Файл: Евдокимов, В. Д. Экзоэлектронная эмиссия при трении.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 19.10.2024

Просмотров: 100

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

за 24 часа - до 20 S и практически не изменялась в дальнейшем. По­ нятно ,' что работа выхода меняется не с толщиной окисла, а по мере "старения" поверхности.

Эксперименты по влиянию света на скорость окисления (рис. 60) подтвердили модель Мотта для алюминия. Из этой модели следует, что наружная поверхность окисла заряжена отрицательно. Тогда при толщине окисной пленки, много меньшей дебаевской длины экрани­

рования (L « L r j ) , H

при отрицательном

заряжении поверхности

р а ­

бота выхода должна

увеличиваться, но не

уменьшаться. Это

не

с о г ­

ласуется с

данными

для AI

и

Zn. Такую

противоречивую

на

пер­

вый взгляд

картину,

когда

при

отрицательном заряжении

поверхнос­

ти работа выхода уменьшается, можно объяснить, используя зонную модель окисной пленки, включающую поверхностные состояния [344] .

На диаграммах рис. 69 по вертикали отложена энергия электронов. Для удобства объяснения металл и окисная пленка вначале условно разделены (рис. 69,а) . Вблизи границы раздела металл - окисел пока­ заны поверхностные состояния - S - локальные поверхностные энерге ­ тические уровни типа таммовских [344-346]. Когда поверхностный з а ­ ряд окисла равен нулю, часть поверхностных состояний, находящихся ниже уровня Ферми F, заполнена электронами. Если металл и окисел привести в контакт (рис. 69,6), то поверхностные состояния могут

заряжаться в случае

<р

< m

и разряжаться при <р

> ©

 

где

Ф

И

 

 

_

 

 

 

м

т

о

 

 

 

 

т м

т о „

 

*м

 

9

-

работа

выхода

металла

и окисла

соответственно. Для рассмат ­

риваемого случая

ш

> m

поэтому окисная

пленка заряжается

положи-

тельно, отдавая электроны с уровней

 

S,

пока

не

произойдет

вырав­

нивания

фермиевских

уровней

металла и

окисла. Высота

потенциального

барьера

у

на

границе

металлокисел

будет определена

разностью

у =

Ч м ' Х " ^ '

 

г Д е

X

 

-

сродство

окисла

к

электрону;

\г

-

по ­

ложительный

потенциал,

до

которого

зарядилась

окисная

пленка. Экра­

нирование поверхностного заряда в объеме окисла незначительно вслед­ ствие малой толщины пленки. Поэтому заметного искривления энерге ­ тических зон не будет. Но оно произойдет, если пустые уровни А адсорби­ рованного кислорода будут заполняться за счет туннелирования элект ­ ронов из металла или опустошения донорных центров D. Это вызовет отрицательное заряжение наружной поверхности окисла и изменение по ­

верхностного потенциала

на

величину

Ѵд,

которую

можно оценить в

0,5

эв

[343, 347] . Из

рис. 69,в

следует,

что работа

выхода

окислен­

ной

металлической

поверхности

<ро м

равна

 

 

 

 

 

Ч Ъ м = Ѵ + Х + Ѵ А ;

(

 

М =

%л - V s

+ Ѵ А -

 

 

 

(7.5)

Если

V s

положительно,Р 0

то

 

работа

выхода

либо

возрастает, либо

умень ­

шается,

в зависимости

от

соотношения величин

V s

и Ѵд.Если

же

V s

отрицательно (при

<рм

<<ро ) ,

 

то

работа выхода

металла

при

окис­

лении

должна увеличиться.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По спектральной характеристике внешнего фотоэффекта для окислен­

ного алюминия (рис. 67)

можно

оценить величину некоторых парамет­

ров рассматриваемой на рис. 69

диаграммы [ 306]. Отчетливый минимум

на

спектральной кривой

при

hv

 

= 4,6 эв

может быть приписан

р е з о -

143

'О

1F

Металл g Окисел

Рис. 69. Изменение работы выхода металла при покрытии его тонким слоем окисла ( L < < L , ^

а - металл и окисная пленка условно разделены; б- положительное заряжение окисной пленки при опустошении уровней поверхностных сое - тояний S ; в - отрицательное заряжение поверхности при заполнении уровней А адсорбированного кислорода

нансному

взаимодействию

фотоэлектронов

с

D-центрами. Сечение

этого взаимодействия будет наибольшим при

равенстве

кинетической

энергии

электронов

W в

зоне

проводимости

окисла и

энергии

акти­

вации

Е

донорных центров

(ѴѴ =

Е).

Но из

рис. 69 следует,

что

энер ­

гия электрона, поглотившего квант

h v m j n

и

преодолевшего

барьер ѵу,

равна

W = h v m j n - i j j .

Отсюда

 

 

 

 

 

 

 

h v m i n

Е

 

 

 

 

 

 

 

 

(7 -6)

Предполагаем, что уровень Ферми в отдельном окисле располагался по­ средине между дном зоны проводимости и уровнями D. Тогда, срав ­ нивая рис. 69,а и б, находим

у =

Е / 2

+ V s .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.7)

Используя найденные нами ранее для алюминия значения

 

q>M

 

= 4,25 эв,

Ч>ом=

3,65

эв,

h u m j n

= 4 , 6

эв,

принимая

= 0,5

эв

и

решая с о в ­

местно уравнения (7.5-7.7),

получим

V

= 1 , 1 'эв,

 

Е

=

2,33

эв,

"Х^= 0,88 эв и

у

= 2,27 эв. Отмеченное

выше изменение со

време ­

нем работы

выхода

поверхности

алюминия

связано, по-видимому, с

изменением

спектра

уровней

S

и степени

их заполнения. Это долж­

но в свою

очередь

изменять

величину

ц>.

Тогда

у

принимает

с л е ­

дующие значения: через 1 час -

2,32

эв,

24

ласа -

2,35

эв,

48

 

ча ­

сов -

2,42

эв, 1

месяц

-

2,59 эв.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Плотность поверхностных состояний и их

энергетический

спектр

зависят от условий обработки поверхности металла

и

его

окисления.

Об этом свидетельствует

то

обстоятельство, что исследователи,

р а з ­

ными

способами

изготовлявшие туннельные структуры Л1 - AI О

-

металл

144

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 13

Параметры окисных пленок, выращенных на металлах

Металл

-

окисел

 

E 3

 

X

 

 

 

 

 

AI

-

Ab 0 3

2,3

6,3-r

8,2

0,9

Mg-

MgO

2,3

5,5r

8,7

1,0

Zn - ZnO

1.4

3,2

2,0

Cd - CdO

0,7

2,5

3,1

Sn

- SnO ,

0,8

3,54т

4,3

3,0

Nb - N b , O s

0,2

3,4

3,3

T i

-

TiO ,

0,1

3,0r3,5

3,9

получили

разные

значения

величины

у-

от

1,6

до

2,5

эв

 

[348-

354].

Была

сделана приблизительная оценка

[ 304]

параметров

окисных

пленок

для

других

металлов в

предположении,

что

Ѵд

= 0,5 эв. Зна­

чения

этих

параметров сведены в табл.

13,

где величина

Е 3 -

ши­

рина запрещенной

зоны окисла.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чем больше энергия сродства окисла к электрону \

и чем

мень ­

ше работа

выхода

металла

q> м

(табл.

13),

тем

больше

вероятность

того,

что пустые

уровни поверхностных

состояний

S

окажутся

ни­

же заполненных уровней валентной зоны металла. Тогда при заполне­

нии

электронами

уровней

S

окисел заряжается

отрицательно,

вели­

чина

V g

будет

отрицательной и работа выхода металла при окисле­

нии

возрастает,

что и наблюдается при исследовании титана.

Таким

образом,

работа

выхода

окисленной поверхности

зависит как

от

п а -

паметров

пленки

окисла,

так

и от условий ее образования.

 

 

Обсуждение моделей, связывающих экзоэлектронную эмиссию и окис­ ление металлов после механической обработки. Эксперименты показали, что на интенсивность фотостимулированной экзоэлектронной эмиссии влияют толщина окисного слоя и скорость его образования. Обычный фототок при коротковолновой подсветке уменьшается вследствие по ­ глощения электронов в пленке окисла

I = I o f i x p ( - L / L 0 )

Затухание экзоэлектронной эмиссии должно описываться более слож­

ной зависимостью, поскольку спад интенсивности происходит и за

счет

поглощения электронов в окисле, и за счет уменьшения площади

эмит -

тирующей поверхности'

 

I = l o e x p ( - L / L 0 ) , d L / d t ,

 

где dL/dl-скорость окисления, пропорциональная числу неравновесных

145

473 10

микроскопических участков поверхности, из которых выходят экзоэлектроны.

Если интенсивность экзоэлектронной эмиссии привести к постоянной

площади эмиттируюшей поверхности I/(dL/dt),

то

снова получим

экспоненциальную зависимость от толщины окисла

L.

Выполнимость

приведенных законов показана на рис. 70 для

магния,

облучаемого м о ­

нохроматическим светом. В первом случае энергия световых квантов

была значительно больше среднего значения

работы

выхода

q>

окис­

ленного металла

(см. рис. 67,6), во втором

случае энергия была мень ­

ше. Величины dL /dt

для соответствующих

моментов времени были

получены путем

дифференцирования кривой L =

f(t)

для магния

(рис.60).

Разные углы наклона прямых 1 и 3 на рис.

70

свидетельствуют

о том,

что характеристическая длина пробега L Q

фотоэлектронов в

окисле

зависит от энергии квантов возбуждающего света.

 

 

 

Деформированная

в процессе механической

обработки поверхность

металла насыщена дефектами кристаллической решетки. В местах скоп­

лений дефектов работа выхода электрона уменьшается,

так как

она

является структурно зависимой величиной. Со временем

происходит " з а ­

лечивание" поверхностных дефектов, в результате чего

участки

с пони­

женной работой выхода исчезают. Такая точка зрения, связывающая экзоэлектронную эмиссию с деформационными дефектами поверхности, уже обсуждалась нами ранее.

При различных видах механической обработки металла с его поверх­ ности удаляется окисная пленка, которая вновь быстро восстанавливается при контакте с атмосферой или в невысоком вакууме. Дальнейшее окис­ ление идет за счет отрыва металлических ионов и выхода их на поверх­ ность окисного слоя. Такой процесс облегчен в местах выхода вакансий, дислокаций, на границах блоков и т.п. На поверхности, насыщенной дефекта­ ми, образуется более толстая окисная пленка [335]. Положительные ионы металла на поверхности окисла образуют участки с пониженной работой вы ­ хода, как это показано на рис . 71 . Чем толще становится слой окисла, тем больше затрудняется диффузия—дрейф ионов металла через него и, тем меньше число локальных понижений работы выхода. И, наконец, ионы совсем исчезнут с поверхности окисла, когда образуется окисная пленка предельной толщины. Кроме локальных понижений наблюдается и общее

изменение

работы

выхода поверхности

металла

при

покрытии слоем

окисла. Знак этого

изменения зависит

от строения

энергетических

зон окисных пленок. На алюминии общее понижение

работы

выхода с у м ­

мируется

с локальными понижениями, поэтому

фотоэффект

начинается

при очень малой энергии световых квантов. На титане, наоборот, общее повышение работы выхода при окислении затушевывает локальные по ­ нижения и фотоэффект наблюдается только при коротковолновом осве ­ щении.

Фототок является температурно-зависимой величиной. При энергии квантов, меньшей работы выхода (hu < Ф ) , для интенсивности фото­ эффекта можно записать [267]

I

кТ

1_

 

= а А Т 3 ( е

2 J

е

146

Рис. 70. Зависимость фототока (1) и

экзоэлектронной эмиссии (2)

от

толщины

L растущей окисной

пленки

на

магнии. Энергии квантов

подсветки

соответственно:

hv і

= 4,7

эв;

hv3 =

3,4

эв; 3 - интенсив­

ность экзоэлектронной эмиссии, приведенная к постоянной площади

эмиттирующей поверхности

J

;

значения

dL/dt

рассчитаны

по

данным рис. 60.

dL/dt

 

 

 

 

 

Рис. 71. Локальные понижения работы выхода металла при окислении

Установлено,

[304], что

локальный разогрев поверхности

при элемен­

тарном акте

окисления,

рассчитанный по формуле (7.4), может

быть

значительным только для очень коротких отрезков времени

t «

10"1 3

сек и на очень малых участках поверхности

радиусом

2-10

см.

Точ ­

ный расчет сложен. Приближенные расчеты

показали,

что

интенсив­

ность предполагаемой термофотоэмиссии при окислении на много по ­ рядков меньше экспериментально наблюдаемой интенсивности э к з о ­ электронной эмиссии. Хотя локальные разогревы и не вызывают н е ­ посредственно излучения экзоэлектронов, они способствуют отрыву (испарению) ионов металла- и образованию локальных понижений рабо­ ты выхода.

Рассмотренные элементы механизма экзоэлектронной эмиссии не обязательно должны быть самостоятельными, а скорее являются звенья­

ми

сложных процессов взаимодействия деформированного твердого т е ­

ла

с окружающей средой. Вполне возможно, что приведенные взгляды

на

природу экзоэлектронной эмиссии нуждаются в дополнении и

р а з ­

витии, возможно появление и новых гипотез с соответствующим

э к с ­

периментальным подтверждением. Однако на данном этапе эти пред­

ставления, как мы полагаем, являются приемлемыми, так

как способ­

ны объяснить многие наблюдаемые эффекты.

 

 

 

При выяснении закономерностей взаимосвязи экзоэлектронной

э м и с ­

сии и окисления металлической поверхности,

как это нетрудно з а м е ­

тить, была применена зачистка поверхности,

в основном, с

помощью

абразивных шкурок, царапанием или обработкой надфилем.

Такая

обра­

ботка поверхности выбрана не случайно, так

как вызывает

эффективное

изнашивание с обнажением ювенильной поверхности при минимальных

147

Смотрите также файлы