Θεωρία Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Εγγύς Πεδίου

Abstract

Η ηλεκτρονική μικροσκοπία εγγύς πεδίου (Near Field Emission Scanning Electron Microscopy-NFESEM) αποτελεί μία νέα μορφή ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης που αναπτύχθηκε τα τελευταία έξι χρόνια. Είναι πολλά υποσχόμενη καθώς έχει δυνατότητες λήψης εικόνων ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (Scanning Electron Microscopy - SEM) με σχεδόν ισοδύναμη διακριτική ικανότητα χωρίς να χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητικούς φακούς εστίασης, που αποτελούν σημαντικό κομμάτι του κόστους ενός SEM. Αυτό επιτυγχάνεται με τοποθέτηση της καθόδου σε απόσταση d μερικών nm από το δείγμα (στο SEM είναι της τάξης των cm) και χρήση εξαιρετικά αιχμηρών ακίδων-εκπομπών.Το χαρακτηριστικά αυτά του NFESEM γεννούν σημαντικά ερωτήματα ως προς τα βασικά χαρακτηριστικά της πεδιακής εκπομπής ηλεκτρονίων (Field Emission-FE), τα οποία η υπάρχουσα θεωρία FE αδυνατεί να απαντήσει επαρκώς. Στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι να μελετήσει θεωρητικά την FE όταν η απόσταση d είναι πολύ μικρή (μερικά nm) και οι εκπομποί είναι εξαιρετικά αιχμηροί (ακτίνες καμπυλότητας R~1-20nm).Στο πρώτο κεφάλαιο αναπτύσσεται η υπάρχουσα θεωρία της FE (θεωρία Fowler-Nordheim ή F-N) και τα θεωρητικά εργαλεία που θα χρησιμοποιηθούν, στο δεύτερο οι τεχνολογικές εφαρμογές της FE με έμφαση στη λειτουργία του NFESEM. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετάται η κατανομή του ρεύματος FE με έμφαση στην πρόβλεψη του εύρους της δέσμης του NFESEM, που καθορίζει τη διακριτική του ικανότητα. Χρησιμοποιώντας ελλειψοειδή για την προσομοίωση του εκπομπού και τρισδιάστατη θεωρία για το φαινόμενο σήραγγας επιτυγχάνεται η πρόβλεψη του εύρους της δέσμης τη NFESEM συναρτήσει των παραμέτρων λειτουργίας του η οποία είναι σε πολύ καλή συμφωνία με το πείραμα.Στο τέταρτο κεφάλαιο μελετώνται και εξηγούνται θεωρητικά οι ιδιότητες κλιμάκωσης τάσης-απόστασης του οργάνου που παρατηρήθηκαν πειραματικά. Αποδεικνύεται αριθμητικά και αλγεβρικά ότι το δυναμικό κοντά στον εκπομπό παραμένει αμετάβλητο για όλες τις αποστάσεις, αν πολλαπλασιαστεί η τάση με κατάλληλη σταθερά, σε συμφωνία με τις πειραματικές μετρήσεις τάσης-ρεύματος-απόστασης.Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο γενικεύεται η θεωρία F-N. Ξεκινώντας από βασικές αρχές και εφαρμόζοντας προσεγγίσεις γενικής ισχύος, εξάγεται μία γενικευμένη εξίσωση «τύπου-F-N» για την περιγραφή της FE από αιχμηρές ακίδες. Με εφαρμογή της εξίσωσης σε πειραματικά δεδομένα εξάγεται αξιόπιστα η ακτίνα καμπυλότητας του εκπομπού.