Фотоэлектронная эмиссия (ФЭЭ)

ФЭЭ — частный случай известного из вузовского курса общей физики фотоэффекта, а именно внешний фотоэффект — испускание электронов твердыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения в вакуум или другую среду. Практическое значение имеет ФЭЭ из твердых тел в вакуум. К основным закономерностям ФЭЭ относятся:

• 1) количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения;
• 2) для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности и температуре Т = О К существует порог — минимальная частота со₀ (максимальная длина волны Я₀) излучения, ниже (выше) которой ФЭЭ нс возникает;
• 3) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения со и не зависит от его интенсивности. Данные закономерности 100 лет назад были объяснены А. Эйнштс-

ном на основе формулы, представляющей собой, по существу, закон сохранения энергии:

где Ф — работа выхода электрона из металла, второе слагаемое в правой части — кинетическая энергия вылетевшего из металла электрона. Порог ФЭЭ для металлов определяется соотношением hco₀ = Ф.

ФЭЭ — результат трех последовательных во времени процессов:

• а) поглощения фотона и как результат — рождение фотоэлектрона с высокой (по сравнению со средней энергией электронов внутри металла) энергией внутри объема облучаемого материала;
• б) движения этого электрона к поверхности, при этом часть его начальной энергии может рассеяться;
• в) выхода электрона в другую среду (в частности, в вакуум) через поверхность раздела.

Количественно ФЭЭ характеризуют квантовым выходом (У) — числом вылетевших электронов, приходящихся на один фотон, падающий на поверхность. Величина У зависит от свойств твердого тела, состояния его поверхности и энергии фотонов. Проиллюстрируем процессы формирования ФЭЭ с помощью энергетических схем (рис. 3.7), на которых тонкие волнистые стрелки соответствуют фотонам, прямые — электронам.

ФЭЭ из металлов возникает, если энергия фотона Нсо превышает работу выхода металла Ф (рис. 3.7, а). Для чистых поверхностей большинства металлов Ф > 3 эВ, поэтому ФЭЭ из металлов (если Ф не снижена специальными покрытиями поверхности) может.

Рие. 3.7. Энергетические схемы наблюдаться от видимой до.

фотоэлектронной эмиссии: рентгеновской области спектра.

а-изметалла;

б — из полупроводника c_X>2E_s падающего электромагнитного излучения. Вблизи порога ФЭЭ в видимой части спектра для большинства металлов Y ~ 10 ⁴ электрон/фотон. Столь малое значение У обусловлено тем, что свет проникает в металл на глубину ~10 ⁷ м и там в основном поглощается. Фотоэлектроны при движении из объема к поверхности взаимодействуют со свободными электронами, которых в металле много, и энергия фотоэлектрона быстро рассеивается в столкновениях со свободными электронами. Энергию, достаточную для совершения работы выхода, сохраняют только те фотоэлектроны, которые образовались вблизи поверхности на глубине, не превышающей 1 нм. Кроме того, малое значение У для металлов обусловлено тем, что их поверхности сильно отражают видимое и ближнее УФ-излучения.

С увеличением энергии фотонов Н<�о квантовый выход У из металлов медленно возрастает вплоть до Нсо = 15 эВ. При значении Нм >15 эВ коэффициент отражения поверхности металлов R резко падает (до ~5%), а энергия фотоэлектронов внутри металла возрастает. Поэтому У быстро увеличивается, достигая для некоторых металлов (Pt, W, Sn, Та, In, Be, Bi) значений 0,1−0,2 электрон/фотон. Случайные загрязнения могут сильно снизить Ф, вследствие чего порог ФЭЭ сдвигается в сторону более длинных волн (из УФ в видимую область) и У в этой области может сильно возрасти. Резкого увеличения У и сдвига порога ФЭЭ металлов в видимую область спектра можно достичь путем уменьшения работы выхода поверхности, то есть покрытия чистой поверхность металла монослоем электроположительных атомов или молекул (Cs, Rb и др.), образующих на поверхности дипольный электрический слой.

В полупроводниках и диэлектриках (рис. 3.7, б) порог ФЭЭ.

где ?" - ширина запрещенной зоны; параметр / - сродство полупроводника к электрону — величина потенциального барьера для выхода в вакуум электронов, перешедших из валентной зоны в зону проводимости. В собственных (нелегированных) полупроводниках электронов проводимости (свободных) мало, поэтому в них, в отличие от металлов, рассеяние энергии фотоэлектронов на элекгронах проводимости роли не играет. В этих материалах фотоэлектрон теряет энергию при взаимодействии с электронами валентной зоны (при этом может происходить ударная ионизация остовных атомов) или с тепловыми колебаниями кристаллической решетки (рождение фононов).

Скорость рассеяния энергии и глубина, с которой фотоэлектроны могут выйти в вакуум, зависят от величины у и от соотношения Е_н и /. Если 2E_g < у, то фотоэлектрон с начальной кинетической энергией >/ рождает электронно-дырочную пару. Длина пробега на рассеяние энергии в таком акте (~1−2 нм) во много раз меньше глубины проникновения излучения в кристалл (0,1−1 мкм). В этом случае подавляющая часть фотоэлектронов по пути к поверхности теряет энергию и не выходит в вакуум. В этих материалах вблизи порога ФЭЭ Y ~ 10 ⁶ электрон/фотон и даже на относительно большом расстоянии от порога (hco = hcoo + 1 эВ) все еще не превышает 10 ⁴ электрон/фотон.

Если E_g > /, а энергии оптических фононов в твердом теле ~ 10 ' эВ, то фотоэлектроны затрачивают энергию на рождение оптических фононов, при этом энергия фотоэлектронов рассеивается в полупроводнике на длине пробега / всего — 15−30 нм. Поэтому даже если снизить х полупроводника до 1 эВ, ФЭЭ вблизи порога остается малой. В диэлектрических кристаллах щелочно-галоидных соединений, где длина пробега — 50— 100 нм, х невелико, поэтому Y резко возрастает от самого порога ФЭЭ и достигает высоких значений.

Очистка поверхности полупроводника в сверхвысоком вакууме, нанесение на нее монослоев атомов или молекул, снижающих х, и специальное легирование позволяют создать в тонком приповерхностном слое сильное внутреннее электрическое поле. Это поле ускоряет фотоэлектроны и уменьшает работу выхода так, что E_g> Ф. При этом высота потенциального барьера / может стать ниже уровня дна зоны проводимости в объеме кристалла. Это обеспечивает выход в вакуум значительного числа термализованных электронов с большой глубины (до одного микрона).