книги из ГПНТБ / Соммер А. Фото-эмиссионные материалы

ли существование следующих семи соединений: Cs3Sb, Cs5Sb2, Cs2Sb, Cs5Sb4, CsSb, CsSb2 и Cs3Sb7.

Точно не известно, какие из этих соединений, кроме CsSb, образуются в процессе изготовления Cs3Sb, так как литературные данные по этому вопросу весьма про­ тиворечивы. Это неудивительно, поскольку образование промежуточных соединений сильно зависит от таких па­ раметров, как толщина пленки сурьмы и температура процесса, которая определяет скорость диффузии Cs и скорость реакции.

4-3. ТОЛЩИНА И ПЛОТНОСТЬ ФОТОКАТОДА

Как уже отмечалось, полупрозрачный CssSb фотока­ тод обычно изготовляют обработкой пленок сурьмы тол-

в 4 раза больше атомов, чем начальная пленка сурьмы. Кроме того, плотность Cs3Sb, определенная из исследо­ ваний кристаллической структуры {Л. 80], составляет всего 4,5 по сравнению с 6,7 для массивной сурьмы. В ре­ зультате оказывается, что объем Cs3Sb примерно в 5,9 раза превышает объем начальной пленки сурьмы. Во-вре- мя образования Cs3Sb пленка сурьмы может расширять­ ся только в одном направлении: перпендикулярно под­ ложке. Поэтому толщина конечного слоя Cs3Sb должна

• Используя оптические методы, Кунце [Л. 81], а также Хагино и Такахаси {Л. 74] измерили коэффициент раз­ бухания пленки. Они получили соответственно 5,65 и около 7. Различие этих результатов, так же как расхож­ дение с вычисленной величиной, определяется прежде всего экспериментальными трудностями. Кроме того, из­ мерения проводились на пленках Sb и Cs3Sb, в то время как постоянные решетки были измерены на материале, приготовленном в виде порошка. Как уже отмечалось, плотность массивного материала может сильно отли­ чаться от плотности пленок.

Оба автора получили удивительный результат, за­ ключающийся в том, что переход от Sb к CsSb сопро­ вождается разбуханием слоя всего в 1,5 раза. Это долж­ но означать, что CsSb обладает плотностью, большей, чем плотность Sb, несмотря на большой атомный ра­ диус Cs.

ролом и Симоном [Л. 84]. Они сконструировали камеру для изучения дифракции электронов, которая позволяла не только исследовать материал фотокатода непосред­ ственно, т. е. без механического удаления слоя, но и на­ блюдать изменения структуры в процессе образования фотокатода.

4-5. ПАРЦИАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ ПАРОВ ЦЕЗИЯ

Измерения давления паров Cs над Cs3Sb представ­ ляют интерес прежде всего с практической точки зрения, поскольку чрезмерное давление паров цезия при ком­ натной температуре может вызвать утомление фотокато­ да, а также привести к появлению других эффектов не­ стабильности при работе фотоэлементов.

Камский и Джерик [Л. 85] и Мияке [Л. 86] измерили

атомов цезия на раскаленной вольфрамовой нити; при

пара экспериментальные ошибки при измерении ионного тока могут оказаться весьма большими. Поэтому суще­ ственное расхождение в результатах этих двух работ не

4-6. ФОТОЭМИССИОННЫЕ СВОЙСТВА

Для Cs3Sb, как и для других фотокатодов, невозмож­ но установить одну спектральную характеристику фото­ чувствительности, поскольку максимум квантового выхо­ да и длинноволновая граница фотоэмиссии значительно меняются от образца к образцу. Однако общая форма кривой сохраняется, так что можно определить типич­ ную спектральную характеристику фотокатода. Харак­ теристика, представленная на рис. 6, типична для полу­ прозрачного Cs3Sb фотокатода при освещении его со стороны подложки. В данном случае в качестве подлож­ ки был использовал кварц, для того чтобы показать чувствительность фотокатода в области энергий фото­ нов, больших 3 эв.

Спектральные характеристики фотоэлементов зави­ сят от толщины фоточувствительного слоя, материала подложки и колбы. В качестве примера на рис. 7 приве­ дена относительная спектральная характеристика фото­ элемента S-11 (полупро­ зрачный Cs3Sb фотокатод, подложка — окись марганца на стекле, материал окна — стекло). Сравнение рис. 6 и 7 позволяет сделать два важных вывода. Во-первых, резкий спад чувствитель­ ности, наблюдаемый у всех стеклянных фотоэлементов в области длин волн коро-

о

че 3 ООО А, определяется не уменьшением квантового выхода фотокатода, а по­ глощением ультрафиолето­ вого излучения в стекле. Во-вторых, медленное по­ нижение чувствительности в области длин волн короче

о

4 000 А связано с тем, что фототок рассчитан на вели­ чину падающей мощности, а не на число падающих фо­ тонов (см. гл. 3).

Влияние температуры на фотоэмиссию из Cs3Sb. При нагревании СэзЭЬ фотокато­ да выше 80—100 °С в мате­ риале происходят необрати­ мые изменения. Поэтому ис­

следования влияния температуры на фотоэмиссию про­ водятся, как правило, в области температур ниже ком­ натной. Изменение фотоэмиссии при охлаждении Cs3Sb фотокатода мало и не имеет практического значения, но представляет интерес для понимания процесса фото­ эмиссии. Ниже приводятся основные результаты таких исследований.

Шетти и Баумгартнер [Л. 88] обнаружили падение фоточувствительности при охлаждении СэзЭЬ фотокато-

ности в припороговой области при охлаждении фотокатода может быть вызвано несколькими причинами. Исходя из того, что Cs3Sb — полупроводник р-типа, Спайсер и Вутен [Л. 94] предположили, что источником фотоэлектро­ нов при освещении катода в припороговой области спектра служат заполненные акцепторные уровни. В та­ ком случае уменьшение чувствительности в этой обла­ сти спектра при охлаждении фотокатода естественно связать с уменьшением заполнения электронами примес­ ных уровней. Другими причинами уменьшения чувстви-

Изменение чувствительности фотокатода при окисле­ нии, по-видимому, вызвано двумя причинами. Во-первых, окисление уменьшает высоту поверхностного барьера, что приводит к увеличению чувствительности во всей области спектра, продвижению чувствительности в более длинноволновую область и к уменьшению термоэлек­ тронной работы выхода. Во-вторых, окисление изменяет химический состав фотокатода, в результате чего число фотоэлектронов, возбуждаемых в фотокатоде, уменьша­ ется. В начале процесса окисления первый эффект с из­ бытком компенсирует второй, и поэтому чувствительность увели­ чивается во всей области спектра.

При продолжении окисления вто­ рой эффект начинает преобла­ дать, однако уменьшение чувстви­ тельности наступает раньше для коротковолнового света, возбуж­ дающего более быстрые электро­ ны, так как для них уменьшение поверхностного барьера сказыва­ ется слабее.

В настоящее время можно счи­ тать установленным, что окисле­ ние фотокатода до получения ма­ ксимальной чувствительности воз­ действует только на его поверх­ ность. Экспериментальные дока­ зательства этого факта были по­ лучены Дятловицкой [Л. 97], ко­

торая показала, что оптические свойства фотокатода не изменяются при окислении, а также Блумером и Коксом [Л. 98]. Последние на основании количественных изме­ рений показали, что для получения максимальной чув­ ствительности требуется примерно один монослой ки­ слорода.

Влияние подложки на фотоэмиссию. Химические свой­

ства П О Д Л О Ж К И М О Г У Т В Л И Я Т Ь На ф о Т О Э М И С С И Ю И З CS3SD

фотокатода. Следует иметь в виду, что влияние подлож­ ки может оказаться довольно сложным, поэтому неуди­ вительно, что некоторые экспериментальные факты до сих пор не удается объяснить. Ниже кратко описаны ос­ новные экспериментальные факты о влиянии подложки на фотоэмиссию.

на металлический электрод, изготовленный из металла, обычно используемого в вакуумных приборах, например никеля. Пленка сурьмы обычно наносится на этот элек­ трод до монтажа в вакуумном приборе и, следователь­ но, до обезгаживания прибора путем прогрева. Было выяснено, что для получения таким способом фотокато­ дов с нормальной чувствительностью необходимо, чтобы толщина пленки сурьмы была много больше, чем требу­ ется для поглощения падающего света. Причина этого состоит в том, что сурьма легко образует сплавы с дру­ гими металлами. В результате после обезгаживания прибора поверхность пленки, которая должна обраба­ тываться в парах цезия, может состоять не из чистой сурьмы, а из ее сплава с материалом подложки. Важно, чтобы толщина пленки сурьмы и режим обезгаживания прибора были выбраны таким образом, чтобы фронт диффузии материала подложки не достигал приповерх­ ностной области толщиной порядка глубины выхода фо­ тоэлектронов.

В фотоэлементах, используемых для тылового осве­ щения, из-за высокого сопротивления Cs3Sb иногда при­ ходится использовать подложку с хорошей электропро­ водностью. При этом подложка должна быть прозрачной для видимого света. В качестве такой подложки часто используют пленки двуокиси олова, поскольку они обла­ дают более высокой прозрачностью по сравнению с ме­ таллами при одинаковой электропроводности. Приготов­ ление пленок двуокиси олова описано в ряде работ, например в {Л. 99]. Следует отметить, что изготовление Cs3Sb на подложке из двуокиси олова требует большой осторожности, так как пары Cs реагируют с двуокисью олова, образуя темный материал и уменьшая прозрач­ ность подложки. Для того чтобы предотвратить эту реакцию, необходимо не допускать избытка Cs в прибо­ ре, т. е. количество Cs, вводимое в прибор, не должно превышать количества, необходимого для перехода Sb в Cs3Sb.

Очень тонкие металлические пленки в качестве полу­ прозрачных проводящих подложек для фотокатодов исследованы недостаточно подробно. Однако если плен­ ки наносятся после процеса обезгаживания, так что воз­ можность образования вышеупомянутых сплавов исклю-

чается, они, по-видимому, не оказывают существенного влияния на свойства Cs3Sb и ие мешают процессу изго­ товления фотокатода. Поэтому подложки из испаренных металлических пленок, таких, как хром или вольфрам, часто оказываются предпочтительнее, чем пленки дву­ окиси олова, хотя они поглощают 10—20% света при такой же проводимости.

Особый интерес представляет влияние на фотоэмис­ сию подложки из окиси марганца. При использовании этой подложки получаются фотокатоды, обладающие более высоким квантовым выходом по сравнению с обыч­ ными Cs3Sb фотокатодами. К тому же их чувствитель­ ность простирается в более длинноволновую область

подобно влиянию поверхностного окисления. Поэтому вначале казалось естественным предположить, что окись марганца служит хорошо контролируемым источником для ввода кислорода в Cs3Sb. Однако последующие ис­ следования показали ошибочность такой интерпретации. Было показано, что кислород, входящий в состав МпО, не реагирует с Cs (Л. 100], т. е. окись марганца не может служить поставщиком кислорода.

С другой стороны, независимо от толщины подложки из окиси марганца и, следовательно, количества кисло­ рода чувствительность фотокатода увеличивалась при последующем поверхностном окислении. К тому же ока­

свойства Cs3Sb фотокатода. Возможная интерпретация этого явления была предложена Вутеном [Л. 101], ко­ торый предположил, что в фотокатоде на границе с МпО возникает изгиб энергетических зон, благоприятный для фотоэмиссии.

Энергия эмиттированных фотоэлектронов. Первые из­ мерения энергии эмиттированных фотоэлектронов отно­ сились к определению максимальной энергии электрона при данной длине волны и были важны для установле­ ния справедливости закона Эйнштейна. Целью дальней­ ших исследований явилось получение информации о де­ талях эмиссионного процесса из измерений распределе­ ния электронов по энергиям при данной длине волны.

Измерение энергии электронов представляет значи­ тельные практические трудности, которые здесь не бу-