Файл: Соммер А. Фото-эмиссионные материалы.pdf

стигается в толі случае, когда каждым падающий фотон освобождает один фотоэлектрон, и когда минимальная энергия фотона, которая тре­ буется для возникновения фотоэмиссни, равна энергии, необходимой для перевода электрона с вершины валентной зоны на уровень ва­ куума. Существуют, однако, специальные случаи, в которых эти предположения оказываются неверными.

Если энергия фотона более чем вдвое превышает (Ее+Еа), су­ ществует вероятность того, что фотоэлектрон возбудит один или не­ сколько вторичных электронов, способных участвовать в фотоэмис­ сни, причем эта вероятность растет с увеличением энергии фотона. Таким образом, при достаточно высокой энергии фотонов квантовый выход может превышать единицу. Поскольку для большинства мате­ риалов (Ее+Еа)>2 эв, значения квантового выхода выше единицы можно ожидать только в области энергии фотонов, значительно пре­ вышающих 4 эв, т. е. в далекой ультрафиолетовой области спектра. Измерения энергии эмиттированных электронов показали, что, когда энергия фотона превышает определенную величину, часть фотоэлек­ тронов эмиттируется с очень низкой энергией. Эти результаты не­ посредственно указывают на образование вторичных электронно-ды­ рочных пар. Вторичные электроны могут выйти в вакуум, разумеется, только в том случае, если энергия фотонов достаточно высока.

Поскольку квантовый выход фотоэмиссии всегда значительно меньше единицы, на практике трудно отличить процесс появления вторичных электронов от простого увеличения квантового выхода фотоэмиссни. Существование вторичных электронов становится оче­ видным только при очень высоких энергиях фотонов, когда вероят­ ность образования вторичных электронно-дырочных пар значительно увеличивается и результирующий квантовый выход превышает еди­ ницу.

Новый теоретически предсказанный эффект наблюдался Зоннен-

Cs3Sb, хотя минимальная энергия фотона для этого процесса состав­ ляет примерно 2 эв. Единственное возможное объяснение этого эффекта заключается в том, что один электрон в валентной зоне способен поглотить два фотона. Соответствующий эффект в металле наблюдался Тейхом и др. (Л. 6], получившими фотоэмнссию из ка­ лия под действием излучения GaAs лазера с энергией фотона 1,48 эв, хотя работа выхода калия составляет примерно 2 эв. Трехфотоиный эффект наблюдался Логозетисом и Хартмаиом [Л. 7], которые по­

Гл а в а в т о р а я

ФО Т О Э М И С С И Я ИЗ МЕТАЛЛОВ

2-1. ВВЕДЕНИЕ

Металлические фотоэмиттеры известны уже с конца прошлого столетия. Поэтому имеется обширная литература, посвященная изу­ чению таких фотоэлектрических характеристик металлов, как зави­ симость квантового выхода фотоэмиссии от длины волны излучения,

с малым практическим применением, которое имеют металлические фотокатоды по сравнению со значительно более чувствительными полупроводниковыми фотокатодами.

2-2. РАБОТА ВЫХОДА МЕТАЛЛОВ

Измерения работы выхода чистых металлов. Из-за сильного влияния адсорбированных поверхностных пленок на работу выхода металлов (см. ниже) большая часть данных, полученных до развития свер.хвысоковакуумкой техники, представляется сомнительной. Да­ же при получении достаточно чистой поверхности металла остается проблема сохранения чистоты поверхности во время проведения измерений работы выхода. На основе кинетической теории газов можно вычислить число молекул газа, ударяющихся о поверхность в единицу времени при данном давлении. Полагая, что моноатомный поверхностный слой содержит примерно 101 4 атомов на 1 см2 и что коэффициент прилипания атомов равен единице, можно оценить вре­ мя, необходимое для образования монослоя адсорбированных моле­ кул газа, в зависимости от давления. Результаты такой оценки при­ ведены в табл. 1. Видно, что для измерений, которые длятся несколь­ ко минут, необходим вакуум лучше, чем 10_ 0 мм рт. ст. Коэффи­ циент прилипания сильно зависит от природы газа, и для химически

Сводка результатов измерений работы выхода, которые были выполнены, как правило, после 1950 г. с применением сверхвысоковакуумной техники, приведена в табл. 2. Во втором столбце таблицы указан объект исследований: пленки, полученные напылением в ва­ кууме, поликристаллическне или монокристаллическне образцы. В последнем случае в скобках указана кристаллографическая плос­ кость. Величина работы выхода приведена в третьем столбце, а в чет­ вертом указан метод измерения — фотоэлектрический, термоэлектри­ ческий или метод контактной разности потенциалов.

Влияние поверхностных пленок на работу выхода металлов. Как уже отмечалось, работа выхода металлов чрезвычайно чувствительна к загрязнению поверхности. Обычно поверхностные пленки имеют

неметаллический характер, однако при изучении электронной эмиссии часто представляют интерес и металлические поверхностные слои.

Неметаллические поверхностные пленки. Прежде всего следует, отметить, что при исследовании электронной эмиссии из металлов;; термин «поверхностная пленка» всегда относится к моноатомным і слоям. Это связано с тем, что электронная эмиссия происходит из приповерхностной области толщиной, не превышающей сотен анг­ стрем. Поэтому измерения эмиссии из металлов с более толстыми поверхностными слоями будут выражать скорее свойства материала поверхностного слоя, а не свойства металла.

Существует прямая корреляция между силами связи, действую­ щими на поверхностную пленку, и влиянием поверхностной пленки на работу выхода металла. Если силами притяжения являются силы | Ван-дер-Ваальса, влияние поверхностной пленки на работу выхода і металла невелико. В соответствии с этим помещение металлических • пленок в атмосферу инертных газов приводит лишь к незначительно­ му уменьшению их работы выхода. В случае всех других газов имеет место электронное взаимодействие поверхностной пленки с металли­ ческой поверхностью. Это приводит к образованию дипольного слоя,

Обычно электроотрицательные элементы, такие, как кислород,

Он обнаружил, что работа выхода платины, очищенной ионной бом­

элементов, уменьшают работу выхода металлической подложки. По­ этому неудивительно, что поверхностные пленки наиболее электро­ положительных элементов — щелочных и щелочноземельных метал­ лов — особенно сильно уменьшают работу выхода металлов. Впервые этот эффект наблюдался, по-видимому, 'Кшггтоном и Ленгмюром [Л. 41], которые обнаружили, что термоэлектронная эмиссия из воль­ фрама сильно увеличивается в присутствии паров цезия. Впослед­ ствии многочисленными исследованиями было показано, что мини­

Резкое уменьшение работы выхода наблюдается при адсорбции цезия и на других металлах, а также при адсорбции других щелоч­ ных металлов. В качестве примера приведем значения работы вы­

[Л. 43, 48]). Подробный обзор многочисленных работ, посвященных адсорбции металлических пленок, выходит за рамки настоящей кни­ ги. Поэтому ограничимся изложением основных результатов, уста­ новленных к настоящему времени.

1. Адсорбированные металлические пленки моноатомиой толщи­ ны всегда поляризованы в таком направлении, что работа выхода металлической подложки уменьшается. Если энергия ионизации адсорбированных атомов меньше, чем работа выхода металлической подложки, атомы частично адсорбируются в виде ионов.

2.Металлы, энергия ионизации которых меньше, чем работа вы­ хода металлической подложки (К, Rb, Cs), при адсорбции в виде моноатомного слоя уменьшают работу выхода подложки до величи­ ны, меньшей, чем собственная работа выхода этих металлов в тол­ стых слоях.

3.В случае адсорбции металлов с энергией ионизации, большей, чем работа выхода подложки, результаты, полученные разными авто­ рами, не совпадают между собой. Возможно, что различие результа­ тов в этом случае связано с влиянием следов кислорода, адсорбиро­ ванного на подложке.

2-3. КВАНТОВЫЙ ВЫХОД ФОТОЭМИССИИ ИЗ МЕТАЛЛОВ

Как указывалось в предыдущей главе, квантовый выход метал­

областях энергия фотонов меньше или незначительно превышает ра­ боту выхода металлов, а также с малым поглощением света в метал­ лах в этих областях спектра и малой глубиной выхода фотоэлектро-