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Entwicklung eines ballistischen Transportmodells für die ioneninduzierte kinetische Elektronenemission

Hanke, Stefanie Mareen Lioba

Die folgende Arbeit behandelt die Beschusswinkelabhängigkeit der inneren und externen Elektronenemissionsausbeute sowie das allgemeine Transportverhalten von kinetisch induzierten heißen Elektronen im Festkörper. Zur Untersuchung der Beschusswinkelabhängigkeit wird der von Duvenbeck et al. angenommene, rein diffusive Transport elektronischer Anregung im Festkörper verwendet. In Kombination mit einem thermionischen Richardson-Dushman-Formalismus kann so die externe Elektronenemission in guter Übereinstimmung mit experimentellen Daten bestimmt werden. Zur Bestimmung der inneren Elektronenemission wird ein Hybrid-Modell entwickelt, welches alle Schichten des Modellkristalls als Quellen heißer Elektronen annimmt. Diese Elektronen werden ballistisch an die Ober- und Unterseite des Kristalls transportiert und tragen dort zur Emission bei. Um nicht nur die Größenordnung der Ausbeute, sondern auch die Beschusswinkelabhängigkeit der inneren Emission reproduzieren zu können, wird berücksichtigt, dass zusätzlich zur Energie auch Impuls an die Elektronen übertragen wird. Unter der Annahme, dass sich alle heißen Elektronen nach der Anregung ballistisch in Richtung des Projektils bewegen, kann eine qualitative Übereinstimmung mit experimentellen Daten erreicht werden. Im zweiten Teil der Arbeit wird das ballistische Transportverhalten angeregter Elektronen mit Hilfe der Boltzmann-Transport-Gleichung näher untersucht. Hierzu werden verschiedene Arten der Anregung (thermische, isotrope und an-isotrope Verteilung angeregter Elektronen) initialisiert und die räumliche und zeitliche Entwicklung der damit verbundenen Anregungsenergie im Modellsystem untersucht. Zur Charakterisierung des Transportes der Anregungsenergie wird ein "effektiver" Diffusionskoeffizient eingeführt. Hierbei zeigt sich für eine thermische Anregung eine Abhängigkeit des effektiven Diffusionskoeffizienten von der Elektronentemperatur (und somit auch der Anregungsenergie), welche ein Sättigungsverhalten erkennen lässt. Für eine Peak-artige Form der Anregung durch Elektronen mit genau vorgegebener Energie zeigt sich ebenfalls eine Abhängigkeit von der Anregungsenergie. Es zeigt sich jedoch auch, dass neben dem Energiewert auch die Ursprungsrichtung der angeregten Elektronen einen Einfluss auf den Wert des effektiven Diffusionskoeffizienten hat.

The following work discusses the impact angle dependence of both the internal and external electron emission yield as well as the general transport behavior of kinetically induced hot electrons in solids. The impact angle dependence is investigated by application of a purely diffusive transport model for the electronic excitations in solids, proposed by Duvenbeck et al.. The use of a thermionic Richardson-Dushman model combined with the diffusive transport enables the determination of the external electron emission yield in good agreement with experimental data. For the prediction of the internal electron emission a Hybrid model is developed, which treats every layer of the model crystal as a source of hot electrons. These electrons are then transported in a ballistic way to the top and bottom side of the crystal where they contribute to the emission yields. This way the correct order of magnitude for the internal electron emission yield can be predicted. To reproduce the impact angle dependence as well, the transfer of both the energy as well as the momentum is taken into account. Therefore the direction of motion of the excited electrons is assumed to be the same as the impact direction of the projectile. With this assumption the experimental data can reproduced qualitatively. The second part of this thesis investigates the ballistic transport phenomena of excited electrons by implementation of the Boltzmann transport equation. After initiation of different kinds of excitation (thermal, isotropic and anisotropic distribution of excited electrons) the temporal and spatial development of the initialized excitation energy distribution is investigated and characterized by means of an "effective" diffusion coefficient. Considering the thermal excitation, the diffusion coefficients show a clear temperature dependence resulting in saturation. The isotropic and anisotropic excitation profiles show a dependence of the diffusion coefficient from the energy of the excited particles as well. It becomes apparent that both the excitation energy as well as the direction of propagation of the excited electrons has strong influence on the values of the resulting effective diffusion coefficient.

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Hanke, Stefanie Mareen Lioba: Entwicklung eines ballistischen Transportmodells für die ioneninduzierte kinetische Elektronenemission. 2015.

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