本文档属于类型b（综述类科学论文）。以下是针对文档《Secondary electron emission from solids by electron and proton bombardment》的学术报告：
作者与发表信息
- 作者：Jørgen Schou（丹麦Risø国家实验室物理系，EURATOM协会成员）
- 期刊：Scanning Microscopy
- 发表时间：1987年10月7日收稿，1988年正式刊载（第2卷第2期，页码607–632）
主题与背景
本文综述了固体材料在电子和质子轰击下的二次电子发射（Secondary Electron Emission, SEE）现象，聚焦实验特征与理论模型的对比分析。研究领域涉及表面物理、电子显微镜技术及粒子-固体相互作用。背景动机包括：
1. 基础科学意义：二次电子发射是扫描电子显微镜（SEM）成像的核心机制，也是空间设备绝缘体充电、等离子体实验中电荷积累的关键因素。
2. 技术挑战：早期实验因表面污染导致数据不可靠，而超高真空技术的发展催生了精确测量需求，尤其是质子轰击实验的新数据。
主要观点与论据
1. 电子与质子诱导二次电子发射的相似性
- 核心论据：尽管电子（带负电）与质子（带正电）电荷相反，但两者与固体中电子的相互作用在高能下均以电离（ionization）为主，微分电离截面（differential ionization cross-section）形式相似（Mott & Massey理论）。
- 实验支持：
- Toburen等（1972, 1978）与Opal等（1972）对比1 MeV质子与500 eV电子轰击气体靶的能量分布曲线，差异不超过1.35倍（Ar靶）。
- Musket（1975）发现Nb靶的二次电子能量谱在3 keV电子与400 keV质子轰击下形状高度一致（低能峰主导）。
2. 半经验理论（Semiempirical Theory）的局限与修正
- 经典模型：基于三个阶段（初级电离、电子迁移、表面势垒穿透）的模型（Sternglass, 1957; Dekker, 1958）将产额δ分解为逃逸深度λ、平均电离能W和阻止本领（stopping power）乘积（δ ∝ λ·|dE/dx|ₑ/W）。
- 缺陷：
- 忽略级联电离（cascade multiplication）贡献，仅考虑初级电离。
- 假设逃逸长度λ与电子能量无关，与实验（Seah & Dench, 1979）不符。
- 修正方向：引入λ(e₀)的能量依赖性（λ(e₀) ≈ a·(e₀)⁻²）以匹配金属中电子平均自由程数据。
3. 输运理论（Transport Theory）的进展
- 理论框架：类比溅射理论（Sigmund, 1969），将二次电子产额δ表达为沉积能量空间分布D(e,x,cosθ)与材料参数α的乘积（δ = D(e,0,cosθ)·α）。
- 级联主导模型：α ∝ ∫(1-U₀/e₀)/(e₀·|de₀/dx|) de₀（U₀为表面势垒）。
- 初级电离模型：依赖电离截面σᵢₑ(e)，但需引入各向异性修正。
- 实验验证：
- 对金属（如Al、Cu）和绝缘体的预测产额与实测数据趋势一致（Hasselkamp, 1985）。
- 能量分布理论曲线（峰值2–5 eV）与Hasselkamp的Be靶实验谱吻合（图5）。
4. 材料特性的关键影响
- 金属vs绝缘体：绝缘体产额显著更高（δ_insulator ≈ 10δ_metal），因电子阻止本领（electronic stopping power）在绝缘体中极低（核阻止主导），且逃逸深度λ更大（如氧化物达75 nm）。
- 原子序数Z的争议：传统认为δ随Z增加而单调变化，但输运理论表明此关系非普适（如Au与Cu的δ差异受λ(e₀)和U₀共同调控）。
5. 实验与理论分歧的讨论
- 反射电子贡献δ₁的复杂性：电子轰击中，反射电子（能量>50 eV）通过效率因子β_eff贡献额外产额（δ = δ₀ + β_eff·η），而质子轰击无此问题（反射可忽略）。
- 低能阻止功率的争议：电子能量 keV时，现有理论（如Tung et al.模型）与实验数据偏差显著，因自由电子密度（free-electron density）取代Z成为主导因素。
6. 应用与未解问题
- SEM成像优化：理解δ(E)的最大值（对电子~1 keV，质子~100 keV）可提升探测器设计。
- 空间技术挑战：绝缘体表面电荷积累（δ>1时正电失衡）需结合产额角度依赖性（δ(θ) ≈ δ(0°)·cos⁻ⁿθ, n≈1）。
- 开放问题：内壳层电离对高能尾的贡献、表面势垒U₀的精确测量方法。
论文价值与意义
- 理论整合：首次系统对比半经验与输运理论，揭示级联电离的核心作用。
- 实验指导：提出清洁表面（如离子溅射）对产额测量的必要性，纠正早期数据偏差。
- 跨领域应用：为等离子体壁相互作用（Ertl & Behrisch, 1986）和重离子溅射提供理论桥梁。
亮点总结
- 创新性：将溅射理论迁移至二次电子发射，建立普适的D(e,x,cosθ)框架。
- 数据全面性：涵盖1950s–1980s电子/质子实验，包括超高真空新数据。
- 批判性分析：明确指出半经验理论在λ(e₀)和级联过程描述中的缺陷。
此综述为SEE研究提供了里程碑式的理论参照，尤其推动了扫描电镜与空间材料科学的定量化发展。