5.4.Фотоэлектронная эмиссия со щелочно-галоидных соединений
На исследованиях ФЭЭ с щелочно-галоидных кристаллов следует остановиться отдельно. Это связано с тем, что в этом случае наиболее ярко проявляется ряд особенностей, которые маскируются в случае материалов с большей проводимостью другими эффектами. Щелочно-галоидные кристаллы, такие как NaCl, RbJ, KBr и др., являются ярко выраженными диэлектриками с шириной запрещенной зоны порядка 412 эВ. Фотоэлектронная эмиссия должна наблюдаться только при использовании света из области среднего и дальнего ультрафиолета. Однако, после некоторой обработки кристаллов интенсивный фототок можно наблюдать даже при энергиях квантов ~2 эВ. О
Рис.5.4.1.Схематическая зависимость квантового выхода для щелочно-галоидных соединений [GAL].
бработка заключается в облучении кристаллов частицами с высокой энергией. Это может быть облучение фотонами из рентгеновского диапазона, ионами, электронами с высокой энергией и т.п, а также введение примесей. Воздействие приводит к появлению окраски ранее прозрачных для видимого света кристаллов.Схематическая зависимость квантового выхода с таких образцов приведена на рис.5.4.1. Условно ее можно разделить на три участка. На первом, находящемся около красной границы, наблюдается небольшое увеличение Y. Важно, что эмиссия наблюдается уже в видимой области спектра, при h значительно меньших ширины запрещенной зоны. При удалении от красной границы наблюдается пик на зависимости Y(h). На третьем участке при энергиях фотонов, превышающих фотоэлектрическую работу выхода, имеет место дальнейшее увеличение квантового выхода.
Энергетическое распределение фотоэлектронов также имеет ряд особенностей. На рис.5.4.2 приведены зависимости, полученные для фотокатода из RbJ, для нескольких величин h. Имеются две группы электронов. Причем, энергетическое положение максимума одной из них в точности следует за изменением величины кванта света. Положение же второй не зависит от h. Особенностью является и то, что ф
Рис.5.4.2. Распределение фото-электронов по энергиям при эмиссии из RbJ [Rb].
отоэмиссионный ток уменьшается со временем освещения кристалла. Одновременно происходит обесцвечивание кристалла.Т
Рис.5.4.3.Электрон может быть захвачен вакансией аниона, что приводит к образованию F-центра
акое поведение может быть объяснено наличием центров окраски. Центрами окраски называют дефекты структуры решетки щелочно-галоидных соединений типа вакансий. Самыми простыми и имеющими наибольшую концентрацию являются F-центры. F-центр представляет собой вакансию аниона, которая имеет возможность захватить электрон, путешествующий по зоне проводимости кристалла (рис.5.4.3). Наличие окружения из положительно заряженных катионов делает это образование энергетически выгодным. Энергия электронного состояния ЕЦ, соответствующая таким ловушкам находится ниже дна зоны проводимости. Электроны могут быть переведены обратно в зону проводимости, если осветить кристалл светом с квантами, имеющими энергию больше EС - ЕЦ. При большой концентрации заполненных центров в спектре поглощения появляется пик, соответствующий этому оптичес-кому возбуждению. Поскольку обычно эта энергия соответствует видимому свету, то кристалл приобретает характерную окраску. Например, в случае NaCl кристаллы имеют желтый цвет. Но по мере облучения F-центры опустошаются, и кристаллы становятся прозрачными. Окраска может быть восстановлена, если облучить кристалл частицами с энергией, достаточной для появления электронов в зоне проводимости.Наличие центров окраски приводит к аномально низкому значению красной границы внешнего фотоэффекта. Первый участок Y(h), который примыкает к h0, соответствует ФЭЭ с F-центров. Больший интерес представляет вторая область, в которой наблюдается селективное увеличение квантового выхода. При этих h в кристалле возникают экситоны. Экситон - это образование, состоящее из связанных друг с другом электрона и дырки. Энергия экситона меньше ширины запрещенной зоны. Это понятно, поскольку кулоновское взаимодействие разноименно заряженных частиц приводит к понижению энергии. Но она несколько выше, чем у F-центра. Экситон электрически нейтрален, и он может свободно перемещаться по кристаллу. Именно экситоны и ответственны за селективное увеличение квантового выхода. Роль экситонов в ФЭЭ двоякая. С одной стороны, они увеличивают концентрацию F-центров. Мигрируя по кристаллу экситоны подходят к вакансиям, где диссоциируют с закреплением электрона на центре. С другой стороны, при встрече с F-центром экситон может рекомбинировать, а выделившуюся при этом энергию передать электрону F-центра. Этой энергии достаточно для возбуждения электрона на уровень, располагающийся выше уровня вакуума. Подтверждением такого механизма служит наличие в распределении фотоэлектронов по энергиям группы электронов, энергетическое положение которой не зависит от h. Такое поведение возможно только в таких случаях, когда возбуждение электронов с локализованных по энергии уровней происходит за счет переходов между дискретными состояниями.
В дальнейшем, на третьем участке Y(h), имеет место фотовозбуждение электронов из валентной зоны.