Б.Метод сдвига вольтамперных характеристик

(метод Андерсена)

Метод основан на измерении вольтамперной характеристики (ВАХ) термоэмиссионного тока катода. Простейшая схема такого эксперимента приведена на рис.2.10.5. Пусть катод заземлен, а на анод подается регулируемое напряжение от источника. При больших положительных напряжениях все эмитированные электроны находятся в поле, притягивающем электроны к аноду, и беспрепятственно доходят до него (точка б на рис.2.10.6- а). Будем уменьшать разность потенциалов. Из энергетической схемы (рис.2.10.6- б) ясно, что величина тока сохранит свое значение до того значения напряжения V* (точка в на рис 2.10.6- а), при котором градиент потенциала станет равным нулю (рис.2.10.6- в) Это имеет место в случае, если:

(2.10.26)

или:

(2.10.27)

Начиная с этого момента, при дальнейшем уменьшении напряжения у катода появляется тормозящее поле (рис.2.10.6- г), вследствие чего наиболее медленные электроны не способны достичь анода и возвращаются на катод. Ток уменьшается (точка г на рис 2.10.6- а), причем, поскольку основная масса термоэлектронов имеет небольшую энергию, спад тока происходит достаточно быстро. Понижения потенциала на 0.8...1.0 В обычно бывает достаточно для того, чтобы ток практически стал равен нулю. Форма кривой определяется энергетическим распределением электронов и в полулогарифмическом масштабе близка к прямолинейной. Получив таким образом ВАХ (кривая 1 на рис.2.10.6- а), заменим анод. Пусть он изготовлен из другого материала с другой работой выхода . Очевидно, что значение истинной разности потенциалов при том же V изменится вследствие другой контактной разности потенциалов. Соответственно, это приведет и к другому значению напряжения (кривая 2 на рис.2.10.6- а), при котором начнется уменьшение эмиссионного тока:

(2.10.28)

Таким образом, если удалось определить начало уменьшения тока и известна j_а - работа выхода первого, эталонного, электрода, то можно определить и второго:

(2.10. 29)

Однако, определить V* с высокой точностью трудно, так как переход к насыщению происходит обычно плавно. Кроме того, на рис.2.10.6- а приведена несколько идеализированная кривая. Чаще всего отсутствует строгое насыщение тока. Наблюдается либо небольшое возрастание, либо небольшой спад тока вследствие особенностей поведения коэффициента отражения электронов от анода, а также изменения экспериментальных условий - меняются условия фокусировки электронного пучка из-за некоторого изменения распределения поля в пространстве. Поэтому изменение величины j при смене электродов регистрируют не по V*, а по смещению вольтамперных характеристик вдоль оси абсцисс. При этом используют то обстоятельство, что распределение электронов по энергиям, а, следовательно, форма вольтамперной характеристики определяется только свойствами катода, который одинаков в обоих экспериментах. Поэтому во втором случае ВАХ должна быть просто смещена относительно первой на величину DV=(j_a⁽²⁾-j_a)/e. Необходимым условием применимости этого метода является сохранение формы характеристики. Какие-либо искажения: изменение наклона, появление особенностей (например, ступенек и т.п.) - означают изменение экспериментальных условий или наличие неоднородных участков на поверхности. В этом случае метод Андерсена не применим.

Точность метода существенно зависит от распределения эмитированных электронов по энергиям. Чем меньше разброс по составляющим скорости термоэлектронов, по которым проводится анализ в данных условиях эксперимента, тем круче ВАХ и тем точнее можно определить разницу работ выхода. В простейшей системе - плоские катод и анод - получить узкую ВАХ невозможно, поскольку при такой геометрии тормозящее поле действует только вдоль нормали к электродам, т.е. на составляющую скорости v _z . Лучше воспользоваться электронной пушкой, с помощью которой пучок электронов может быть сфокусирован на малый участок поверхности образца. При этом пользуются тем, что полная энергия электрона не изменяется при фокусировке. Меняется только соотношение между отдельными компонентами скорости ( v_x,v_y,v_z ). Тем самым удается сузить ВАХ.

Электронная пушка (рис.2.10.7) состоит из катода (К), цилиндра Венельта (В), набора фокусирующих электродов (Э₁-Э₃) и дрейфовой трубки. На цилиндр Венельта обычно подается небольшой отрицательный потенциал относительно катода. За счет провисания поля в отверстие донышка цилиндра возникает узкий канал, через который электроны могут выходить из катодного узла. Тем самым ограничиваются размеры источника электронов. Далее пучок фокусируется электронными линзами, создаваемыми электродами Э₁, Э₂ и т.д. Дрейфовая трубка служит защитой от внешних по отношению к пушке электрических полей, которые способны исказить траекторию движения электронов.

Введение дополнительных электродов, входящих в состав пушки, не влияет на энергию электронов, приходящих на анод. Она определяется только разностью потенциалов между катодом и анодом. В качестве примера на рис.2.10.8 приведена энергетическая схема для системы, включающей в себя помимо анода и катода две сетки - G₁ и G₂. Видно, что если потерь энергии при движении электрона нет (например, рассеяние на атомах остаточного газа и т.п.), то насколько электрон ускоряется при подходе к сетке, настолько же он тормозится при дальнейшем движении. Высота барьера остается такой же, как и в случае отсутствия сеток (штрихпунктирная линия на рисунке).

Решающим для точности метода является качество фокусировки. Выбор режимов питания электронной пушки и определение диаметра пучка является сложной задачей. Поскольку в методе Андерсена используются медленные электроны, то применение для этих целей экранов с люминофорами возможно только после ускорения электронов.

Для этого перед экраном (как можно ближе к нему) устанавливается сетка с высокой прозрачностью, на которую и фокусируется пучок электронов (рис.2.10.7). Рассеяние медленных электронов на ячейках сетки, на которых, вследствие провисания поля возникают электронные линзы, может вызвать значительное перераспределение электронного пучка. Поэтому желательно иметь ячейки малого размера. Лучше всего для этого подходят сетки, изготовленные электролитическим методом. Плетеные сетки имеют значительно больший размер ячеек. Другая возможность определения размеров пучка - использование координатно-чувствительного детектора.

При хороших условиях, когда ширина ВАХ составляет ~0.5...0.8 В, погрешность определения работы выхода составляет ~ 0.03 эВ. Метод сдвига вольтамперных характеристик широко используется в современных исследованиях. Это вызывается тем, что он хорошо совместим с другими методами изучения поверхности, использующими для получения информации электронные пучки (дифракция медленных электронов, электронная оже спектроскопия и т.п.). Однако, если требуется высокая точность, лучше использовать специализированную пушку, поскольку их конструкции различаются в зависимости от необходимой энергии электронов.

Недостатком метода является то, что он, также как и метод вибрирующего конденсатора, является сравнительным. Измеряется не абсолютная величина работы выхода, а ее отличие от работы выхода эталонной поверхности.

Поиск по сайту: