电流强度；
一法拉第杯，该法拉第杯位于所述腔室内，该法拉第杯包括一电子入口，该电子入口与第一通孔、第二通孔相互贯穿，所述电子束依次穿过所述第一通孔第二通孔及电子入口之后进入到所述法拉第杯中；
一第二电流计，用于测量进入到法拉第杯的电子的电流强度；以及
一电压表，用于测量所述第一收集板与待测样品之间的电压。
相较于现有技术，本发明所提供的二次电子发射系数测量装置能够准确区分二次电子信号与其它伪二次电子信号，并排除伪二次电子信号，获得“净”二次电子发射系数，因此，本发明的二次电子发射系数测量装置测得的二次电子系数准确性比较高。而且，本发明提供的二次电子发射系数测量装置可以测量纳米尺寸的二维材料的二次电子发射系数。
附图说明
图1为本发明实施例提供的二次电子发射系数测量装置的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的二次电子发射系数的测量方法的流程图。
图3为采用图2中的二次电子发射系数的的测量方法测得的在不同加速电压下第一收集板和待测样品之间的电流I2与第一收集板和待测样品之间施加电压的变化曲线。
图4为采用现有的二次电子发射系数的测量方法得到的金属钼在不同加速电压下的二次电子发射系数。
图5为采用本发明实施例提供的二次电子发射系数的测量方法得到的金属钼在不同加速电压下的二次电子发射系数。
主要元件符号说明
二次电子发射系数测量装置 100
扫描电子显微镜 10
电子发射端 102
第一收集板 20
第一通孔 202
第二收集板 30
第二通孔 302
第一电流计 40
第二电流计 50
电压表 60
法拉第杯 70
电子入口 702
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的二次电子发射系数测量装置进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种二次电子发射系数测量装置100，其包括：一扫描电子显微镜10，一第一收集板20，一第二收集板30，一第一电流计40，一第二电流计50，一电压表60，以及一法拉第杯70。
所述扫描电子显微镜10具有一电子发射端102，用于发射高能电子束。所述第一收集板20包括一第一通孔202，所述第二收集板30包括一第二通孔302。所述法拉第杯70包括一电子入口702，该第一通孔202、第二通孔302与电子入口702贯穿设置。所述第一收集板20和所述第二收集板30相互平行且间隔设置于扫描电子显微镜10的腔室内，所述第一收集板20和所述第二收集板30用于收集电子。测量时，待测样品设置于所述第一收集板20和所述第二收集板30之间，所述第一电流计40的一个接线柱与第一收集板20相连，所述第一电流计40的另一个接线柱与待测样品相连。高能电子束打到待测样品之后，有电子从待测样品的表面逸出，所述第一电流计40用于测试从从待测样品表面逸出的电子中打到第一收集板20和第二收集板30的电子的电流强度。所述电压表60的一个接线柱与所述第一收集板20相连，另一个接线柱与待测样品相连。所述电压表60用于测试该第一收集板20与待测样品之间的电压差。所述法拉第杯70位于扫描电子显微镜10的腔室内。所述第二电流计50的一端与所述法拉第杯70相连，另一端接地，用于测试扫描电子显微镜10的电子发射端102发射的高能电子束依次穿过所述第一通孔202以及第二通孔302，以及电子入口702之后进入至法拉第杯70的电子的电流强度。
所述扫描电子显微镜10的型号不限。本实施例中，所述扫描电子显微镜10为FEINova 450。所述扫描电子显微镜10的电子发射端102发射的高能电子束的直径根据实际需要进行限定。本发明中，由于所述扫描电子显微镜10的电子发射端102发射的高能电子束的聚焦束斑直径较小，可以达到几纳米，该二次电子发射系数测量装置10可以测得待测样品的较小局部区域的电子发射系数。因此，该二次电子发射系数测量装置10可以测得面积较小的待测样品的二次电子发射系数。例如，可以测量纳米尺寸的二维材料的二次电子发射系数，克服了现有的二次电子发射系数测量装置只能测量尺寸较大的三维体型材料的二次电子发射系数的问题。例如，所述二次电子发射系数测量装置10可以测量面积在100平方纳米以下的二维材料的二次电子发射系数。在一些实施例中，所述二次电子发射系数测量装置10可以测量面积大于等于10平方纳米小于等于50平方纳米的二维材料的二次电子发射系数。本实施例中，所述待测样品为一宏观尺寸的二维金属钼。本实施例中，所述扫描电子显微镜10的电子发射端102发射的高能电子束的的聚焦束斑直径为10纳米。
所述第一收集板20的尺寸根据实际需要进行设计。所述第一收集板20的材料为导电材料，包括金属、导电聚合物、锑锡氧化物(ATO)、石墨或铟锡氧化物(ITO)等。本实施例中，所述第一收集板20为一铜板，该铜板的形状为正方形，边长为1.5厘米。
所述第二收集板30的尺寸根据实际需要进行设计。所述第二收集板30的材料为导电材料。例如，金属、导电聚合物、锑锡氧化物(ATO)、石墨或铟锡氧化物(ITO)等。所述第二收集板30的尺寸和材料与所述第一收集板20的尺寸和材料可以相同也可以不同。本实施例中，所述第二收集板30为一铜板，该铜板的形状为正方形，边长为1.5厘米。所述第一收集板20的第一通孔202与所述第二收集板30的第二通孔302贯穿设置，以保证扫描电子显微镜10的电子发射端发射的高能电子束能够依次穿过所述第一通孔202以及第二通孔302之后进入至法拉第杯70中。所述第二收集板30与所述第一收集板20的间隔距离根据实际需要进行限定。优选的，所述第二收集板30与所述第一收集板20的间隔距离大于等于80微米小于等于120微米。本实施例中，所述第二收集板30与所述第一收集板20的间隔距离为100微米。
由于二维材料一般是单原子层或者几个原子层，因此，当二维材料被高能电子束轰击时，在二维材料的上下表面都会有二次电子逸出。本发明中采用两个相对设置的第一收集板20和第二收集板30，当测量二维材料的二次电子发射系数时，待测二维材料放置在第一收集板20和第二收集板30之间，通过将第一收集板20和第二收集板30短接收集到所有的二次电子，避免有二次电子被漏掉的情况，进而提高所述二次电子发射系数测量装置100的测量准确度。
所述第一电流计40，第二电流计50以及电压表60可以集成到一块源表上，也可以采用单独的电流表和电压表。本实施例中，所述第一电流计40，第二电流计50以及电压表60集成到一块源表上，该源表的型号为源表(Agilent B2902A)。可以理解，所述源表并不限定于本实施例中的源表，也可以为现有的其它源表。
当所述第一电流计40和第二电流计50采用单独的电流计时，所述第一电流计40和所述第二电流计50可以为现有的电流计。只要所述第一电流计40可以测试从待测样品打到第一收集板20和第二收集板30的电子的电流强度即可。所述第二电流计50可以测量所述扫描电子显微镜10的电子发射端102发射的高能电子束依次穿过第一收集板20、第二收集板30进入到法拉第杯70形成的注入电流即可。所述电压表60可以为现有的电压表，只要能够测量该第一收集板20与待测样品的电压差即可。
可以理解，所述二次电子发射系数测量装置100还包括一电压提供单元(图未示)，该电压提供单元用于在待测样品与所述第一收集板20之间施加电压。本实施例中，该电压提供单元为一外接电源。
所述二次电子发射系数测量装置100可进一步包括一固定元件(图未示)，用于将待测样品固定在第一收集板20和第二收集板30之间。
本发明提供的二次电子发射系数测量装置可以测量纳米尺寸的二维材料的二次电子发射系数。克服了现有的二次电子发射系数测量装置只能测量尺寸较大的三维体型材料的二次电子发射系数的问题。本发明提供的二次电子发射系数测量装置，通过在第一收集板和第二收集板之间施加50eV的电压，可以准确区分二次电子信号与其它信号，并可以得到待测样品被高能电子束打到之后，待测样品表面逸出的二次电子之外的其它电子的电流；通过再次调节第一收集板和第二收集板之间的电压，可以排除伪二次电子信号，能够获得“净”二次电子信号的体系，进而得到准确的二次电子发射系数；而且，本发明中采用两个相对设置的第一收集板和第二收集板，当测量二维材料的二次电子发射系数时，待测样品放置在第一收集板和第二收集板之间，通过将第一收集板和第二收集板短接可以收集到待测样品上下表面逸出的所有的二次电子，进而避免了有二次电子漏掉的情况，因此，本发明的二次电子发射系数测量装置测得的二次电子系数准确性比较高。本发明的二次电子发射系数测量装置的信噪比较低，不需要在待测样品的表面积碳，克服了现有二次电子发射系数测量装置中在待测样品的表面积碳影响二次电子发射系数的测量准确度的问题。本发明的二次电子发射系数测量装置具有合理的电学设计，而且结构简单。
本发明第二实施例还进一步提供一种二次电子发射系数的测量方法，该二次电子发射系数的测量方法采用上述二次电子发射系数测量装置100实施。
请参阅图2，该二次电子发射系数的测量方法包括以下步骤：
步骤S1，提供所述二次电子发射系数测量装置100，利用所述扫描电子显微镜10的电子发射端发射高能电子束，该高能电子束依次穿过所述第一收集板20的第一通孔202、第二收集板30的第二通孔302进入到所述法拉第杯70，并通过所述第二电流计50测得进入到法拉第杯中的高能电子束形成的注入电流I注入电流；
步骤S2，将所述第一收集板20和第二收集板30短接，并将待测样品放置在所述第一收集板20和第二收集板30之间，然后在待测样品与所述第一收集板20之间施加50伏正电压，其中，待测样品的电压相对于所述第一收集板20的电压为正电压，此时，产生的二次电子无法逸出待测样品，第一收集板20和第二收集板30上无法收集到二次电子信号，即，二次电子形成的电流ISE理论上为0，采用第一电流计40测量待测样品和第一收集板20之间的电流I1，此时，第一电流计的背景电流IBG1可忽略，根据公式I1＝IBG1+Iothers+ISE，求得二次电子之外的其它电子的电流Iothers；
步骤S3，继续将所述第一收集板20和第二收集板30短接，然后在第一收集板20和待测样品之间施加一正电压，其中，第一收集板20的电压相对于待测样品的电压为正电压，采用第一电流计40测量第一收集板20和待测样品之间的电流I2，此时，第一电流计的背景电流IBG2可忽略，根据公式I2＝IBG2+Iothers+ISE，求得二次电子形成的电流ISE；以及
步骤S4，根据公式
Figure BDA0002418428580000071
求得二次电子发射系数δ。
步骤S1中，所述二次电子发射系数测量装置100与第一实施例中的二次电子发射系数测量装置100完全相同，再此不再赘述。
所述注入电流I注入电流的大小与所述扫描电子显微镜10的电子发射端发射的高能电子束的能量大小有关。本实施例中，所述扫描电子显微镜10的电子发射端发射的高能电子束的的聚焦束斑直径为10纳米，所述第二电流计50测得的高能电子束形成的电流I注入电流为300pA左右。可以理解，所述扫描电子显微镜10的电子发射端发射的高能电子束的的聚焦束斑直径的大小和注入电流的大小并不限定于本实施例中，可以根据实际情况设定。
由于所述扫描电子显微镜10的电子发射端发射的高能电子束的聚焦束斑直径较小，可以达到几纳米，该二次电子发射系数的测量方法可以测得待测样品的较小局部区域的电子发射系数。因此，该二次电子发射系数的测量方法可以测得面积较小的待测样品的二次电子发射系数，例如可以测量纳米尺寸的二维材料的二次电子发射系数。克服了现有的二次电子发射系数测量方法只能测量尺寸较大的三维体型材料的二次电子发射系数的问题。例如，所述二次电子发射系数的测量方法可以测量面积在100平方纳米以下的二维材料的二次电子发射系数。在一些实施例中，所述二次电子发射系数的测量方法可以测量面积大于等于10平方纳米小于等于50平方纳米的二维材料的二次电子发射系数。
步骤S2中，本实施例中，所述待测样品为二维的金属钼。所述第一收集板20和第二收集板30可以直接采用一导线短接。
将所述第一收集板20和第二收集板30短接，将金属钼放置在第一收集板20和第二收集板30之间，然后在待测样品与所述第一收集板20之间施加一50伏电压。由于广义上，能量小于50eV的电子称为二次电子，能量大于50eV的电子不是二次电子。所以，当待测样品和第一收集板20之间施加一50伏电压时，产生的二次电子是无法逸出待测样品的，此时，第一收集板20以及第二收集板30上无法收集到二次电子信号，即，二次电子形成的电流ISE理论上为0。又因为背景电流IBG1可忽略，因此读取第一电流计40测量的待测样品和第一收集板20之间的电流I1，根据公式I1＝IBG1+Iothers+ISE，求得二次电子之外的其它电子的电流Iothers；
本实施例中，在待测样品与所述第一收集板20之间施加50伏正电压，其中，第一收集板20电压为0V，待测样品的电压为50伏。可以理解，所述第一收集板20以及待测样品的电压并不限定于本实施例中，只要确保待测样品与第一收集板20之间的电压差为正50伏即可。所述待测样品与所述第一收集板20之间施加的正电压通过所述电压表60读取。
步骤S3中，所述第一收集板20和第二收集板30可以继续采用步骤S2中的导线短接。然后在第一收集板20和待测样品之间施加一正电压，该正电压为第一收集板20和待测样品之间测得电流I2达到饱和时的正电压。随着在第一收集板20和待测样品之间施加的正电压增加，电流I2会先增大后保持不变。所述电流I2达到饱和是指电流I2不再随着第一收集板20和待测样品之间施加的正电压的增加而增加，即使在第一收集板20和待测样品之间施加的正电压继续增加，第一收集板20和待测样品之间测得电流I2也不会再发生变化。这是由于随着施加正电压的增加，第一收集板20和第二收集板30收集到的二次电子也逐渐增多，此时，第一收集板20和待测样品之间测得电流I2逐渐增大；当产生的二次电子被第一收集板20和第二收集板30完全收集之后，即使在第一收集板20和待测样品之间施加的正电压继续增加，第一收集板20和待测样品之间测得电流I2也不会再发生变化，此时电流I2达到饱和，此时的正电压定义为步骤S3中的正电压。本实施例中，当第一收集板20和待测样品之间的正电压为20V左右时，第一收集板20和待测样品之间测得电流I2饱和。
本实施例中，在第一收集板20和待测样品之间施加一正电压，其中，待测样品的电压为0V。可以理解，所述待测样品的电压并不限定于本实施例中，只要确保第一收集板20和待测样品之间施加一正电压，该正电压为使第一收集板20和待测样品之间测得电流I2达到饱和时的正电压即可。所述在第一收集板20和待测样品之间施加的正电压大小通过所述电压表60读取。采用一电压提供单元对步骤S2中的待测样品与所述第一收集板20之间施加50伏正电压，以及步骤S3中的第一收集板20和待测样品之间施加正电压。本实施例中，该电压提供单元为一外接电源。
请参阅图3，为采用本发明实施例的测量方法测得的在不同的加速电压下电流I2随着第一收集板20和待测样品之间施加的正电压的变化曲线。由图中可以看出，随着施加的正电压的增大，电流I2逐渐增加，当施加的正电压为20V左右时，电流I2饱和。另外，由图3还可以看出，加速电压越高，第一收集板20和待测样品之间施加相同的正电压时，第一收集板20和待测样品的电流I2越大，这是由于较高加速电压下的电子束能量也相应较高，轰击至待测样品表面时，作用距离也较大，产生的二次电子数量较多。
请参阅图4和图5，图4为为采用现有的测量方法得到的金属钼在不同加速电压下的二次电子发射系数，图5为采用本发明实施例的测量方法得到的金属钼在不同加速电压下的二次电子发射系数。对比图4和图5可以看出，在相同的加速电压下，采用本发明的测量方法得到的金属钼的二次电子发射系数均小于采用现有的测量方法得到的金属钼的二次电子发射系数，一方面，是由于本发明的测量方法去除了由其它方式产生的从表面逸出的伪二次电子；另一方面，本发明的测量方法中，没有在待测样品的表面积碳，进而避免了样品表面的积碳效应对二次电子发射系数的影响。因此，本发明的二次电子发射系数的测量方法的准确度更高。
本发明提供的二次电子发射系数的测量方法可以测量纳米尺寸的二维材料的二次电子发射系数。克服了现有的二次电子发射系数测量方法只能测量尺寸较大的三维体型材料的二次电子发射系数的问题。本发明提供的二次电子发射系数的测量方法能够排除伪二次电子信号，获得“净”二次电子发射系数，而且，本发明中采用两个相对设置的第一收集板和第二收集板，当测量二维材料的二次电子发射系数时，待测样品放置在第一收集板和第二收集板之间，通过将第一收集板和第二收集板短接可以收集到待测样品上下表面逸出的所有的二次电子，进而避免了有二次电子漏掉的情况，因此，本发明的二次电子发射系数测量方法测得的二次电子系数准确性比较高。本发明的二次电子发射系数的测量方法中，不需要在待测样品的表面积碳，克服了现有二次电子发射系数的测量方法中在待测样品的表面积碳影响二次电子发射系数的测量准确度的问题。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种二次电子发射系数测量装置，其特征在于，包括：
一扫描电子显微镜，该扫描电子显微镜包括一电子发射端以及一腔室，该电子发射端用于发射电子束；
一第一收集板，该第一收集板包括一第一通孔；
一第二收集板，该第二收集板包括一第二通孔，该第二收集板与该第一收集板平行且间隔设置于所述腔室内，待测样品放置在所述第一收集板和第二收集板之间；
一第一电流计，用于测试高能电子束打到待测样品之后，从待测样品表面逸出并打到第一收集板和第二收集板的电子的电流强度；
一法拉第杯，该法拉第杯位于所述腔室内，该法拉第杯包括一电子入口，该电子入口与第一通孔、第二通孔相互贯穿，所述电子束依次穿过所述第一通孔第二通孔及电子入口之后进入到所述法拉第杯中；
一第二电流计，用于测量进入到法拉第杯的电子的电流强度；
一电压表，用于测量所述第一收集板与待测样品之间的电压；以及
一电压提供单元，该电压提供单元用于在待测样品与所述第一收集板之间施加电压，首先，在待测样品与所述第一收集板之间施加50伏正电压，其中，待测样品的电压相对于所述第一收集板的电压为正电压时，产生的二次电子无法逸出待测样品，然后，在所述第一收集板和待测样品之间施加正电压，其中，第一收集板的电压相对于待测样品的电压为正电压。
2.如权利要求1所述的二次电子发射系数测量装置，其特征在于，所述待测样品为二维材料，其面积大于等于10平方纳米小于等于50平方纳米。
3.如权利要求1所述的二次电子发射系数测量装置，其特征在于，所述待测样品为二维的金属钼。
4.如权利要求1所述的二次电子发射系数测量装置，其特征在于，所述扫描电子显微镜的电子发射端发射的高能电子束的聚焦束斑直径为10纳米。
5.如权利要求1所述的二次电子发射系数测量装置，其特征在于，所述第二收集板与所述第一收集板的间隔距离大于等于80微米小于等于120微米。
6.如权利要求1所述的二次电子发射系数测量装置，其特征在于，所述第一电流计，第二电流计以及电压表集成到一块源表上。
7.如权利要求1所述的二次电子发射系数测量装置，其特征在于，所述第一收集板为一铜板。
8.如权利要求1所述的二次电子发射系数测量装置，其特征在于，所述第二收集板为一铜板。
9.如权利要求1所述的二次电子发射系数测量装置，其特征在于，进一步包括一固定元件，所述待测样品通过该固定元件固定在第一收集板和第二收集板之间。
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