книги из ГПНТБ / Евдокимов, В. Д. Экзоэлектронная эмиссия при трении

определяющие скорость роста окисной пленки в начальных стадиях окис­

но было бы ограничиться только в сухой атмосфере. В реальных усло­ виях на поверхности окисла всегда адсорбируется пленка влаги. Присут­

лами (анодные и катодные участки;. Но слой электролита не препят­

ных изменений свойств поверхностей металлов по сравнению с пребы­ ванием их в чистом сухом воздухе [ 328] . Поэтому можно считать, что наличие влаги в атмосфере лишь несколько увеличивает скорость окис­ ления на последующих стадиях этого процесса, но не меняет разви ­ тых выше представлений о протекании начальных стадий.

Экзоэлектронная эмиссия с металлических и неметаллических крис­ таллов после механической зачистки поверхности. Обычно объектами исследования при изучении экзоэлектронной эмиссии с деформирован­ ных металлов являются алюминий, магний, бериллий, цинк. Но часто,

не превышал фона аппаратуры либо объяснялся внедрением частиц аб ­ разива, если образцы претерпевали предварительную абразивную об ­ работку. Так, Лофф [31] показал, что эмиссия наждачной бумаги на порядок превышала эмиссию с золота, меди и железа. Для того чтобы проверить, является ли способность эмиттировать экзоэлектроны об ­ щим свойством всех металлов с механически обработанной поверх­ ностью, нами были исследованы с помощью открытого счетчика моно­ кристаллические и поликристаллические образцы ряда металлов и по ­

щеткой, напильником, абразивом, сводилась к снятию окисленного по ­ верхностного слоя металла. В темноте эмиссии не наблюдалось ни на одном из образцов, хотя фон счетчика не превышал 3 имп/мин.

132

личных элементов существенно различаются-, то следует ожидать, что и границы эффекта, связанного с зачисткой поверхности в атмосфер­ ных условиях, также лежат в довольно широком диапазоне энергий.

Поэтому в дальнейших исследованиях образцы освещались ртутной кварцевой лампой СВД-120А через фильтры УФСЗ толщиной 3 и 5 мм и УФС2 толщиной 2 мм. Коротковолновые границы пропускания этих фильтров на уровне 0,025 соответствуют энергиям квантов 3,87; 3,96 и 4,50 эв. При таком освещении интенсивность эмиссии на некоторых

133

металлах превышала величину ( I f 1,5) -10 имп/мин, при которой в о з ­ буждался непрерывный разряд в счетчике , чго обозначено в таблице значком "нр". Как видно из табл. 9, для большинства элементов с ч е т ­ чик регистрирует эмиссию лишь при энергиях квантов подсветки, пре ­ вышающих табличное значение работы выхода электрона (обычный фо­ тоэффект). Исключение составляют металлы, обнаружившие фотоэлект­

дающая дефекты структуры, резко изменяет эмиссионные свойства по ­ верхности.

При исследовании ртути слой окисла, плавающий на поверхности, снимался фильтровальной бумагой. Не исключено, что значительная

Итак, некоторые элементы обнаруживают длинноволновый фотоэф­ фект после механической обработки в атмосферных условиях - э к з о - электронную эмиссию. У одних сдвиг красной границы фотоэффекта в длинноволновую область значителен (алюминий), у других - очень н е ­ значителен (свинец). Поэтому для окончательных выводов нужны более детальные спектральные исследования.

Если выписать ряд металлов, обнаруживших экзоэлектронную эмис ­

и интенсивностями эмиссии. В табл. 10 интенсивность эмиссии с алю ­

прийти к выводу о справедливости химической гипотезы, объясняющей экзоэлектронную эмиссию. Действительно, чем больше выделяется энергии при окислении, тем выше эмиссия. Но такое заключение будет преждевременным, так как существует ряд металлов, у которых теп ­ лоты образования окислов велики, но экзоэлектронная эмиссия отсут ­ ствует (табл. 11). Так, скорость окисления титана в течение первых двух часов примерно в 1,5 раза выше, чем у алюминия [334 , 335], теплота образования окисла примерно та же, а работа выхода электро­ на существенно ниже, и тем не менее индуцированный зачисткой фо­ тоэффект отсутствует.

Можно сделать предварительные выводы: экзоэлектронная эмиссия наблюдается на металлах, образующих окислы n-типа; и большему тепловому эффекту окисления соответствует большая интенсивность эмиссии [ 304 ] .

134

ловиями для возникновения экзоэлектронной эмиссии. Свойства поверх­ ностных слоев, образующихся при взаимодействии с атмосферой, оп­ ределенным образом влияют на фотоэлектрические свойства металлов. Окисные и адсорбированные пленки могут подавить фотоэффект за счет создания потенциальных барьеров, увеличивающих работу выхода, а также за счет поглощения ими электронов. Мы полагаем, что необ­ ходимы опыты, которые четко разграничили бы влияние различных фак­ торов на интенсивность эмиссии и давали бы ответ на следующие воп­ росы. Есть ли связь между скоростью окисления (числом актов окис­ лениями интенсивностью экзоэлектронной эмиссии? Как связана ин ­ тенсивность фотоэффекта (обычного и индуцированного) с толщиной растущей окисной пленки? Как влияют параметры окислов на работу выхода окисленной поверхности? И, наконец, необходимо по возмож­ ности более четко разграничить фотостимулированную экзоэлектронную эмиссию и обычный фотоэффект.

эмиссии была на уровне фона, прирост окисного слоя был незначитель­ ным. Та же пленка после механической зачистки лезвием окислялась

135

Врепя, пин

Рис. 62. Экзоэлектронная эмиссия с вакуумных конденсатов алюминия

1 - незалищенная пленка на стеклянной подложке; 2 - та же пленка после зачистки; 3 - незачишенная пленка алюминия на латунной под­ ложке

136

Рис. 63. Толщина окисной пленки L и интенсив­ ность экзоэлектронной эмис ­ сии на образцах сплавов

Mg-Cd

Рис. 64. Зависимость ин­ тенсивности экзоэлектронной эмиссии, с алюминия от ско­ рости нарастания окисной пленки dL/ dt

чаются от сплавов с близкими концентрациями [337] . Некоторое р а с ­ согласование в ходе кривых для экзоэлектронной эмиссии и окисной пленки в области 7 4 т 7 6 атомных процентов Cd объяснено особен­ ностями окислительного процесса этих сплавов [302, 304].

Опыты показали, что при увеличении скорости окисления возрастает интенсивность экзоэлектронной эмиссии. Такой вывод согласуется с гипотезой хемоэмиссии, предполагающей прямую пропорциональную з а ­ висимость между числом актов окисления и интенсивностью эмиссии. Для проверки подобного предположения был построен график зависи­

тельно, если акт окисления и происходит на внешней поверхности окис­

ности окисла, как, например, по гипотезе "комплексов" Денисова и Ричардсона [ 4 6 ] . Тогда экзоэлектрон должен поставляться из окисной пленки или же из металла. Необходимо выяснить, каким образом пере­ дается энергия окисления этому электрону, пространственно разделен­ ному с образующейся молекулой окисла. Если электроны эмиттируют из окисла, то с увеличением толщины окисной пленки эмиссия должна возрастать. Если экзоэлектроны вылетают из металла, то эмиссия бу­ дет затухать при нарастании окисла.

137

ф max

Al

0,8\

ff, В

Р и с . 65. Затухание электронной эмиссии на окисляющихся металлах при облучении светом ртутной кварцевой лампы

1 - через фильтр УФС4; 2 - через фильтр УФС1

Экзоэлектронная эмиссия и толщина окисной пленки на металле. Зависимость интенсивности фототока и фотостимулированной экзоэлект­ ронной эмиссии от времени с момента зачистки образцов приведена на рис. 65. Соответствующие кривые роста окисных пленок на тех же

сии непосредственно от толщины окисной пленки, получим экспонен­ циальную зависимость для фототока и более сложную зависимость для экзоэлектронной эмиссии (рис. 66).

Поглощение фотоэлектронов в окисной пленке подчиняется законо­ мерности (7.2). Независимо от того, окислялся образец при освеще­ нии или же в темноте, интенсивность экзоэлектронной эмиссии всегда

возрастала. Затухание ее с ростом окисной пленки подтверждает пред­ положение о том, что экзоэлектроны, как и обычные фотоэлектроны,

наряду с поглощением экзоэлектронов происходит уменьшение началь­ ной интенсивности их потока. Необходимо выяснить, за счет чего это

Работа выхода окисленных металлических поверхностей и спектраль­ ная зависимость фотоэффекта. Определение работы выхода электрона из окисленного металла по данным фотоэлектрических исследований является довольно сложной задачей, поскольку для подобных поверх­ ностей понятие порога фотоэффекта не определено, а спектральную характеристику невозможно описать универсальной формулой. Извест -

138

ные методы определения границы фотоэффекта - методы Фаулера, Дюб - риджа и Кэрролла [267, 338, 339] - разработаны для случая чистых металлических поверхностей и поэтому непригодны для окисленных. Кроме того, исследуемые поверхности не являются равновесными, так как увеличивается толщина окисного слоя и возникают локальные перегревы. Но сопоставление спектральных исследований с данными измерений контактной разности потенциалов дает возможность про­ анализировать экспериментальные результаты и сделать ряд опреде­ ленных заключений относительно особенностей фотоэлектронной эмис ­ сии с окисляющихся металлов [175, 306].

Спектральные характеристики внешнего фотоэффекта представлены на рис. 67, 68. Интенсивность эмиссии измерялась открытым г е й г е ­ ровским счетчиком, освещенность поверхности образца монохромати­ ческим светом определялась с помощью фотоэлемента СЦВ-6 с и з ­ вестной спектральной чувствительностью. Выходная щель светосильного монохроматора была смонтирована непосредственно у верхнего откры­

ной дифракционной решетки) и рассеянным светом, исключались тем, что после выходной шели монохроматора ставились светофильтры соответствующего спектрального диапазона. Кривые на этих рисунках

139

•/7-7.

\

1

л z 1

J 5hù,sE 5 H aß

Рис. 67. Спектральная зависимость квантового выхода фотоэффекта с окисляющегося алюминия ( а ) , магния (6) на разных стадиях окисления

возрастает доля отраженного света, поглощение света в поверхност­ ном слое уменьшается, поверхностный фотоэффект падает. Объемный же фотоэффект начинается при hu > 9 эв.

Существование длинноволновых "хвостов" не может быть объясне­ но только изменением работы выхода металлической поверхности при

140

y, W7электр./кВант.

тод контактной разности потенциалов, усредненное значение работы

шается, что объясняется поглощением электронов в толще вырастаю­ щего окисного слоя. Вся кривая в целом смещается вправо (рис. 67),

141