低能电子束照射接地绝缘薄膜的负带电过程

为揭示低能电子束照射接地绝缘薄膜的负带电过程及其机理,建立了同时考虑电子散射与电子输运的计算模型,综合Monte Carlo方法和有限差分法进行了数值模拟,获得了内部空间电荷、泄漏电流和表面电位随电子束照射的演化规律.结果表明,入射电子因迁移、扩散效应会超越通常的散射区域产生负空间电荷分布,并经过一定的渡越时间后到达接地基板,形成泄漏电流,负带电暂态过程则随着泄漏电流的增加而趋于平衡.在平衡状态下,泄漏电流随电子束能量和电流而增大;薄膜净负电荷量和表面电位随膜厚而增加、随电子迁移率的增大而降低,随着电子束 关键词： 绝缘薄膜 电子束照射 带电效应 数值模拟     

高能电子照射绝缘样品的泄漏电流特性

建立了考虑电子散射、输运、俘获和自洽场的数值计算模型, 研究了高能电子束照射下绝缘厚样品的泄漏电流特性, 并采用一个实验平台测量了泄漏电流. 结果表明: 在电子束持续照射下, 电子总产额会下降; 由于电子在样品内部的输运, 样品近表面呈现微弱的正带电, 在样品内部呈现较强的负带电; 样品内部电子会向下输运形成电子束感生电流, 长时间照射下会形成泄漏电流; 随着照射, 泄漏电流逐渐增大并趋于稳定值; 泄漏电流随样品厚度的增大而减小, 随电子束能量、电子束电流的增大而增大. 关键词： 绝缘样品 泄漏电流 电子产额 数值模拟     

空间多能电子辐照聚合物充电过程的稳态特性

空间同步轨道上多能电子辐照聚合物的充电过程及其稳态特性是研究和抑制通信卫星静电放电的基础.在同步电子散射-输运微观模型的基础上,采用具有10—400 keV积分能谱分布的多能电子辐照聚酰亚胺样品,进行了多能电子辐照聚酰亚胺充电过程的数值模拟,获得了空间电荷密度、空间电位、空间电场分布和聚合物样品参数条件下的表面电位和最大场强.结果表明,多能电子与样品发生散射作用并沉积在样品内形成具有高密度的电荷区域分布,同时在迁移和扩散的作用下输运至样品底部形成样品电流;充电达到稳态、电子迁移率较小时(小于10-10cm2·V-1·s-1),表面电位绝对值和充电强度随电子迁移率的降低明显加强,捕获密度较大时(大于1014cm-3),表面电位绝对值和充电强度随捕获密度的增大明显加强;聚合物样品厚度对表面电位和充电强度的影响大于电子迁移率、捕获密度和相对介电常数的影响.研究结果对于揭示空间多能电子辐照聚合物的充电现象及微观机理、提高航天器故障机理研究水平具有重要科学意义和价值.     

电子辐照电介质样品带电泄放弛豫特性研究

电子照射电介质材料的带电效应对介质微波部件的微放电现象有着重要影响.本文采用数值模拟的方法研究电子照射介质样品带电后的弛豫泄放过程.对入射电子与样品的相互作用考虑了弹性和非弹性碰撞过程,采用蒙特卡罗方法进行数值模拟;对沉积在样品内部的电荷泄漏过程则采用考虑电荷迁移、扩散以及俘获等过程的时域有限差分法进行处理.模拟了介质样品在带电泄放弛豫过程中的内部电荷和电位分布以及弛豫暂态特性,并分析了包括样品厚度、电子迁移率以及俘获密度在内的样品参数对泄放弛豫过程的影响.计算结果表明:在介质样品带电泄放的弛豫过程中,样品内部的总电荷量和表面电位逐渐减弱到一个与俘获密度直接相关的终态值;迁移率的增大会类线性比例地减少泄放时间常数,电荷泄放量随着样品厚度的增加呈现先增后减的趋势,而泄放量比随俘获密度增大从1近指数关系地减小为零.     

电介质/半导体结构样品电子束感生电流瞬态特性

电子束照射下电介质/半导体样品的电子束感生电流(electron beam induced current,EBIC)是其电子显微检测的重要手段.结合数值模拟和实验测量,研究了高能电子束辐照下SiO2/Si薄膜的瞬态EBIC特性.基于Rutherford模型和快二次电子模型研究电子的散射过程,基于电流连续性方程计算电荷的输运、俘获和复合过程,获得了电荷分布、EBIC和透射电流瞬态特性以及束能和束流对它们的影响.结果表明,由于电子散射效应,自由电子密度沿入射方向逐渐减小.由于二次电子出射,净电荷密度呈现近表面为正、内部为负的特性,空间电场在表面附近为正而在样品内部为负,导致一些电子输运到基底以及一些出射二次电子返回表面.SiO2与Si界面处俘获电子导致界面附近负电荷密度高于周围区域.随电子束照射样品内部净电荷密度逐渐降低,带电强度减弱.同时,负电荷逐渐向基底输运,EBIC和样品电流逐渐增大,电场强度逐渐减小.由于样品带电强度较弱,表面出射电流和透射电流随照射基本保持恒定.EBIC、透射电流及表面出射电流均随束流呈现近似正比例关系.对于本文SiO2/Si薄膜,透射电流随束能的升高逐渐增大并接近于束流值,EBIC在束能约15 keV时呈现极大值.     

非聚焦电子束照射SiO2薄膜带电效应

采用考虑电子散射、俘获、输运和自洽场的三维数值模型, 模拟了低能非聚焦电子束照射接地SiO₂薄膜的带电效应. 结果表明, 由于电子的迁移和扩散, 电子会渡越散射区域产生负空间电荷分布. 空间电荷呈现在散射区域内为正, 区域外为负的交替分布特性. 对于薄膜负带电, 电子会输运至导电衬底形成泄漏电流, 其暂态过程随泄漏电流的增加趋于平衡. 而正带电暂态过程随返回二次电子的增多而趋于平衡. 在平衡态时, 负带电表面电位随薄膜厚度、陷阱密度的增大而降低, 随电子迁移率、薄膜介电常数的增大而升高;而正带电表面电位受它们影响较小.     

低速高电荷态重离子辐照的GaN晶体表面X射线光电子能谱研究

利用低速高电荷态Xeq+和Pbq+离子对在蓝宝石衬底上生长的GaN晶体膜样品进行辐照,并利用X射线光电子能谱(XPS)对样品表面化学组成和元素化合态进行了分析.结果表明,高电荷态离子对样品表面有显著的刻蚀作用;经高电荷态离子辐照的GaN样品表面氮元素贫乏而镓元素富集;随着入射离子剂量和所携带电荷数的增大,Ga—Ga键相对含量增大;辐照后,GaN样品中Ga—Ga键对应的Ga3d5/2电子的束缚能偏小,晶格损伤使内层轨道电子束缚能向低端方向偏移.     

电子辐照下GaAs/Ge太阳电池载流子输运机理研究

通过地面模拟辐照试验获得不同能量电子辐照下GaAs/Ge太阳电池电学参数退化的基本规律, 在此基础上使用PC1 D模拟程序分析太阳电池内部的载流子输运机理, 建立不同能量的电子辐照下GaAs/Ge太阳电池中多数载流子浓度和少数载流子扩散长度随辐照粒子注量变化的基本规律. 研究结果表明: 多数载流子浓度和少数载流子扩散长度均随入射电子注量的增大而减小, 多数载流子去除率和少数载流子扩散长度损伤系数均随电子能量的增高而增大, 多数载流子去除效应和少数载流子扩散长度缩短分别是电池开路电压和短路电流退化的主要原因.     

空间电子辐照聚合物的充电特性和微观机理

空间电子辐照聚合物的充电特性和微观机理是研究和防护航天器聚合物充放电特性的基础.采用蒙特卡罗方法模拟空间电子的散射过程,快二次电子模型模拟二次电子的产生,有限差分法求解电荷连续性方程、电流密度方程和泊松方程的电荷输运过程,俘获过程基于Poole-Frenkel效应来实现.基于电子散射/输运同步模型基础,结合法国国家航空航天科研局(ONERA)的地球同步轨道电子能谱分布理论公式和欧空局(SIRENE)机构的地面实验方法,建立了基于地球同步轨道电子能谱分布的空间多能电子的散射模型.通过空间电子辐照聚合物充电过程的数值模拟,获得了空间电荷密度、电位、电场和空间电位分布.阐明了空间电子辐照聚合物的充电特性和样品微观参数与表面电位的关联性.表面电位特性与实验结果相吻合,单能电子的电位强度高于多能电子的电位.充电达到稳态时,电子迁移率较小时(小于10~(–11)cm~2·V~(–1)·s~(–1)),空间电位绝对值随电子迁移率的降低明显加强;复合率较大时(大于10~(–14)cm~3·s~(–1)),空间电位绝对值随复合率的增大而增大.研究结果对于揭示空间电子辐照聚合物的充电特性和微观机理、提高航天器充放电故障机理研究水平具有重要科学意义和价值.     

入射电子能量对低密度聚乙烯深层充电特性的影响

高能带电粒子与航天器介质材料相互作用引起的深层带电现象, 一直是威胁航天器安全运行的重要因素之一. 考虑入射电子在介质中的电荷沉积、能量沉积分布以及介质中的非线性暗电导和辐射诱导电导, 建立了介质深层充电的单极性电荷输运物理模型. 通过求解电荷连续性方程和泊松方程, 可以得出不同能量 (0.1–0.5 MeV) 电子辐射下, 低密度聚乙烯 (厚度为1 mm) 介质中的电荷输运特性. 计算结果表明, 不同能量的电子辐射下, 介质充电达到平衡时, 最大电场随入射能量的增加而减小; 同一能量辐射下, 最大电场随束流密度的增大而增加. 入射电子能量较低时 (≤ 0.3 MeV) , 最大电场随束流密度的变化趋势基本相同. 具体表现为: 当束流密度大于3× 10^-9 A/m²时, 最大场强超过击穿阈值2×10⁷ V/m, 发生静电放电 (ESD) 的可能性较大. 随着入射电子能量的增加, 发生静电放电 (ESD) 的临界束流密度增大, 在能量为0.4 MeV时, 临界束流密度为6×10^-8 A/m². 当能量大于等于0.5 MeV时, 在束流密度为10^-9–10^-6 A/m²的范围内, 均不会发生静电放电 (ESD) . 该物理模型对于深入研究深层充放电效应、评估航天器在空间环境下 深层带电程度及防护设计具有重要的意义. 关键词： 高能电子辐射 低密度聚乙烯(LDPE) 介质深层充电 电导特性     

Characteristics of charge and discharge of PMMA samples due to electron irradiation

In this study, using a comprehensive numerical simulation of charge and discharge processes, we investigate the formation and evolution of negative charge and discharge characteristics of a grounded PMMA film irradiated by a nonfocused electron beam. Electron scattering and transport processes in the sample are simulated with the Monte Carlo and the finite-different time-domain(FDTD) methods, respectively. The properties of charge and discharge processes are presented by the evolution of internal currents, charge quantity, surface potential, and discharge time. Internal charge accumulation in the sample may reach saturation by primary electron(PE) irradiation providing the charge duration is enough. Internal free electrons will run off to the ground in the form of leakage current due to charge diffusion and drift during the discharge process after irradiation, while trapped electrons remain. The negative surface potential determined by the charging quantity decreases to its saturation in the charge process, and then increases in the discharge process. A larger thickness of the PMMA film will result in greater charge amount and surface potential in charge saturation and in final discharge state, while the electron mobility of the material has little effects on the final discharge state. Moreover,discharge time is less for smaller thickness or larger electron mobility. The presented results can be helpful for estimating and weakening the charging of insulating samples especially under the intermittent electron beam irradiation in related surface analysis or measurement.     

Self-consistent charging in dielectric films under defocused electron beam irradiation

We clarify the transient and equilibrium charging characteristics of grounded dielectrics due to low-energy defocused electron beam irradiation by a three-dimensional self-consistent simulation model. The model incorporates the electron scattering, transport and trapping. Results show that some electrons can arrive at the grounded substrate due to the internal field and density gradient, forming the leakage current. The transient charging process tends to equilibrium as the surface potential decreases and the leakage electron current increases. The positive and negative space charges are distributed alternately along the beam incident direction. In the equilibrium state, the surface potential and leakage electron current decrease to stable values with increasing film thickness and the trap density, but with decreasing electron mobility. Moreover, the surface potential of the dielectric thin film exhibits a maximum negative value with variation of the beam energy; for example, under the condition of the film thicknesses 0.5 μm and 2 μm, the maximum negative values of surface potentials are -13 V and -98 V in beam energies 2 keV and 3.5 keV, respectively. However, for the thick film, the surface potential decreases with the increase in beam energy.     

Analysis of microscopic parameters of surface charging in polymer caused by defocused electron beam irradiation

The relationship between microscopic parameters and polymer charging caused by defocused electron beam irradiation is investigated using a dynamic scattering-transport model. The dynamic charging process of an irradiated polymer using a defocused 30 keV electron beam is conducted. In this study, the space charge distribution with a 30 keV non-penetrating e-beam is negative and supported by some existing experimental data. The internal potential is negative, but relatively high near the surface, and it decreases to a maximum negative value at z = 6 μm and finally tend to 0 at the bottom of film. The leakage current and the surface potential behave similarly, and the secondary electron and leakage currents follow the charging equilibrium condition. The surface potential decreases with increasing beam current density, trap concentration, capture cross section, film thickness and electron–hole recombination rate, but with decreasing electron mobility and electron energy. The total charge density increases with increasing beam current density, trap concentration, capture cross section, film thickness and electron–hole recombination rate, but with decreasing electron mobility and electron energy. This study shows a comprehensive analysis of microscopic factors of surface charging characteristics in an electron-based surface microscopy and analysis.     

高能电子辐照绝缘厚样品的表面电位动态特性

采用数值计算和实验测量相结合的方法, 阐明了高能电子束照射下绝缘厚样品的表面电位和电子产额动态特性. 结果表明: 由于电子在样品内部的散射和输运, 沿着深度方向, 空间电位先缓慢下降到最小值, 然后逐渐升高并趋近于零; 随着电子束照射, 样品的表面电位逐渐下降, 可至负千伏量级, 电子总产额逐渐增大至一个接近于1的稳定值; 电子束停止照射后, 长时间放置下, 表面电位将逐渐升高, 但带电并不会消除; 表面电位随电子束能量的升高近似线性下降, 随入射角的增大而升高, 而随样品厚度的增大仅略有下降.     

Mechanisms of charging of insulators under irradiation with medium-energy electron beams

The electron emission and charge characteristics of a large number of massive insulators are investigated qualitatively and quantitatively. It is demonstrated that irradiation of insulators with a medium-energy continuous electron beam leads to a decrease in the equilibrium energy of incident electrons (the second critical energy) as compared to the theoretical value. The equilibrium state of charging to saturation is attained for times from several seconds to several hundred seconds depending on the irradiation current density, the electron energy, and the insulator material. The mechanisms of charging are explained in the framework of the model according to which irradiation is accompanied by the formation of a charged double layer that consists of a positively charged layer (with the thickness equal to the escape depth of secondary electrons) and a negatively charged layer (with the thickness equal to the penetration depth of primary electrons).