Файл: Соммер А. Фото-эмиссионные материалы.pdf

Оба эффекта будут обсуждаться более подробно при описании свойств материалов, па 'которых эти эффекты наблюдаются. Другие, чисто оптические методы умень­ шения потерь на пропускание и отражение света будуг рассмотрены в последней главе.

Г л а в а ч е т в е р т а я

СУРЬМЯНО-ЦЕЗИЕВЫЙ ФОТОКАТОД

обработки этой пленки парами цезия, обычно при повы­ шенной температуре. Испарение сурьмы представляет собой довольно сложный процесс. Поскольку он чіграет важную роль при изготовлении не только Cs-Sb фотока­ тода, но и всех антимонидов щелочных металлов, этот процесс будет рассмотрен подробно.

Испарение сурьмы. При медленном испарении Sb на стеклянную подложку сначала образуется однородная пленка коричневатого цвета. Однако при определенной толщине пленки сурьмы на ней 'появляются небольшие круглые пятна с более высокой оптической плотностью. При продолжении испарения размеры этих пятен уве­ личиваются, и, наконец, они сливаются, снова образуя однородную пленку. Если испарение остановить в мо­ мент появления пятен, последние самопроизвольно уве­ личиваются в размерах, причем скорость роста пятен возрастает при 'повышении температуры.

В настоящее время установлено, что тонкая пленка представляет собой аморфную сурьму, а появление пя­ тен означает начало кристаллизации. Лотмер (Л. 64] подробно изучил этот переход и нашел, что кристалли­ зация происходит только тогда, когда толщина пленки

фотокатода, всегда значительно меньше этой величины,

лее плотно упакованы, чем при испарении из элементар-

цы в структуре двух типов пленок сурьмы было предпо­ ложено, что испарение Sb из PtSb происходит в .виде отдельных атомов, в то время как при использовании элементарной сурьмы испаряются комплексы Sbi, {Л. 67]. Эта гипотеза была подтверждена масс-спектроскопиче- скими исследованиями [Л. 139], а впоследствии и теоре­ тическим изучением процесса испарения сурьмы [Л. 68]. Аналогичные эксперименты были проведены Боуменом и др. {Л. 60], обнаружившими, что при испарении сурь­ мы из соединения AuSb наблюдаются комплексы не только Sbi, но также Sbi и Sb2.

Эмпирически было найдено, что при использовании источника элементарной сурьмы оптимальная толщина пленки сурьмы для получения полупрозрачного Cs-Sb фотокатода соответствует пропусканию белого света от лампы накаливания в пределах 75—85%' от первона­ чальной величины. При .использовании для испарений соединения PtSb требуются пленки сурьмы с меньшим коэффициентом пропускания. Как видно из рис. 5, тол­ щина пленки сурьмы при таком коэффициенте пропус­ кания света соответствует 3—4 мкг/см2. При этом ис­ пользовались данные, полученные Кондасом (кривая 1), соответствующие испарению сурьмы по нормали к под­ ложке. Толщину пленки в ангстремах можно определить по формуле

где D — плотность металла.

Для определения толщины пленки, выраженной чис­ лом моноатомных слоев, нужно знать толщину моно-

атомного слая Тт. Величина Тт определяется следую­ щим соотношением:

Г,„ = і М Щ А,

где М — атомная масса металла. Величины, рассчитан ные на основании этих формул, являются приблизитель­ ными, поскольку при их выводе были использованы два упрощающих предположения: плотность пленки равна плотности массивного материала, и межатомные рас­ стояния одинаковы по всем направлениям. Для пленок сурьмы эти предположения точно не выполняются, одна­ ко даже приблизительные значения толщины пленки во многих случаях представляют интерес.

Используя эти соотношения для пленок Sb (D = 6J, М=\22), можно найти, что слои с поверхностной плот-

о

ностыо 3—4 мкг/см2 имеют линейную толщину 45—€0 А и состоят из 15—20 атомных слоев. Интересно отметить, что человеческий глаз легко различает изменение про­ зрачности при напылении нескольких атомных слоев ме­ талла.

Реакция сурьмы с цезием. При комнатной температуре химическая реакция паров Cs с пленкой Sb протекает медленно, но при повышении температуры скорость реакции значительно увеличивается. Эта реакция сопро­ вождается тремя характерными явлениями. Во-первых, пленка сурьмы приобретает красноватый цвет в прохо­ дящем свете. Во-вторых, сопротивление пленки увели­ чивается на много порядков величины по сравнению с сопротивлением пленки Sb. В-третьих, возникает фо­ тоэмиссия в видимой области спектра. При непрерыв­ ном поступлении Cs фототок увеличивается до макси­ мального значения, а затем быстро падает. Если в этот момент прекратить доступ Cs, фототок возвращается к максимальному значению (медленно при комнатной температуре и очень быстро при повышенной темпера­ туре). Воспроизводимость процесса, т. е. возможность удаления избытка Cs прогревом в вакууме, делает изго­ товление Cs-Sb фотокатода наиболее простым по срав­ нению с другими сложными фотокатодами.

Обработка цезия обычно не начинается до тех пор, пока пленка Sb и вся колба не нагрелись до темпера­ туры 130—150 °С. Повышенная температура необходима для ускорения реакции Cs и Sb, а также для предотвра­ щения конденсации металлического Cs на холодных ча-

36

Целесообразно также использовать более медленное охлаждение прибора для устранения чрезмерного тем­ пературного градиента.

Дополнительные процессы, увеличивающие чувстви­ тельность фотокатода. Ранее был описан процесс изго­ товления обычного Cs-Sb фотокатода. Существуют два метода, которые приводят к дальнейшему увеличению фоточувствнтелыюсти этого катода. Уже в первой статье о Cs-Sb фотокатоде Герлих {Л. 69] отметил, что поверх­ ностное окисление увеличивает его чувствительность. Этот эффект в дальнейшем изучался более подробно и будет рассмотрен в § 4-6. На практике окисление осуществля­ ется путем введения в фотоэлемент незначительного ко­ личества кислорода. Во время окисления контролирует­ ся чувствительность фотокатода, и кислород откачива­ ется сразу же после достижения максимума фоточувст­ вительности. Этот процесс только частично обратим при

чистый кислород {например, хлората 'калия (КСЮз) или окиси ртути].

Второй метод увеличения фоточувствнтелыюсти при­

разряде в кислороде. Толщина пленки марганца контро­ лируется путем измерения ее прозрачности, но числен­ ное соотношение между толщиной пленки и коэффици­ ентом пропускания неизвестно. Чисто экспериментально было установлено, что лучшие результаты получаются при использовании слоев марганца, которые пропускают 90% белого света. Во время окисления пропускание увеличивается и приближается к 100%, так как окись марганца не поглощает видимого света. Эксперимен­ тальные исследования влияния подложки из окиси мар­ ганца на фоточувствительность рассмотрены в § 4-6.

4-2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

Тонкие пленки сурьмы, обработанные парами цезия, обладают хорошо воспроизводимыми оптическими, элек­ трическими и фотоэмиссионными свойствами. Это по-