Файл: Бессонов А.Ф. Установки для высокотемпературных комплексных исследований.pdf

изолирующую трубу из глинозема и кварца, которая обеспечи­ вает непрерывный доступ воздуха к ячейке.

Большое количество работ выполнено с целью разработки ме­ тодов и конструирования приборов для определения термо- э. д. с. в твердых образцах [1, 49, 176, 248].

Создана компактная, малогабаритная установка для измере­ ния термо- э. д. с. образца (или же электросопротивления) при температурах до 1700°С в ва­ кууме (порядка 10"6 мм рт. ст.)

или инертной атмосфере [176]. Предусмотрена возможность по­ лучения градиента температуры (до 250° С) на образцах.

Разработана установка для

2500° С [49].

Установка сконструирована на базе вакуумной (10~4 мм рт ст.) печи ТВВ-4, максимальная рабочая температура которой соста­ вляет 2500° С. Схема измерительной головки показана на рис. 48. Образец длиной 60—70 мм крепят между зажимами 6 и 9. Пере­ пад температуры (50— 100° С) создается за счет погружения ниж­ ней части образца в зону нагревателя печи. Температуру горячего и холодного концов образца измеряют термопарами ВР-5/ВР-20. В образце просверливают отверстия диаметром 1,0 мм, в которые с помощью танталовых штифтов плотно вставляют тер­ мопары. Величину термо- э. д. с. измеряют относительно ветвей термопар ВР-5 и ВР-20.

98

В работе [248] исследовано влияние конструкции зажимного устройства образца на точность-измерения термо- э. д. с. образ­ цов в контролируемой атмосфере, а в работе [1] предлагается способ быстрого измерения коэффициента термо- э. д. с.

Определение работы выхода электрона с поверхности образ­ цов широко применяется при изучении их физико-химических свойств.

Существует несколько методов экспериментального опреде­ ления и теоретического расчета работы выхода электрона: термо­ электронный, фотоэлектронный, автоэлектронный, контактной разности потенциалов и др. Но существующие методы позволяют определять работу выхода электрона либо при комнатной темпе-

Рис. 49. Схема высокотемпературной установки для измерения работы выхода электрона

ратуре в различных газовых средах, либо при нагревании в ваку­ уме. Поэтому возникла необходимость измерять эту характери­ стику непосредственно при высоких температурах и различных газовых средах, чтобы максимально приблизить условия опыта к реальным.

Разработана 1 установка, позволяющая измерять работу вы­ хода электрона в процессе нагревания образца от комнатной тем­ пературы до 1000° С в воздухе (или в другом газе). Основная часть / установки (рис. 49) представляет собой высокотемпера­ турную камеру (рис. 50), состоящую из металлического цилиндра, помещенного в трубчатую печь.

Внутри цилиндра находятся образец и эталон, относительно которого измеряется работа выхода электрона с поверхности на­ греваемого образца. Эталон для стабилизации по температуре выполняют в виде тонкостенной латунной трубки, по которой пропускают воду. В области образца трубка позолочена.

При вибрации эталона относительно образца, который электри­ чески связан с первым через сопротивление 100 Мом и потенцио­ метр Р-300 (рис. 49), в цепи возникает переменный ток, а на соп­

ротивлении, следовательно, — разность потенциалов. Вибрация осуществляется электромагнитом, питаемым от генератора ГЗ-7А. Полученная на сопротивлении разность потенциалов подается на электрометрический усилитель II, а с него—на низкочастотный усилитель III. Затем сигнал попадает на осциллограф IV.

При равенстве контактной разности потенциалов, возникаю­ щей между образцом и эталоном, напряжению потенциометра (и при их противоположности знаков) на экране осциллографа сигнал имеет нулевую амплитуду. Данное показание потенциометра фиксируют и по нему находят работу выхода электрона с поверх­ ности образца.

Рис. 50. Конструкция измерительной камеры-ячейки:

1 — электрод сравнения; 2 — электромагнит; 3 — подвесная скоба; 4 —

продольными с целью уменьшения помех. Измерения на этой установке осуществляются автоматически.

В качестве образцов были выбраны медь М2 и цинк Ц2, оки­ сление которых приводит к образованию полупроводниковых окисных пленок соответственно /7-типа (закись меди) и н-типа (окись цинка). Образцы перед экспериментом тщательно шлифовали, промывали в спирте и просушивали на воздухе.

Измерения (рис. 51, 52) проводили (в течение 10 мин) в про­ цессе роста окисной пленки на металле в среде воздуха при темпе­ ратуре 160, 240, 340° С.

На рис. 52 показаны энергетические схемы контакта металла (работа выхода срм) с полупроводниковой окисной пленкой (ра­ бота выхода ф) соответственно р-типа (закись меди) или п-типа (окись цинка).

100

Рис. 51. Зависимость из­ менения работы выходаДф от времени окисления ме­ ди (кривые 1,2,3) и цинка (кривые 4, 5, 6) при тем­

пературе (°С):

При нагревании данных систем уровень Ферми р, в окисной пленке будет смещаться к середине ее запрещенной зоны (схемы 1,6 и II, б). Это приведет к образованию антизапорного барьера в случае контакта металла с окисной пленкой p-типа (схема I, б).

На схемах I, в и II, б учтено также влияние хемосорбции кисло­ рода на внешней поверхности окисной пленки в виде потенциаль-

101

ного барьера, вырастающего к границе раздела окисел—газ. Величина этого барьера зависит от количества электронов, пере­ шедших из металла («туннельный» эффект) и объема окисной пленки на внешнюю поверхность последней в результате хемосорбции кислорода на ней. В начальных стадиях роста окисной пленки на границе окисел—газ преобладает переход «туннельных» электро­ нов, а начиная с некоторой толщины, — электронов из объема пленки. Следовательно, величина хемосорбционного барьера за­ висит от толщины окисной пленки.

На схемах I , а, б и II, а, б (рис. 52) толщина окисной пленки х по величине больше, чем суммарная ширина хемосорбционного Lx и контактного LK барьеров. Если уменьшать толщину окисной пленки, то барьеры, сблизятся, а затем перекроются, как пока­ зано на схемах I, в, г и II, в.

Ход потенциала на схемах I, в и II, в объясняется тем, что электроны (схема I, в) из объема окисной пленки переходят как на внешнюю ее поверхность, так и в металл; в другом случае (схема II, в) электроны, наоборот, переходят из металла в окисную пленку, а оттуда уже в большем количестве — на внешнюю поверхность пленки.

При толщинах окисной пленки х, меньших, чем ширина хемо­ сорбционного Lx и контактного LK барьеров, потенциал в окисных пленках р- и «-типа возрастет от металла к границе окисел— газ (схемы I, г и II, г), что связано с переходом электронов из металла и объема окисной пленки к ее внешней поверхности. Для окисления пленки «-типа возрастание гораздо круче, элек­ троны переходят из металла в окисел, что приводит к увеличению числа электронов на внешней поверхности пленки.

Таким образом, из рассмотрения энергетических схем (рис. 52) следует, что с ростом толщины окисной пленки p-типа работа выхода электрона вначале возрастает до максимума, а начиная с некоторой толщины, убывает до определенного значения. Рост же пленки «-типа приводит только к возрастанию работы выхода до насыщения.

Рост окисной пленки на металле (в соответствии с механизмом Мотта) определяется градиентом потенциала электрического поля внутри окисла. Последний же зависит от величины, ширины и взаимного расположения потенциальных барьеров, вызванных контактом металла с окисной пленкой и хемосорбцией кислорода на ней. Величина и ширина барьеров зависит от температуры, а их взаимное расположение — от толщины окисной пленки (вре­ мени окисления).

Подъем кривых на рис. 51 можно объяснить преобладающим влиянием на изменение работы выхода перехода электронов из металла и объема растущей окисной пленки на внешнюю поверх­ ность (рис. 52, I, г и II, г). Характер этого участка кривых можно объяснить с помощью механизма окисления по Мотту.

102