摘要：　论述了低能电子诱导脱附的物理过程和理论机制，分析了脱附截面的相关因素并对电子诱导脱附中的物理现象作了解释。简述了低能电子诱导脱附的应用。
关键词：位势　解吸　电子诱导脱附
1　引　言　　
　　在真空科学与表面科学中，荷能粒子与表面的相互作用占有非常重要的地位。它不仅是一些真空获得设备、真空测量仪器的依据，而且，它还是各种表面分析技术的基础^［1］。电子与表面的相互作用是荷能粒子与表面的相互作用的重要的组成部分。电子与表面的相互作用包括电子在表面的弹性散射和非弹性散射，电子诱导脱附，电子轰击加热，以及各种表面化学反应。电子诱导脱附是指固体表面的吸附分子因受到电子激发或离解而引起的脱附现象。脱附的产物可有激发的中性粒子、分子、原子、正负离子以及各种离解碎片等。对电子诱导脱附的理论研究在真空获得、真空测量及表面分析中都有非常重要的意义。

2　低能电子诱导脱附的物理机制
2．1　电子与分子相互作用的经典理论
　　将电子与分子分别看成刚性小球，用经典物理的方法，计算电子与分子发生弹性碰撞和非弹性碰撞时所交换的能量。设初始能量为E₀的电子的质量为m，发生碰撞前的速度为v，与分子发生碰撞后速度变为u；设分子的质量为M，发生碰撞前，由于分子被吸附于固体表面上，分子的速度可视为O，与电子发生碰撞后速度变为U；在不影响物理意义的前提下，可以只考虑电子与分子发生对心碰撞的情况。当电子与分子发生弹性碰撞时，弹性碰撞过程应遵循动量守恒定律和动能守恒定律：

　　解此联立方程组，可以得到： 　　则分子在此弹性碰撞中所得到的能量E为：
当电子与分子发生非弹性碰撞时，非弹性碰撞过程应遵循动量守恒定律。假设电子由于与分子的碰撞而失去所有的动能，即电子速度变为0，则：
mv＝MU从而有：
由于分子质量M远远大于电子质量m，故分子无论是在此弹性碰撞中，还是在此非弹性碰中所得到的动能都很小，甚至分子在此非弹性碰撞中所得到的动能，比在此弹性碰撞中所得到的动能还要小。
　　典型的物理吸附热约为0．01～0．6 eV，化学吸附热约为1～8 eV，双原子分子的离解能约为4～10 eV^［1］，而在电子能量很低的情况下，例如10～15 eV，就有大量的气体解吸了^［2］。而且，当电子轰击表面有氧化物薄层或者化学吸附气体的零件时，只有在电子轰击能量一定时，通常为250～300 eV，才能看到放气的峰值^［2］。从吸附层O₂脱附释出的O^＋有高达7 eV的平均动能^［1］，而可能性最大的能量是8 eV^［2］。从电子与分子相互碰撞的经典理论出发，当电子能量为10～15 eV时，电子交给分子的动能只有大约0．02～0．04 eV，只能使得很弱的物理吸附的分子解吸，根本不可能引起大量的气体分子解吸现象。同时，也无法解释入射电子能量为300 eV左右时（此时电子交给分子的动能约为0．6 eV，还不足以引起化学吸附的分子脱附），出现的放气峰值现象，更无法解释脱附释出的正离子具有如此高的能量。因此，只是将电子与分子看成刚性小球的经典物理的方法，在解释电子诱导脱附的基本过程时遇到了困难。　　
2．2　电子诱导脱附的基本过程

   （1）福朗克－康登原理
　　福朗克与康登表述了一个原则并论证了它。按照这一原则，电子跃迁、电子层状态的改变与核振动相比是发生得如此之快，以致当电子跃迁时，无论是核运动的速度或它的位置都来不及改变^［3］。也就是说，在电子与分子相互作用的过程中，将电子与分子看成刚性小球的相互碰撞的“机械”过程与入射电子同分子内部的电子相互作用的“电磁”过程相比，前者的作用实际上是可以忽略的。
    （2）电子与电子的相互作用
　　入射电子不仅同被吸附分子的外围电子相互作用，而且也同被吸附分子的内层电子相互作用。这种相互作用可以使得被吸附分子得到或失去电子，即使得被吸附分子成为负离子或正离子，也可以使得被吸附分子激活，即使得被吸附分子内部的电子跃迁到更高的量子态的能级上去。这种相互作用还可以使结合电子的状态发生改变，使原子核之间的引力变为斥力。在这些相互作用过程中，常常伴随有电磁辐射以及次级电子发射。

    （3）电子诱导下分子脱附的物理过程
　　由于固体表面物质结构的周期性的破坏以及表面分子的键的不饱和性，在固体表面存在位势。被固体表面吸附的气体分子都是处于固体表面的势垒中，在吸附与脱附动态平衡后，被吸附的气体分子就处在固体表面位场中的一个特定的平衡位置上。图1是处于基态的分子的势能曲线与处于激发态的分子的势能曲线图。其中，横坐标表示被吸附分子与表面之间的距离，纵坐标表示分子的势能。曲线1是处于基态的分子的势能曲线，曲线2是处于激发态的分子的势能曲线。

    从图中可以看出，处于基态的分子与处于激发态的分子的平衡位置不同，处于基态的分子的平衡位置一般小于处于激发态的分子的平衡位置，即是图中的r₂＞ r₁ 。当入射电子同被吸附分子相互作用使得被吸附分子激活时，根据福朗克－康登原理，当电子跃迁时，无论是核运动的速度或它的位置都来不及改变，因此，激发态的分子只能沿着图1中垂直的箭头线所示发生跃迁。此时，激发态的分子虽然在固体表面的位置还没有发生改变，但它的能量状态已经从低能态变成了高能态，即是图1中从A点到B点。分子所处的激发态是一种不稳定的状态，它有两种方式可以回到相对稳定的低能态中：一是通过发射电磁波或二次电子退回到低能态中，二是仍然保留在激发态中，但寻找一个稳定的吸附位。在图1中即是要么从B点返回到A点，要么从B点沿曲线2回到r₂的位置。此时，本来处于r₁处的被吸附分子的动态平衡遭到破坏，同时，处于r₂处的被吸附分子的动态平衡也同样遭到破坏，被吸附分子之间的相互碰撞加剧，从而使得被吸附分子从固体表面解吸出来。
　　由电子诱导下分子脱附的物理过程可以看出，入射电子在分子的电子诱导脱附的物理过程中所起的作用仅仅是将低能态的分子激发到高能态——激发态或电离态，从而使得被吸附分子在固体表面的平衡遭到破坏，加剧了被吸附分子之间的相互碰撞过程，使得分子克服固体表面的位垒解吸到真空中。因此，即使是较低能量的入射电子也可以引起被吸附分子的大量解吸现象。对于电离态的分子或正离子，固体表面的位场会对它产生一个强烈的推斥作用，从而使得而解吸的正离子能够具有较大的出射能量。而不是入射电子通过与被吸附分子的相互碰撞交换能量，直接将被吸附分子“撞出”表面的。

3　脱附截面的相关因素
　　脱附截面是在电子诱导脱附的物理过程中用于研究脱附几率的物理量。在电子与分子相互作用的过程中，通常将分子看作一球对称的势场。当电子接近分子时，电子与分子势场相互作用。电子只有在离分子势场中心小于某一距离时，分子势场才显著改变它的轨道。现以分子中心为圆心，以此距离为半径，画一假想的球，则通过分子中心且垂直于电子运动方向的球的平截面，称作电子碰撞的有效截面^［4］。如果这种碰撞导致了该分子的脱附，则此电子碰撞的有效截面称作脱附截面。所有的脱附截面之和又称作总脱附截面。通过对电子诱导脱附的物理过程的理论分析，可以看出，脱附截面应与以下因素有关：
    （1）固体表面的性质、结构状况及入被吸附分子的性质
　　对于不同性质的固体表面，它与不同性质的被吸附的气体分子之间的作用力的性质、大小都各不相同。一般分为物理吸附力又称范德瓦尔斯力和化学吸附力。物理吸附力又包括静电力、诱导力、色散力；化学吸附力又包括离子键力、化学键力、金属键力。一般来说，物理吸附力比较弱，而化学吸附力比较强。不同的作用力在固体表面形成的位势不同，因此，被吸附的分子在固体表面位场中的平衡位置也不同，从而在与电子相互作用时的脱附截面也就不同。通常，当物理吸附为主时，脱附截面大一些，而当化学吸附为主时，脱附截面小一些。即物理吸附比较容易脱附。
    （2）被吸附分子在固体表面的吸附状态
　　气体分子在固体表面存在不同的吸附态。气体分子的吸附态通常以γ，α，β来命名，它们并无明显的物理、化学含义。一般γ、α态多见于低温和常温吸附，吸附热较小，属于弱束缚态，β态多见于高温吸附，吸附热较大，属于强束缚态。每种状态又可按1，2，3…进一步细分。不同的吸附态在激活能、吸附热、吸附平均距离等方面都各不相同^［1］。因此，气体分子在固体表面不同的吸附态，仅仅是一种被吸附分子与固体表面的不同的作用方式。所以，它同样影响到脱附截面。显然，强束缚态时的脱附截面一般应小于弱束缚态时的脱附截面。
    （3）环境真空度及温度
　　由于吸附与脱附过程是一个动态的平衡过程，在不同的环境真空度及温度下，这种动态的平衡过程中固体表面吸附的分子数是不同的。一般来说，在相同的温度下，环境真空度越高，则固体表面吸附的分子数越多；而在相同的环境真空度下，固体表面的温度越低，则固体表面的吸附的分子数越多。在其他条件都相同的情况下，固体表面吸附的分子数越多，则被吸附的分子在受到电子轰击时脱附速率越大，因而脱附截面也越大。
    （4）入射电子的能量
　　在电子与分子相互作用的过程中，由于入射电子的能量直接影响到分子的激发状态——低能的入射电子可能只能引起分子跃迁到较低的激发态，而高能的入射电子可能引起分子跃迁到较高的激发态甚至电离态。实验研究表明，脱附截面与入射电子的能量的函数关系一般先随入射电子能量的增加而上升，在50～150 eV范围升到最大值，然后又缓慢下降。但是，也有人得到继续升高的结果^［1］。当入射电子能量为600 eV时，每个电子的解吸效率大约为10^－2～10^－7个原子，而最大的解吸效率发生在入射电子能量为100～400 eV^［2］。而且，当入射电子的能量不同时，它所引起的固体表面发生的次级效应也不同：当入射电子轰击固体表面时，固体表面的次级发射电子包括弹性反射的电子、非弹性反射的电子以及真正的二次电子。这些电子间的数量关系取决于一次电子的能量：在一次电子的能量较低时，弹性反射的电子占优势，但在一次电子的能量增加到100 eV或更高时，弹性反射的电子在整个次级发射电子中只占百分之几^［2］。次级发射电子对固体表面吸附的分子的解吸同样起到很大的影响作用。因此，入射电子的能量对脱附截面的影响是一种比较复杂的关系。

4　脱附产额的种类组成及能量分布关系
　　电子诱导脱附的脱附产额的种类可有激发的中性粒子、分子、原子、正负离子以及各种离解碎片等。在许多情况下释放出的中性粒子、分子和原子的数量远远超过离子的数量。一般可超过2～5个数量级^［2］。这是因为存在隧道效应，在离子还没有来得及解吸之前，就被固体内部的电子中和了。同时，以离子形式脱附的阈值能量一般也比以中性粒子形式脱附的阈值能量要大。另外，脱附产额中负离子的数量要远小于正离子的数量^［2］。实验还发现，吸附使功函数减小者，如Ba，Cs，Th，等，一般很少脱附^［1］。这一点可以这样解释：金属的功函数表示为把费米能级的电子提取到固体体外能级（真空能级）的功，在半导体的情况下，也把真空能级和表面费米能级之差称为功函数^［6］。使用自由电子模型或“冻胶”模型可以对功函数进行理论计算^［6］。同时，由于固体内部存在势垒，固体内部的自由电子便以“电子气”的形式分布在固体内部的能带中。图2是固体内部的能带示意图。

    所谓吸附使功函数减小，即是由于气体分子在固体表面的吸附作用，导致把固体内部费米能级的电子提取到固体体外能级（真空能级）的功减小了，也即固体内部费米能级的电子更加容易“逃出”固体表面。图3是气体分子在固体表面的吸附作用导致功函数减小的示意图。

　　由图中可以看出，由于气体分子在固体表面的吸附作用，被吸附于表面的分子产生的电场导致了功函数减小，而对于这种情况，被吸附于表面的分子产生的电场也恰恰对外界的入射电子产生排斥作用。也就是说，入射电子与被吸附于表面的分子之间的碰撞几率减小了。则被吸附分子的脱附几率自然就减小了。
　　脱附产物的能量具有一定的分布。实验已经确定，离解后的正离子，可能性最大的能量是8 eV^［2］。对于CO－W（300 K）的电子诱导脱附研究表明，CO^＋的离子脱附峰在1 eV，而O^＋的离子脱附峰在7 eV左右。对于O₂－W（300 K）则只有一个在7 eV左右的离子脱附峰^［1］。脱附产物的能量分布应取决于入射电子与表面被吸附分子相互作用时，导致分子的最可几的激发或电离态。　　

5　应　用
　　低能电子诱导脱附在真空科学与技术、表面科学、材料科学等领域都有着广泛的应用。在真空获得中，电子轰击除气是常用的方法；在真空测量中，使用电离真空计测量真空度，尤其在超高真空测量中为提高测量精度必须扣除BA规反常本底电流对真空测量的影响；在电真空器件的生产制造过程中，如阴极射线管、磁控管以及速调管等都应用了电子诱导脱附的理论。在表面科学和材料科学中，低能电子诱导脱附可以作为一种表面分析和材料研究的方法和工具。利用电子诱导脱附的阈值能量可以对基底材料及解吸的气体进行分析，利用解吸产额的种类及能量分布关系可以对表面结构及表面吸附态、吸附热、结合能等进行分析和研究，制造出各种材料和表面分析仪器。 ［1］　高本辉、崔素言，《真空物理》（M）科学出版社，1983．12

［2］　H．B．契列伯宁，《真空技术中的吸附现象》（M）北京电子管厂情报室，1973

［3］　M．B．伏肯斯坦，《分子的结构及物理性质》（M）科学出版社，1960．4

［4］　王欲知，《真空技术》（M）四川科学技术出版社，1985．6

［6］　中村胜吾著，张兆祥陆华译，《表面物理》（M）学术刊物出版社，1989．8

［7］　黄波《固体材料及应用》（M）华南理工大学出版社，1994．9

［8］　［美］L．C．Feldman J．W．Mayer著，严燕来、蒋平译，《表面与薄膜分析基础》（M）复旦大学出版社　　1989．10

［9］　严继民　张启元，《吸附与凝聚—固体的表面与孔》（M）科学出版社，1979．10

［10］　［美］陈成钧著，华中一、朱昂如、金晓峰译，《扫描隧道显微学引论》（M）中国轻工业出版社，1996．12

张彤，男，博士研究生，1986年考入东南大学电子系，1990年获学士学位。1996年考入东南大学电子系攻读硕士学位，1998年攻读博士学位。目前从事电子诱导脱附（ESD）以及等离子体方面的研究。发表论文多篇。