книги из ГПНТБ / Соммер А. Фото-эмиссионные материалы

3.Квантовый выход фотокатодов каждого типа ме­ няется от образца к образцу примерно в 2 раза. Значе­ ния квантового выхода, приведенные в таблице, относят­ ся к лучшим образцам.

4.Квантовый выход фотоэмиссии вблизи длинновол­ новой границы меняется от образца к образцу значи­ тельно сильнее, чем в области высокой чувствительности. Поэтому величины Ко следует рассматривать лишь как наиболее вероятные значения длинноволнового порога фотоэмиссии. Величина «1 % от максимума» выбрана со­ вершенно произвольно. Как уже отмечалось, абсолютное значение порога фотоэмиссии установить трудно, по­

практических применений выбранный предел ( 1 % от максимума) представляется полезным.

5.Интегральная чувствительность фотокатодов (вы­ раженная в мка/лм), так же как и квантовый выход, ме­ няется от образца к образцу примерно в 2 раза. В таб­ лице приведены значения для лучших образцов.

6.Ширина запрещенной зоны Eg определялась из из­

невозможны, приведенные значения следует рассматри­

что эффект изгиба зон вблизи поверхности при этом иг­ норируется. Другими словами, величина Еа реально представляет «эффективное» электронное сродство.

8. Значения порога генерации пар были получены Спайсером [Л. 105] из измерений распределения элек­ тронов по скоростям.

Г л а в а с е д ь м а я СЕРЕБРЯНО-КИСЛОРОДНО-ЦЕЗИЕВЫЙ Ф О Т О К А Т О Д

7-1. ВВЕДЕНИЕ

Среди фотоэмиссионных материалов, обладающих чувствительностью в видимой области спектра, серебря- но-кислородно-цезиевый фотокатод занимает особое по­ ложение. Этот катод был первым и в течение нескольких

лет единственным фотокатодом, пригодным для прак­ тического применения. До настоящего времени это единственный фотокатод, обладающий заметном чувст­

окончательно не установлены, вследствие чего метод при­ готовления этого материала в значительной степени остается эмпирическим, и мы понимаем далеко не пол­ ностью значение отдельных этапов процесса изготовле­ ния.

7-2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ Ag-0-Cs ФОТОКАТОДА

Эмпирически было разработано много различных ме­ тодов изготовления Ag-0-Cs фотокатода, однако во всех случаях присутствуют три основных этапа процесса: на­ несение основного слоя серебра, окисление этого слоя (частичное или полное) и обработка окиси серебра в па­ рах цезия. Дополнительными процессами могут быть испарение тонкой серебряной пленки после окисления основного слоя, до или после обработки окисла цезием, и поверхностное окисление катода.

Рассмотрим подробно три основных этапа изготовле­ ния фотокатода.

1. Основной слой серебра. Для непрозрачных фотока­ тодов, т. е. фотокатодов, которые освещаются со стороны вакуума, разработаны четыре метода получения основ­ ного слоя серебра:

а) Непрозрачный слой Ag может быть нанесен на стекло химическим методом, который обычно исполь­ зуется при изготовлении сосудов Дыоара. Этот метод состоит в восстановлении металлического серебра из рас­ твора азотнокислого серебра с помощью органического восстановителя [Л. 165]. Серебро прочно прилипает к стеклу, образуя зеркальную поверхность. Однако при изготовлении фотокатода обычно используют матовую стеклянную поверхность, и серебряная пленка имеет бе­ лесоватый оттенок.

б) Для изготовления фотокатода можно использовать очищенную пластинку чистого серебра. Пластинку обыч-

1 В самое последнее время появились новые фотокатоды на основе тройных соединений InPAs, GalnAs, обладающие более высо­ кой чувствительностью в ИК области спектра [Л. 253*]. (Прим. перев.)

ио травят в разбавленной азотной кислоте для дополни­ тельной очистки, а также для создания матовой поверх­ ности. Считается, что это приводит к увеличению фотоэмиссии готового фотокатода.

в) Серебряная пластинка может быть заменена дру­ гим металлом, например никелем, электролитически по­ крытым серебром.

г) Толстая серебряная пленка может быть также на­ несена испарением серебра.

Кажется удивительным, что свойства основного се­ ребряного слоя практически не влияют на фотоэмисси­ онные свойства готового фотокатода. В связи с этим сле­ дует отметить работу Хёне и Заггау (Л. 166]. Эти авторы использовали монокристаллы серебра и не обнаружили никакого влияния кристаллической плоскости па эмис­ сионные свойства фотокатода. Критическими стадиями: активационного процесса, по крайней мере для непро­ зрачных фотокатодов, являются не нанесение основного слоя Ag, а окисление серебра и обработка его цезием.

Основной слой серебра для полупрозрачных фотока­ тодов получают испарением в вакууме. Изготовление тонких серебряных пленок представляет собой довольно сложную проблему. Оптимальная толщина этих пленок

о

лежит в области от 100 до 200 А. Для большинства ме­ таллов воспроизводимые результаты при нанесении пле­ нок такой толщины могут быть получены путем контроля толщины пленки по пропусканию света. Соотношение между толщиной пленки и оптическим пропусканием устанавливается экспериментально. В случае серебра не существует надежного соотношения между этими вели­ чинами, поскольку тонкие серебряные пленки образуют не сплошные, а дисперсные слои, т. е. состоят из отдель­ ных частиц. Процесс образования частиц серебра сильно зависит от условий его испарения. В результате этого оптические свойства пленок также сильно различаются, при различных условиях испарения Ag. К настоящему времени опубликовано большое число эксперименталь­ ных исследований свойств тонких серебряных пленок.

Сеннет и Скотт [Л. 167] провели подробное исследо­ вание влияния температуры подложки и скорости испа­ рения Ag на оптические свойства тонких пленок и раз­ меры частиц. Фауст (Л. 168] показал, что зависимость оптического пропускания диспергированных пленок от толщины пленки имеет сложный характер. Как видно из

рис. 35 (Фауст [Л. 168]), при использовании монохрома­ тического света зависимость пропускания света от тол­ щины имеет минимум и максимум в определенной обла­ сти толщин пленок. Таким образом, одинаковое пропу­ скание наблюдается при трех различных толщинах плен­ ки. Рисунок 36 иллюстрирует влияние скорости испаре­ ния на оптическое пропускание пленки (по данным Фи­ липа [Л. 169]). Согласно Холланду [Л. 170] угол падения

атомов серебра на подложку во время испарения также заметно влияет на оптиче­ ские свойства пленки. Следу­ ет отметить, что различие значений толщины пленки, соответствующих максиму­ мам и минимумам на кри­ вых, приведенных на рис. 35 и 36, связано, по-видимому, с использованием разных методов определения толщи­ ны. Фауст измерял толщину оптическим методом, а Фи­ лип определял ее по весу испаренного серебра.

Для полупрозрачного Ag-0-Cs фотокатода зависи­ мость размеров частиц и оптических свойств пленки се­

ребра от условий ее испарения приводит к двум важным результатам. Во-первых, пленки воспроизводимой тол­ щины, или, точнее, воспроизводимой поверхностной плот­ ности, могут быть получены с помощью измерения опти­ ческого пропускания только в том случае, если удается сохранить все условия испарения Ag строго постоянны­ ми. По-видимому, важнее всего поддерживать постоян­ ной скорость испарения. Во-вторых, если размеры частиц влияют на фоточувствительность Ag-0-Cs фотокатода, должны существовать оптимальные условия нанесения пленки, которые соответствуют получению частиц с «оп­ тимальными» размерами. Однако до сих пор не извест­ но, существует ли прямая связь между размерами частиц Ag и фотоэмиссионными характеристиками.

На практике серебряный слой для получения полу­ прозрачного Ag-0-Cs фотокатода наносится с такой ско­ ростью испарения, чтобы за 30—60 сек получить плен-

поскольку окись серебра термодинамически нестабильна. Окись серебра Ag 2 0 при температуре выше 100°С начи­ нает диссоциировать [Л. 171, 172]. Поэтому, как уже от­

пользовать анод или любой другой подходящий электрод в приборе. Процесс окисления начинается с наполнения прибора кислородом при давлении около 0,1 мм рт. ст. (Для получения KH^qpoAa обычно используют разложе­ ние при нагревании подходящего соединения, например окиси ртути, хлората калия или марганцовокислого ка­ лия. Источником кислорода может также служить спе­ циальный сосуд со спектрально чистым кислородом.) После этого к электродам прикладывается напряжение от 400 до 800 в для получения тлеющего разряда. Вели­ чина напряжения зависит от давления кислорода. Вместе с тем величины напряжения и давления, необходимые для получения разряда, зависят от геометрии прибора, однако ни один из этих параметров не является крити­ ческим.

После установления разряда цвет серебряной пленки изменяется в определенной последовательности. Прескотт и Кэлли (Л. 173] наблюдали желтый, красный, си-

мин и зеленовато-желтый цвета. При продолжении окис­ ления цвета повторяются в той же последовательности. Экспериментально было установлено, что для получения окисного слоя оптимальной толщины следует прекра­ щать окисление при появлении первого синего или зеле­ новато-желтого цвета. Обычно полагают, что при окис­ лении в разряде образуется окись серебра Ag20.

Окисление серебряного слоя для получения полупро­ зрачного Ag-0-Cs фотокатода представляет некоторые трудности. Дело в том, что серебряную пленку в этом случае нельзя использовать в качестве отрицательного электрода, поскольку ее сопротивление слишком велико с самого начала и увеличивается по мере окисления. По­ этому окисление тонкой серебряной пленки проводят в высокочастотном разряде. Один электрод генератора высокой частоты располагают снаружи прибора, вблизи серебряной пленки, а другим электродом служит коллек­ тор или любой другой электрод внутри прибора. По­ скольку окись серебра Ag20 практически прозрачна для видимого света, за ходом окисления можно следить по увеличению пропускания света серебряной пленкой. Окисление обычно прекращают после того, как пропу­

Следует отметить различие между процессами окис­ ления полупрозрачного и массивного фотокатодов. Вопервых, во время окисления тонкой серебряной пленки не удается наблюдать изменения ее цвета, так что нельзя сказать, одинаковы ли толщины окисной пленки в этом случае и при окислении толстого слоя серебра. Во-вто­ рых, поскольку тонкая пленка окисляется в высокоча­ стотном разряде, она бомбардируется как положитель­ ными, так и отрицательными ионами кислорода, в то время как массивный серебряный слой, служащий отри­ цательным электродом в разряде постоянного тока, мо­ жет бомбардироваться только положительными ионами. Однако эти особенности процессов окисления практиче­ ски не влияют на конечную чувствительность фотокато­ дов и поэтому подробно не изучались.

3. Обработка цезием. Процесс обработки цезием при изготовлении Ag-0-Cs фотокатода обладает одной осо­ бенностью, которая отличает его от аналогичного процес­ са при изготовлении антимонидов щелочных металлов. При изготовлении антимонидов. избыток, щелочного ме,-

чезновеиия термоэмисспн. В дальнейшем прогрев при­ бора продолжается до тех пор, пока фототок не дости­ гнет стабильной величины. В это время термоэмиссия снова возникает и также стабилизируется.

в) Оба предыдущих метода удобны для получения наилучших результатов в отдельных приборах, однако они занимают много времени и требуют значительного опыта и мастерства. При производстве серийных фото­ элементов необходим процесс, который может автомати­

методов. В первом методе эмпирически подбирается ко­

Cs освобождается сразу, до или во время прогрева при­

жается до тех пор, пока цвет окиси не изменится до темнопурпурного. В случае полупрозрачного фотокатода испа­ рение прекращается в тот момент, когда пропускание све­ та снова уменьшится до 50% (после окисления пропуска­ ние достигает 100%). Следует отметить, что при повтор­ ном испарении серебра прозрачность пленки уменьшает­ ся на такую же величину, как и при первом испарении.