1.3.1 Вимірювання роботи виходу, базовані на визначенні крп.

Метод динамічного конденсатора як спосіб вимірювання змін роботи виходу заснований на вимірі КРП, що існує між двома пластинами, що перебувають в електричному контакті. Спочатку розглянемо дві ізольовані металеві пластини. Схема рівнів їхніх електронних станів стосовно загального для них рівню вакууму представлена на рис. 1.5, а.

Рис. 1.5. Потенціальні енергії електронів двох металевих пластин, а — пластини ізольовані й не заряджені; E_F1, E_F2 — рівні Фермі; 6 — пластини з'єднані електрично, рівні Фермі зрівноважені; в — між пластинами прикладений компенсуючий зовнішній потенціал.

Якщо ці пластини електрично з'єднані, то умова термодинамічної рівноваги полягає в тому, що у всій системі сталий хімічний потенціал в розрахунку на один електрон. Оскільки електрони підкоряються статистиці Фермі–Дірака, хімічний потенціал дорівнює енергії Фермі E_F (w_F), так що умова рівноваги є рівність енергій Фермі для обох металів (рис. 1.5, б). Тепер електрони поблизу поверхонь металів мають різні потенціали, оскільки рівність рівнів Фермі створюється потоком електронів із пластини 2 до пластини 1, у результаті чого пластина 2 заряджається позитивно, а пластина 1 — негативно. Різниця цих двох потенціалів і є різницею відповідних робіт виходу металів. Якщо для відновлення збігу рівнів вакууму прикладається потенціал Vn (рис. 1.5, в), то цей потенціал буде рівним, але протилежний за знаком різниці робіт виходу. Якщо робота виходу однієї із пластин підтримується постійною (поверхня порівняння), то зміни роботи виходу іншої поверхні будуть проявлятися як зміни контактної різниці потенціалів, і все завдання полягає просто у вимірюванні цих змін. Корисно підрахувати число електронів, що беруть участь у цьому процесі. Наприклад, у конденсаторі, утвореному двома паралельними металевими пластинами площею 10^-4 м², рознесеними на відстань 10^-4 м, для створення контактної різниці потенціалів 1 В буде потрібно перенести лише приблизно 5 • 10¹¹ електронів.

Існує два різні підходи до проблеми вимірювання, і обидва вони залежать від способу детектування потоку зарядів між пластинами конденсатора. Історично першим і найбільш важливим підходом є метод динамічного конденсатора, запропонований в експериментах Кельвіном.

У цьому методі пластини конденсатора коливаються відносно один одного, і в цей час вимірюється потенціал між пластинами. Якщо на пластинах немає заряду, то потенціал дорівнює нулю й залишається нульовим при зміні ємності. Однак якщо на пластинах існує заряд як наслідок контактної різниці потенціалів, то зміна ємності викличе відповідні зміни напруги між пластинами конденсатора. Якщо зовнішній потенціал підключається послідовно з конденсатором і підбирається таким, що він рівний по величині, але протилежний за знаком до контактної різниці потенціалів, то сумарний заряд на пластинах стає рівним нулю й при вібрації пластин не буде відбуватися ніяких змін потенціалу.

В оригінальній установці Кельвіна експерименти проводилися вручну з використанням квадрантного електрометра. У цей час електроніка забезпечує автоматичну реєстрацію величини контактної різниці потенціалів і будь-яких змін, що відбуваються з нею (рис. 1.6). Існує багато тонких і чутливих варіантів цього методу.

Рис.1.6. Блок-схема автоматичного вимірювання і реєстрації КРП, розроблена Делчаром. З подвоєнням частоти коливань.1-потенціометричний вольтметр, 2- електрометричний попередній підсилювач, 3- синхронний детектор, 4- самописець,5-подільник частоти,6- підсилювач потужності.

Альтернативний підхід, або метод статичного конденсатора, заснований на детектуванні потоку заряду, що спостерігається під час зміни контактної різниці потенціалів між двома пластинами, що становлять конденсатор. У цьому методі необхідно прикладати потенціал протягом часу t_r (t_r — час відгуку) набагато меншого, ніж постійна часу контуру, створеного ємністю комірки з контактною різницею потенціалів С і вхідним опором вимірювального ланцюга R. Щоб точність була краще 1%, відношення t_r/(RC) повинне бути меншим за 0,01.

Важливе розходження цих двох методів полягає в тому, що динамічний конденсатор дуже точно вимірює контактну різницю потенціалів, тоді як статичний конденсатор вимірює тільки зміни контактної різниці потенціалів. Ще один недолік методу статичного конденсатора полягає в тому, що він розрізняє не джерела заряду, а тільки струм, тому будь-які зміни, що викликають струм, інтерпретуються як зміни контактної різниці потенціалів.

Експериментальні розробки методу динамічного конденсатора відрізняються в основному способами створення коливального руху пластини конденсатора у вакуумі.

Вимірювання КРП за допомогою електронного пучка ( метод Андерсона ).

Пучок повільних електронів з гармати направляється нормально до поверхні одного з досліджуваних провідників і знімається характеристична крива залежності струму провідника від потенціалу на ньому (ВАХ). Потім змінюється стан поверхні першого провідника або ж електронний пучок підводиться під інший досліджуваний провідник і знову будується зазначена характеристична крива. Відносний зсув двох кривих по осі напруги дорівнює КРП між двома станами поверхні першого провідника або між станами поверхонь першого й другого провідників.

КРП можна вимірювати також за допомогою діода з обмеженим просторовим зарядом. Діод виконується у вигляді циліндричного анода й коаксіальної нитки, у вигляді двох дротів одного діаметра або у вигляді дроту й стрічки .

Відмінність між методом електронного пучка й методом діода полягає в тому, що в першому потік електронів є інтенсивним і створює сильно сфокусований пучок, у другому - джерело більш протяжне і дифузійне.