DuEPublico 2

Dies ist unser neues Repositorium, derzeit für E-Dissertationen und ausgewählte weitere Publikationen. Weitere Informationen...

The influence of internal and external electric fields on the transport of energetic electrons induced by electron irradiation in metal-insulator-metal nanostructures

Marpe, Mario

The motivation for this thesis was a series of experiments applying Metal-Insulator-Metal (MIM) thin film devices under ion, photon and electron irradiation while measuring currents from the irradiated towards the non-irradiated electrode. These MIM devices consist of a several 10 nm-thick silver top electrode and an aluminum bottom electrode of similar thickness insulated by a 2..3 nm-tick aluminum oxide layer. The previous interpretation of the currents arising from the irradiation of the top metal electrode was a transport of charge carriers excited as a consequence of the irradiation, overcoming the internal oxide barrier. However, it remained an open question in how far these transport effects are exclusively "internal" processes across the barrier, which was the question to be answered within this thesis. The advantages of MIM devices are the possible analysis of excitation below the vacuum level (in form of the internal electron emission) on the one hand and on the other hand the possible modification of the internal barrier height and shape by the application of a bias voltage between the MIM’s top and bottom electrode. To answer the question stated above, MIM devices were irradiated with a focused (diameter ≈ 0.75 mm) electron beam in the primary energy range from 75..1000 eV, while measuring the current either into the irradiated or into the non-irradiated electrode for various irradiation parameters (impact position, primary impact energy, impact angle) and also as function of an internal bias voltage applied between silver top and aluminum bottom electrode. The analysis of results from these experiments strongly indicate, that at least a part of the detected apparently "internal" currents measured in the non-irradiated electrode is actually caused by external processes. Possible contributions may arise from re-absorption processes of electrons (externally) emitted into the vacuum and somehow guided back to the irradiated electrode and especially from the cross-absorption of externally emitted electrons into the non-irradiated electrode. The latter process may directly influence the "internal" current and is explained by the development of an electric field above the sample arising from the emitted electrons itself. From these findings, a second series of experiments was triggered, where a bias-able external collector/re- peller electrode above the sample was introduced, allowing to control the electric field above the sample by choosing the voltage Ud applied to the collector/repeller electrode. Therefore, it was possible to identify and quantify the cross-absorption current contributing to apparently "internal" currents and to suppress this process to obtain true internally transported electron and hole currents from the irradiated towards the non-irradiated electrode. The internal and external emission yield (i.e. the number of electrons emit- ted as consequence of the primary electron impact either (externally) into the vacuum or (internally) from the irradiated towards the non-irradiated electrode) was determined as function of the impact point of the electron beam on the MIM’s surface, of the primary impact energy as well as of the the impact angle for static collector/repeller voltages. Additionally, experiments as function the collector/repeller voltage for different kinetic impact energies and different (internal) bias voltages have been performed. In addition to these findings, the measurements allow to determine the total external emission yield ζ for irradiation of silver and oxide covered aluminum as function of the kinetic impact energy under electron irradiation, which is interesting due to the fact, that only few data are reported in the literature especially in the energy range below 1 keV [1].

Die Motivation für die Anfertigung dieser Dissertation liegt in einer Serie von Experimenten begrün- det, in denen Metall-Isolator-Metall (MIM) Dünnschichtsysteme zur Messung von Strömen von der be- strahlten in die unbestrahlte Elektrode hervorgerufen durch Bestrahlung der oberen Elektrode mit Ionen, Photonen und Elektronen verwendet wurden. Diese MIM-Systeme bestehen aus einer mehrere 10 nm- dicken Silber-Deckelektrode und einer Aluminium-Bodenelektrode ähnlicher Dicke, welche mittels einer 2..3 nm dicken Aluminium-Oxidschicht voneinander isoliert sind. Die bisherige Interpretation der Ströme hervorgerufen durch die Bestrahlung der Deckelektrode war ein Transport von heißen Ladungsträgern, welche durch die Bestrahlung angeregt wurden und daher die Oxidbarriere überwinden konnten. Es blieb jedoch die Frage unbeantwortet, inwiefern diese Transportprozesse ausschließlich "interne" Prozesse durch die Barriere sind, was in dieser Dissertation beantwortet wird. Der Vorteil von MIM-Systemen liegt zum einen darin begründet, dass sich so Anregungsprozesse unterhalb der Vakuumenergie (in Form von "interner Elektronenemission") untersuchen lassen und auf der anderen Seite darin, dass die Barrieren- höhe und -form durch das Anlegen einer Biasspannung zwischen den Metallelektroden modifiziert werden kann. Um die oben aufgeworfene Frage zu beantworten, wurden MIM-Systeme mit einem fokussierten (∅ ≈ 0.75 mm) Elektronenstrahl mit einer Primärenergie von 75..1000 eV bestrahlt, wobei entweder die Ströme in die bestrahlte oder in die unbestrahlte Elektrode für verschiedene Beschussparameter (Auftr- effpunkt, Primärenergie, Einfallswinkel) und auch als Funktion einer internen Biasspannung angelegt zwischen den beiden Metallelektroden des MIMs gemessen wurden. Die Analyse dieser Ergebnisse weist sehr stark darauf hin, dass zumindest ein Teil der in der unbestrahlten Elektrodegemessenen "internen" Ströme in Wirklichkeit durch externe Prozesse hervorgerufen wird. Mögliche Strombeiträge können aus Re-Absorptionsprozessen von ins Vakuum emittierten Elektronen entstehen, welche wieder auf die be- strahlte Elektrode gelangen, und insbesondere durch Kreuz-Absorptionsprozesse hervorgerufen werden, bei denen von der bestrahlten Elektrode ins Vakuum emittierte Elektronen in die nichtbestrahlte Elektrode gelangen. Der letztgenannte Prozess kann direkt den "internen" Strom beeinflussen und lässt sich mittels des Auftretens eines elektrischen Feldes durch Raumladungseffekte durch die auftreffenden und emittierten Elektronen erklären. Diese Erkenntnisse motivierten eine weitere Serie von Experimenten, bei denen eine vorspannbare Kollektor/Repeller Elektrode verwendet wurde, durch die, mittels einer angelegten Span- nung Ud, das elektrische Feld oberhalb der Probe kontrolliert werden kann. Dadurch wurde es möglich, den Beitrag des Kreuz-absorptionsstrom zu den vermeintlich "internen" Strömen zu identifizieren und zu quantifizieren und schließlich auch zu unterbinden, wodurch echte interne Ströme von Elektronen und Löchen durch die Barriere bestimmt werden können. Die interne und externe Emissionsausbeute (also die Zahl der emittierten Elektronen, entweder intern durch die Barriere oder extern ins Vakuum pro einschla- gendem Primärelektron) wurde als Funktion des Beschusspunktes des Primärelektronenstrahls auf der MIM-Oberfläche, als Funktion der Primärenergie und auch als Funktion des Beschusswinkels für statische Werte von Ud gemessen. Zusätzlich erfolgten Messungen als Funktion der Spannung Ud für verschiedene Primärenergien und verschiedene interne Biasspannungen. Zusätzlich zu den Ergebnissen kann aus den Messungen auch die totale externe Elektronenausbeute ζ für den Beschuss von Silberfilmen und oxidbeckten Aluminiumfilmen mit Elektronen als Funktion der Primärenergie bestimmt werden, was insofern interessant ist, weil nur wenige Messwerte für Energien unterhalb von 1 keV in der Literatur zu finden sind [1].

Vorschau

Teilen und Zitieren

Zitierform:

Marpe, Mario: The influence of internal and external electric fields on the transport of energetic electrons induced by electron irradiation in metal-insulator-metal nanostructures. 2018.

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:

Export