книги из ГПНТБ / Соммер А. Фото-эмиссионные материалы

ная плотность серебра. При этих предположениях стано­ вится понятным, почему для получения чувствительности в инфракрасной области требуется, чтобы количество се­ ребра превышало некоторую минимальную величину.

2. Уменьшение чувствительности фотокатода при уве­ личении его толщины выше оптимальной указывает на то, что существует оптимальный размер частиц серебра, соответствующий определенной толщине фотокатода.

3. Замена Ag другим металлом может быть неэф­ фективна по ряду причин. Например, другие металлы могут не образовывать частиц или не образовывать ча­ стиц нужного размера. Кроме того, энергетический барь­ ер между металлом и Cs2 0 может быть более высоким, чем в случае серебра, в результате чего длинноволновая граница фотоэмиссии сдвигается в более коротковолно­ вую область.

4. Влияние дополнительного испарения серебра до сих пор полностью не объяснено. Несомненно, что этот эффект заключается не просто в изменении отношения Ag: Cs в объеме до получения оптимального соотноше­ ния, поскольку эффект не исчезает при введении избытка серебра на более ранней стадии процесса. Уменьшение порога фотоэмиссии и термоэлектронной эмиссии показы­ вает, что напыление серебра увеличивает работу выхода, возможно, в результате уничтожения пятен с очень низ­ кой работой выхода. Полезный эффект испарения сереб­ ра, т. е. увеличение квантового выхода в более коротко­ волновой области спектра, до сих пор объяснить не уда­ лось.

5. Чувствительность Ag-0-Cs фотокатода в длинно­ волновой области спектра часто связывают с примесным фотоэффектом (см., например, [Л. 194]). Как уже от­ мечалось, трудно рассматривать серебро как примесь в Ag-0-Cs, поскольку Ag является одной из основных составных частей этого материала. Кроме того, хотя примесный и поверхностный эффекты, несомненно, влия­ ют на фотоэмиссионные характеристики вблизи длинно­ волновой границы, почти постоянный и относительно вы­ сокий квантовый выход фотоэмиссии Ag-0-Cs в области

в различных материалах, таких, как антимониды щелоч­ ных металлов {Л. 127] и теллуриды щелочных металлов

В то Же время электроны с энергией меньше 1 эв имеют

о

глубину выхода больше 1 ООО А. Глубина выхода фото­ электронов с высокими энергиями из серебра неизвестна. Однако для электронов с энергиями порядка 1 эв глу­ бина выхода по данным Кроуэлла и др. (Л. 196] состав-

о

ляст примерно 440 А.

Малая глубина выхода приводит к низкому значению квантового выхода фотоэмиссии из металлов в вакуум, даже в расчете на число поглощенных, а не падающих фотонов.

Наличие чувствительности в длинноволновой области у Ag-0-Cs фотокатода показывает, что фотоэлектроны эмиттируются из серебра в окись цезия со значительно

выхода электронов из металла с высокой работой выхо­ да в полупроводник с низкой работой выхода, по-види­ мому, следует предположить туннельный механизм). При

нескольких сотен ангстрем была получена также пз того факта, что полупрозрачный Ag-0-Cs фотокатод такой толщины обладает одинаковой чувствительностью при освещении видимым светом как со стороны подложки, так и со стороны вакуума. Для того чтобы доказать, что фотоэлектроны, характеризуемые такой большой глуби­ ной выхода, действительно возникают в серебре, был проведен следующий эксперимент {Л. 192]. Работа выхо­ да испаренных пленок серебра толщиной в несколько со­ тен ангстрем уменьшалась нанесением поверхностной пленки Cs. Таким образом, была получена достаточная чувствительность в видимой области спектра. Фотоэмис­ сионные измерения, проведенные при освещении пленки со стороны подложки и со стороны вакуума, показали примерно одинаковую чувствительность в обоих случаях аналогично результатам, полученным с Ag-0-Cs (см. выше). Это может служить убедительным доказательст­ вом объемного фотоэффекта в металлическом серебре с большой глубиной выхода фотоэлектронов при условии, если энергия фотонов и, следовательно, энергия электро­ нов достаточно низка.

В проведенной дискуссии была сделана попытка объ­ яснить, почему квантовый выход серебра в Ag-0-Cs фо­ токатоде на несколько порядков выше, чем квантовый выход массивного серебра. Если, как предполагается, вы­ сокий квантовый выход связан с увеличением поглоще­ ния света и глубины выхода фотоэлектронов, возникает другой вопрос, а именно: почему квантовый выход Ag-0-Cs фотокатода все же низок по сравнению с кван­ товым выходом таких материалов, как антимониды ще­ лочных металлов. Возможное объяснение этого факта [Л. 197] состоит в том, что возбуждение фотоэлектронов на энергетические уровни выше уровня вакуума более вероятно, если поглощение света определяется межзониыми, а не внутризонными (поглощение на свободных носителях) переходами. Поскольку межзонные переходы в серебре возможны только при энергии фотонов выше 3,5 эв [Л. 46], поглощение света в серебре в Ag-0-Cs фо-

о

токатоде в области длин волн выше 3 500 А должно быть связано с внутризонными переходами; вследствие этого квантовый выход относительно невелик.

Проведенный анализ показывает, что можно привести аргументы, имеющие, правда, гипотетический характер, которые объясняют абсолютную величину квантового выхода фотокатода в видимой области спектра. Однако, остается открытым вопрос о причинах почти постоянного значения квантового выхода в области спектра от 4 000

о

до 9 000 А, т. е. в спектральном интервале, в котором энергия фотона изменяется более чем на 1,5 эв. Вели­ чина эмиссии всегда ограничивается потерями тех элек­ тронов, которые достигают границы с вакуумом, обла­ дая скоростью, нормальная составляющая которой не­ достаточна для выхода в вакуум. Поэтому обычно кван­ товый выход фотоэмиссии растет с увеличением энергии фотонов. В |[Л. 192] приведена интерпретация отсутствия такого роста в Ag-O-Cs фотокатоде в области спектра

о

между 4 000 и 9 000 А. Эта интерпретация имеет дискус­ сионный характер и состоит в том, что в этой области спектра ожидаемое увеличение квантового выхода с ро­ стом энергии фотонов компенсируется уменьшением глу­ бины выхода электронов с большей энергией.

Г л а в а в о с ь м а я

Bi-Cs и Bi-Ag-O-Cs ФОТОКАТОДЫ

8-1. ВИСМУТО-ЦЕЗИЕВЫЙ ФОТОКАТОД

Висмуто-цезиевый фотокатод изготовляется обработ­ кой испаренной пленки висмута в парах цезия при тем­ пературе 150—180 °С до получения максимума фотоэмиссни. Наиболее чувствительное соединение висмута с це­

териал с максимальной чувствительностью имеет прово­ димость р-типа и обладает небольшим стехиометрическим избытком Bi.

Оптическое поглощение в Cs3 Bi было измерено Клер­ ком и Уолисом [Л. 201], Сарбеем {Л. 202], а также Соммером и Спайсером {Л. 200]. Исходя из длинноволновой границы оптического поглощения, эти авторы установи­ ли, что ширина запрещенной зоны Cs3 Bi лежит в пре­ делах от 0,5 до 0,7 эв. Используя эту величину, а также определив значение длинноволнового порога фотоэмис­ сии (около 2 эв) сравнением теоретической и экспери­ ментальной характеристик квантового выхода, Соммер и Спайсер [Л. 200] получили, что электронное сродство Cs3 Bi превышает 1,3 эв.

Низкий квантовый выход Cs3 Bi .качественно объяс­ няется большой величиной электронного сродства по сравнению с шириной запрещенной зоны. Как уже отме­ чалось в гл. 1, весьма вероятно, что в Cs3 Bi большая часть электронов, оптически возбужденных из валентной зоны в зону проводимости, производит электронно-ды­ рочные .пары и, потеряв при этом значительную часть своей энергии, не выходит в вакуум.

Bi-Ag-0-Cs фотокатод может быть изготовлен различ­

а также относительным количеством элементов в активи­ рованном фотокатоде. Ниже описаны разные процессы изготовления фотокатода, причем в названии процесса отражена последовательность, в которой вводятся ком­ поненты.

1. Bi-Ag-O (тлеющий разряд)-Cs. Эта последователь­ ность технологических операций представляет собой ис­ ходный процесс, который привел к открытию фотокатода. Висмут испаряется на стеклянную подложку до тех лор, пока пропускание света в видимой области спектра не уменьшается приблизительно до 60% первоначальной

о

величины. Это соответствует толщине пленки около 50 А

влияния на пленку висмута, а окись серебра практически прозрачна для видимого света, пропускание света после окисления становится таким же, как и до испарения се­

Последующая обработка цезием сопровождается ре­ акцией

Bi2 03 +12Cs—»2Cs3 Bi + 3Cs2 0.

При этом серебро остается в элементарной форме. Таким образом, готовый фотокатод должен состоять пз трех основных составных частей: Cs3 Bi, Cs2 0 и Ag (см. ниже).

в кислороде. При этом окисляется, по-видимому, только несколько слоев висмута, поскольку происходит лишь небольшое увеличение прозрачности пленки. Специаль­ ные эксперименты показали, что экспозиция в кислороде не окисляет серебра, т. е. кислород диффундирует сквозь пленку серебра и окисляет висмут. Этот процесс благо­ даря исключению тлеющего разряда значительно проще, чем процесс, описанный в предыдущем пункте, и поэтому обычно используется для изготовления Bi-Ag-0-Cs фото­ катодов.

Очевидно, что конечный продукт этого процесса со­ держит значительно меньшее количество Cs2 0, чем фото­ катод, изготовленный с помощью, процесса 1.

3.Ві-0-Ag-Cs. Поскольку при экспозиции в кислоро­ де окисляется только Bi, а не Ag, неудивительно, что эта операция может предшествовать испарению Ag.

4.Ag-Bi-O-Cs. Изменение последовательности испаре­ ния Bi и Ag не оказывает существенного влияния на фо­ точувствительность готового фотокатода.

5.Ag-Bi-Cs-O. При обработке Ag-Bi слоя цезием об­ разуется фотокатод со сравнительно низкой чувствитель­ ностью (см. ниже). Однако при тщательно контролируе­ мой экспозиции в кислороде получается фотокатод с нор­ мальной чувствительностью.

6.Ві-0-Cs-Ag. Если слой Ві после экспозиции в кис­ лороде обработать цезием, образуется фотокатод со сравнительно низкой чувствительностью. Контролируе­ мое испарение серебра на этот фотокатод повышает его чувствительность до значения, соответствующего нор­ мальному Bi-Ag-0-Cs фотокатоду.

7.Bi-Cs-0-Ag и Bi-Cs-Ag-O. Ни один из этих двух процессов не приводит к образованию нормального

Bi-Ag-0-Cs фотокатода. По-видимому, имеет значение, что оба процесса начинаются с образования Cs3 Bi и этим отличаются от всех других процессов.

Химический состав. Как уже упоминалось, готовый фо­ токатод содержит Cs3 Bi, C S 2 O и элементарное серебро. В то время как присутствие Cs3 Bi и Ag подтверждено рентгеноструктурным анализом [Л. 153], не имеется никаких убедительных доказательств того, что окись цезия, образо­ ванная в-результате реакции, представляет собой Cs2 0. Не­ известно также, присутствуют ли в фотокатоде другие окиси цезия или элементарный Cs.

Как уже упоминалось в связи с Ag-0-Cs фотокатодом, не су­ ществует никаких аналитиче­ ских методов, способных отли­ чить различные окиси цезия в столь малых количествах или установить присутствие эле­ ментарного цезия.

В отношении количествен­ ного состава Bi-Ag-0-Cs сле­ дует отметить, что поверхност­

ная плотность Cs3 Bi имеет оптимальную величину (для полупрозрачных фотокатодов), которая может варьиро­ ваться в очень узких пределах. В то же время количе­ ство серебра, определенное из измерений оптического пропускания, может изменяться по крайней мере в 6 раз без заметного влияния на фотоэмиссшо [Л. 200]. Аналогичные изменения допустимы и в отношении количества кислорода и тем самым количества окиси цезия.

Электрические и оптические свойства. Типичная спек­ тральная характеристика квантового выхода фотоэмис­ сии из Bi-Ag-0-Cs фотокатода приведена на рис. 53. Сравнение рис. 52 и 53 показывает, что максимум кван­ тового выхода этого фотокатода в 10 раз выше, чем в случае Cs3 Bi, а длинноволновый порог сдвинут пример­ но на 0,4 эв в сторону фотонов с более низкими энергия­ ми. Для определения порога фотоэмиссии Соммер и Спайсер [Л. 200] использовали тот же метод, что и для