2.10.4. Методы контактной разности потенциалов
Эти методы получили наибольшее распространение. Они не требуют высоких температур, достаточно просты с экспериментальной точки зрения, обладают высокой точностью, хорошо согласуются с другими методиками изучения поверхностных явлений. Существует два варианта:
(i) метод вибрирующего конденсатора (метод Зисмана-Томсона);
(ii) метод сдвига вольтамперных характеристик (метод Андерсена).
2.10.4.А. Метод вибрирующего конденсатора (метод Зисмана-Томсона)
Рассмотрим энергетическую схему для системы катод-анод. Если между ними возможен обмен электронами, в частности, например, электроды электрически соединены, то их уровни Ферми выровнены (рис.2.10.4а). Это непременное условие равновесия двух металлов. В противном случае будет выгоден переход электронов из состояний с большей энергией в состояния с меньшей энергией, который происходит до тех пор, пока вследствие зарядки не выровняются EF. Выберем за ноль энергию, соответствующую EF. Тогда в непосредственной близости у поверхности потенциал равен:
,
i = 1, 2 (2.10.20)
Таким образом, между поверхностями, если их работы выхода различаются, существует разность потенциалов, которую называют контактной разностью потенциалов:
Рис.2.10.4. Энергетическая схема для электродов, находящихся в электрическом контакте друг с другом. а – отсутствует источник ЭДС, б – между электродами имеется батарея, создающая разность потенциалов V (положительное напряжение на аноде - электроде 2).
, (2.10.21)а в промежутке между электродами имеется электрическое поле.
Включим теперь между нашими электродами источник ЭДС, генерирующий напряжение V. Положим, что катод заземлен. Тогда уровень Ферми анода будет смещен на величину eV (рис.2.10.4б). Положительное напряжение смещает уровень Ферми на нашей схеме вниз, отрицательное – вверх. Соответственно изменится и разность потенциалов, существующая в вакуумном промежутке. Она изменится на величину поданного напряжения V. Поэтому истинная разность потенциалов:
(2.10.22)
Но наличие разности потенциалов между пластинами означает, что на поверхности электродов имеется поверхностный заряд Q, который может быть определен, если известна емкость системы С:
(2.10.23)
Если теперь изменить расположение пластин, например, сблизить их, то емкость системы изменится. Это приведет к перераспределению поверхностных зарядов, если разность потенциалов остается неизменной. Если проделывать это периодически, например смещая одну из пластин то вправо, то влево, во внешней цепи появится ток:
(2.10.24)
Измерив i(t) и зная
можно было бы определить Vист,
и, тем самым, разность работ выхода.
Однако, такой путь труден и сопряжен с
большими ошибками. Поэтому используют
другой способ - метод нулевого
тока. Получить i=0 можно в
том случае, если:
Vист=V+Vkpn=0 (2.10.25)
Таким образом, изменяя напряжение от внешнего источника и добившись нулевого значения переменного сигнала можно определить величину ΔVkpn. Это позволяет определить величину работы выхода одного из электродов, если известна другого.
Достоинством метода является высокая чувствительность. Его точность достигает 1 мэВ. Но нужно иметь ввиду, что данный метод измерения работы выхода является сравнительным. Для определения необходимо знать точное значение работы выхода электрода, выступающего в роли эталона. Это не просто, так как в ходе эксперимента возможно ее изменение. Причем нужно быть осторожным даже в случае использования казалось бы совсем инертных материалов в качестве эталонных, таких, например, как золото или платина. В частности, вплоть до 60х-годов идеальным электродом считалось золото с = 4.9 эВ. Но позднее было установлено, что эта величина работы выхода определялась наличием на поверхности ртутной амальгамы золота [F-2.1]. Появление ее было связано с применявшимися в то время средствами откачки, непременным элементом которых был ртутный насос. Только позднее было установлено, что истинное значение золота существенно выше - 5.3 эВ.