逸出功的某些特性

第 �� 卷 第 � 期 玉� � � 年 � 月 电 子 科 学 学 刊 � � �� � � �� � � � � � 厂 � � � � � � � � �� � � �� � � � � �� � , 逸 出 功 的 某 些 特 性, 张 恩 此 �中国科学院 电子学研究所 , 北京� 摘要 在实用热阴极中 , 测量得的发射常数值经常小于 ��� �厂。� ’, � 这是由子逸出功有一 分布所致 , 而不是由于电 子遇到表面势垒时的反射 � 用单晶面测量 时 , 理论和实验值便相符 了 � 事实上发射来源于已穿透进势垒的表面电子 � 这些电子既不能进人真空 , 也不能在金属 导带中自由运动 , 否则不同晶面便不可能 有不 同的逸出功 � 异族元素的吸附增加表面 电子的 数目和能量 , 因而使逸 出功下降 � 关键词 热阴极 �逸出功 �发射常数 � 表面 势垒 �表面电子 一 、 � �� � � � � 、� � 方程 描述热电子发射的方程 , 便是 �� �� �� � � �� 方程 � 在推导此方程时 , 假定固休表面有 个势垒 , 其高度即逸出功 价 , 当电子的能量大于 币时 , 就都能发射到真空来 � 因此电流密 度 � 可以写成 鱼处塑二竺尸 。一若� � ��� 式中 , 令 才 � 一 � �‘龙功 ‘全一 � � � �� �。� �� � � � , �� � 汤 为 �� �� � � 常数 , 及为 � �� �� �� � 常数 , 。 为电子电荷 , , 为电子质量 , 了 为绝对温度 � 可是 用�� 式绘直线以测量发射常数 � � 时 , 其数值总是比�� �式中的理论值 � �� 为小 �见 表 � 多晶部分 � , 而对于钡系统的实用热阴极 , 其值则更小 �见表 � � � 虽然从测量技术的 角度看 , � � 是不易测得准确的 , 其原因在文献「�� 中有详细论述 , 但这个偏小的总趋势却 是明确无疑的 � 为了解决上述的矛盾 , 人们提出电子反射的概念 � 当电子遇到表面势垒时 , 由于电子 具 有波动性 , 即使其能量 � 高于逸出功 币 , 也不是全部都发射出来 , 而仍有一部分被势垒 所反射 �见图 � � � 因此 � � � �� � �� 一 � � �� � 式 中� 称为反射系数 。 这样问题便缓和了 � 可是解 � �� � �� ��� � � 方程 , 可得图 � 中 � � � 处的 � �� � 年 斗月 一� 日 收到 , � � 年 � 月 � 日修改定橄 � 马 期 张恩虫匕 逸出功 的某些特性 � � � 表 � 各种金属的逸出功和发射常数 �文献 〔�〕中的数 据很多 , 这里只列出有 代表性的� �� � 一����川州� 晶 面 � 金 属 一万一蓄司一一多 晶 � �一兰一色一⋯一全‘� � ⋯ � �”。 � � �‘� 日 � �” 日 � �“ ‘ � �� �� � � � 户奥弋� � 人� �� � � � 之� � � �� 作 者 年 代 � � � �土 � � � ��� � � � � �� �、� � 。 � �� � � �� � 。 � � � �� � � � � , � � �� 干� �� 弓落 � � � � 土 � � � � � � � 土 � � � � 。 � � � � � �士 � � � 今。 � � � � � � � � � � � � � � �� � � �� � � � � � � �� � � � � 一 卜 �� � � � �� � � � � � 及� �� � � �� � � � � � ” 压� � � � · � � �“�� � � � � � � � � · 袱 · 水� � ��� � �� � � � 。 � � 从 � 米 � � � � � �� � � � � � � � � 只� � � � �刀 。� � 一 及�� �� � � �� � � �� � � �� � � �� � �� � � 衰 � 各种钡钨阴极的中和发射电流 �在 �� � � � 激活 , 工作 �� � 后 测� �’�� 蔽一 , � 李 查 孙 法 � 拒 斥 场 法 ⋯ �� �� � 万 � � 啦 �又� � � 中 � � 仁� � � �� 一 �。� 宽度�� � � 电 流�� � � � � � 菲利浦 � � 。 � � � 。� �� � , � 一�一 菲利浦� � � � 。 � � � 。 � � 菲利浦� � � 菲利 浦��� �� � � 后� � � �” ��� � � � �� � � � 。 � � � � � 。 �� � � �� � � 。 � � � 。 � � � 。 1 4 6 7 7 9 3 2 9 4 l) M 为表面蒸上铱 , 饿 , 钉 , 镣等金属 2) S /M 为美国 S P eetra一 M a t , 公 司. 刀 - 1,且!万 ...一., . . 图 l 能量 E 高于势垒 中的电子仍有反射 。 _ 八 一 了了万下压、几 一 、一一一下二= = = = 共二 )、 l 十 V l 一 中/ E / :4) 从上式可以看出 , 同一能量 E 的电子 , 遇到低 币时 R 小 , 而遇到高 币时 尺 大. 可这理论推 断刚好与表 1 和和表 2 中的实验数据方向相反. 以逸出功低而著名的氧化物阴极 , 测得 的 A; 则更小 , 常常落在 0. 05 之间 , 按 (3) 式计算 , R ~ 。.9 9 9 . 这样大的反射是不易理 解的. 因此 , 引进反射概念之后 , 还不能算明确而彻底地解决 了问题. 电 子 科 学 学 刊 11 卷..口. . . . . . . . .. . . . 一.........~‘ , . . . . . - . . . . . . . . . . . . 一目. . . .. . . 二 、 逸出功的分布 上节的讨论是假定逸出功是单值的. 但 电子发射的不均匀性 , 早就被电子显微镜所 观察到了 , 称为碎鳞效应. 后来 H aa s 和 T h om as 用扫描低能电子探针法直接测出逸 出 功分布的数值 〔,] . 大量的研究表明: 许多实用阴极 , 包括多晶的纯金属发射体 , 都具有分 布的逸出功. 在这种情况下 , 用(l) 式计算 i 时 , 逸出功低的地方负担电流大 , 而这部分的 面积是很小的 , 但我们用的却是阴极的全部面积 , 因而导致 A * 值的普遍偏小. 卞彭假定 逸出功按高斯式分布和 R ~ 0 , 从理论上也可以证明 A ; 偏小 f5J . 由此可见 , 发射时的电 子反射并不是 A ; 偏小的唯一解释. 如果把有分布的逸出功看成是单值的 , 则用 (l) 式绘直线来求得的 币; 也是偏小的‘ ( 比较表 2 第二和第四列 ) , 且它们和发射电流密度没有一一对应的关系 (表 2 第二和第 六列). 但用场发射拒斥场法 , 则所得的 价; 能较好地对应于发射电流密度(表 2 第四和第 六列 ). 第五列 10 一 90 多 宽度表示逸出功不均匀的程度 , 与第六列参看可知 , 凡是不均匀 程度大的 , 其总发射电流密度都小. 值得注意的是 , 第四行经 600 o h 寿命后的阴极 , 其 A ;最小 , 价: 也最小. 这就是说 , 只有几个低逸出功的发射中心能在寿命过程中保存下 来 , 但此时的发射电流密度也很小了. 因此 , 币* 这个数值 , 不能正确地反映出阴极的实 际活性水平. 用逸出功的分布来反映阴极的活性水平要说较多的话 , 而且当阴极激活不良或寿命 快终了时 , 其逸出功的分布都不是 高斯式的 , 这样就更不好表示了. 可是无论从理论上 看 , 抑或从实用的观点看 , 逸出功应该是反映阴极活性水平的参数. 为此 阴极工作者提出 一种较为简单而实用的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 , 即测量饱和电流密度 , 用 (l) 式计算 币. 这样得到的 币便能 反映出阴极 的实际活性水平 , 称为有效逸出功 价ef: (其值示如表 2 第七列 ). 价。f : 实质上 就是该阴极逸出功的单值当量 . 这样一来 , 电子反射系数又不见了. 曾海 山等人将伏安 特性的过渡区看成是一部分发射中心先行饱和 , 随着阳极电压的升高 , 又一部分发射中心 达到饱和 , 每个发射中心都用 (1) 式描述 , 用电子计算机处理便能从过渡区 伏安特性得到 逸出功分布 , 其数值和用扫描低能电子探针法直接测得的相当接近 〔6」. 由此可见 , 如果分 别考虑单个发射中心 , ( l) 式也是符合实际的. 三 、 单晶面的性质 最能肯定地判定电子反射在 Ri ch ards on 方程中是否应该出现就是单晶 面 的 实 验 . 制成单晶面可 以得到大面积而且逸出功为单值的发射体 . 用单晶面所测得的 对* , 其值颇 接近于理论值 120 . 有的甚至比理论值还大(见表 1 单晶部分 ) , 尽管还有零散 , 但总趋势 却是明确无误的. 这样一来 , 以 (l) 式描述热电子发射 , 无须引进 (3 ) 式 . 可是由于 电子 的波动性 , 它们从一个媒质过渡到另一媒质时总是存在反射 的 . 为 什 么 R 不 在 Ri ch ar dson 方程中反映出来呢? 弄清这个问题 , 不但有助于了解逸出功的本质 , 而且对表 而科学 , 也是有意义 的. 张恩虫匕 逸出功的某些特性 当固体在真空中沿特定晶面解理时 , 处于解理面上的电子失去了周斯场的对称性 , 向 真空处略为移动 , 使新系统的表面能达到最低 , 其电荷分布如图 2 所示. 从图中可以看 出 , 这邻分电子实质上已进人了表面势垒之中. 即使这些电子的能量 E 低于势垒高度 价 , 但 解 Schr 犯in ge r 方程 , 可知在 x > 0处找到电子的几率 尸 为 一 , 了坛不歹 尸 一 D D *e ” 二 ( 、) 式 中D 为穿透系数 , D * 为其共扼值. 这样 , 表面电子云与固体外层的正离子 便形成双电 层. 从物理图象看 , 固体内的电子 , 通过双电层 , 并且脱离表面正离子的吸力而到达真空 成为自由电子 , 是要作功的 . 这个功就是逸出功. 凡是原子密度大的晶面 , 其对电子的吸 引力也大 , 因此 中也高. 正离事闷丈.不习 真空 固体 姿』子云 图 2 固体在真空中解理时的电荷分布 处在固休表面的电子虽然可以运动 , 但还不能算是真空中的自由电 子. 它们是属于 该晶面的. 图 3 表示从不同晶面解理的金属钨 , 晶面 A 高 价 , 晶面 B 低 价. 由 于金属体内 只 有一个 F er m i 能级 , 这两个晶面之间便存在着电势差(在不同金属连去的情况下称为 接触电势差). 它所产生的电场即通常所称的碎鳞场 . 这个真空间的电场 , 是由不同大小 的双电层所产生的 . 虽然真空中有 电场 , 但处于 B 面上的电子 , 因 B 百的正离子吸力很 强 , 不可能 自由地通过真空而到达 A 面 , 使两晶面间的逸出功抹平. 这个1划象可以说明为 什么 多晶金属发射休会有逸出功的分布. 一 厂一 一门、 、 必A A } b)目一月月习 (a ) 同一金属不同晶面解理 (b ) 相应的电势分布小 念图 四 、 电子逸出的细节 双 电层外边的电子 , 虽然不象固体内部的导带电子那样 , 可以在固体内到处自由移 电 子 科 学 学 刊 11 卷 动 , 但二者并不是绝对孤立的 , 它们经常处在交换关联的状态 导带电子中动能大的 , 可 以克服双电层中的电场而转化为表面 电子 ;表面 电子 如果失去动能 , 也可以被双 电层吸引 回去而转化为导带电子. 但无论表面电子也好 , 导带电子也好 , 都服从 Fe rm i一 Di s a 。 的统 计规律. 这是表面与体内共同之点. 当阴极受到热激发时 , 表面和体内电子的动能都同时增加 . 但是表面电子已经处在 真空之中 , 当其动能增加至足以克服该表面的正离子的总力场而到达无穷远时 , 即成为发 射电子. 换句话说 , 能克服势垒币而成为真空中的自由电子. 这样的过程与当初推导(l) 式时的考虑是完全一致的 , 所以 (l) 式 中不出现电子反射系数. 不过当时对表面的状态 还很不清楚 , 没有阐明体内电子与表面电子的异同罢了 , 现在就明白了。 电子从固体媒 质过渡到真空媒质 , 发生在导带电子通过双电层而补充发射了的表面电子的过程中. 此 时是存在反射的 , 但不出现在(l) 式中 , 因为(l) 式中的 j 是已经发射出来的电流密度 , 并 不包括电子传递的方式在内. 五 、 场 致 发 射 场致发射激发的方式不同 , 但所激发的同 样是晶面外边的电子. 当外加电场很强时 , 势垒变得很窄 , 如果其厚度小于 (5) 式中的 x , 而在 x 处找到电子的几率又是可观的话 , 便 会有足够的发射. 用物理图象来说明: 场发射是外加电场双电层中的微观电场与表面电 子的相互作用. 当外电场足够强时 , 便有一部分电子能脱离双电层的羁绊而成为真空自 由电子 . 所以 , 与热发射的情况一样 , 在描述场发射的 F ow le r一N or d he i m 方程中 , 也不出 现反射系数. 场发射的金属尖很细 , 但它包含着许多不同的晶面 , 因而在荧光屏上显示出 鲜 明的图象 , 说明每个晶面是独立地发射的. 在针尖上的表面电子分布是不均匀的 , 虽然 在外强场的作用下 , 这些电子也不会沿针尖表面自动调整 , 因而将不同的逸出功抹平. 这 情况与在三节中所讨论的完全一致. 六 、 异族元素的吸附 当金属基底吸附了异族元素时 , 其逸出功有很大的改变 . 基底表面电子的延伸距离 一约为数个埃 , 恰好与异族元素的直径大致相当. 异族元素落到基底之后 , 与基底发生作 用 ;而且因基底和真空之间的不对称性 , 吸附原子本身的电子云也发生变化. 如果吸附的 是电负性较小的元素 , 例如艳 、 钡等 , 它们本身也放出电子 , 而且那些电子的能量也比较 高 , 在这种情况下所形成的新系统 , 其逸出功就小 . 反之 , 如果吸附原子的电负性较大 , 例 如氟 、氧等 , 它们将基底的表面电子吸引到其空着 的轨道之中 , 使表面电子数 目减少 , 能量 也下降 , 这样的新系统便使逸出功增大. 当覆盖度很小时 , 虽然表面上的异族元素不多 , 但 小下降却很快;这是因为此时 币并不均匀 , 低 中表现突出 , 使测得的平均 小偏小 。 王宁和王鼎盛将对碱金属合适的胶体模型和对过渡金属合适的薄膜线性缀加法平面 波结合起来 , 计算艳在钨 (100) 晶面上的复盖度与 币的关系曲线 , 得到与实验相符的结 一果 明.计算得的钨晶外电子数与覆盖度的关系示如表 3. 从表中可以看出 , 钨晶外的电予 胡 张恩创 : 逸 出功的某些特性 249 ’数是随着覆盖而增加的(第三列) , 说明钨的作用逐步变小 , 而艳的作用逐步增大 . 到达覆 盖度为 0.7一0.8 时 , 所增加的电子数约与未覆盖前钨的表面电子数相 当 , 此时逸出功达 到最低 , 也接近于艳金属的数值 , 即表面的性质已基本上被艳所取代 。 第五列还表示有一 小部分电子渗人钨晶体内 , 这是吸附所需要的. 他们的计算还表明 , 覆盖度的变化基本上 不影响 Fe rm i 能级(文献 L71 中图 4) , 即所谓 F er m i 能级的表面钉扎 . 这说明他们的模 型是 一可取的 。 表 3 钨晶 外电子数与覆盖度的关系 覆 盖 度 胶体起始应含电子数 W 品体外的电子数 覆盖后所增加的电子数 由胶体渗人w 品体内电子 数 。· 3 } 0 。 5 0 。 7 0 。 8 0 0 。 2 3 2 6 0 。 3 8 7 7 0 . 5 4 2 7 0 。 6 2 0 3 0 . 夕4 2 2 0 .7 3 8 7 0 .9 15 6 1 .0 7 0 9 l 。 1 4 1 7 0 0 。 1 9 6 5 0 , 3 7 3 4 0 。 5 2 8 7 0 。 弓9 9 弓 0 (J 。 0 3 《3 1 0 。 0 1 4 3 0 。 0 江弓5 0 。 0 Z t ) 8 参 考 文 献 3· C · 巾:)M e z1K o , 。M 、, e e “o H H 曰e e B o n e 邓a M a re p“a 几o n , C n p a B o q H , , K , K H e 日 , H a y K e 日 。 丈IyM K a , 1 9 8 1 · D . J o n e s , D . M c n e e l y , L . w . s w a n s o n , A p p l i c a t i o n : o f S o r f · s c i · , 2 ( 1 9 7 9 ) , 2 3 2 · 刘学澎 , 阴极电子学 , 科学出版社 , ! 9 8 0 . G · A · H a s s , R · E · T h o m a s , S , r f S c i . , 4 ( 1 9 6 6 ) , 6 4 · 卞彭 , 电子学通讯 , 1 9 7 7 年 , 总 39 期 , 第 10 页. 曾海山 , 杨凌云 , 叶毓林 , 电子科学学刊 , 1 0 ( 1 9 8 8 ) 2 , 1 6 7 一 175. 玉宁 , 王鼎盖 , 电子科学学刊 , 8 ( 1 9 8 6 ) 6 , 4 0 5 一41 , . ,J1 .JJ.飞片J, esJ, .es、..., .”,乙1.月,’、护O叶zreef r月L少, .Lr.刃 f rJ S O M E P R O P E R T I E S O F T H E W O R K F U N C T I O N Z h a n g E n q i u ( I o s t i z u t o 01 E l e c t r o n ic s , A c a d 。。 ia 5 1, i c a , B e i z i n g ) A b s t r a e t T h a t f o r p r a e t i e a l e m i t r e r s t h e m e a s u r e d v a l u es o f r h e c o n s t a n t i n R i e l l a r d 、o n , s 。q u a t i o n a r e a l w a y s 10 5 5 t h a n 1 2 o A / e 甘T 15 due to the nonuniform ity of 二 , o r k f u n e t i o n n o t t . 〕 t h e r e f l e e ri o n o f e l e e t r o n a t t h e s u r f a e e P o te n t i a l b a r r ie r . F o r m o n o e r y s t o l f a .; e s , t l i e m e a - s u r e d a n d t h o o r e t i e a l v a l u e s a g r e e . I n f a c t , e m i s s i o n e o m e s f r o m t h o s e s u r f a e e e l e ( : t r o n s a l x℃a d y r.e n et ra te d in to th e p o te n tia l b a r r ie r b e f o r e e x e ita tio n . T h es e su rf a e e e le e tr o n :; e a n n e ith e r m o - 、e f r e e l y ‘t h r ou g h v a e u u m n o r t h r ou g h e o n d u c t i o n , t 王1 f a 一二e s 认 o u ld n o t h a v e d iff e r e n t w o rk f u n e tio n s . b a n d o f th e m e ta l , o t h e r w i s e d l f f e r e n t e r y s - T h e a d s o r P t i o n o f f o r e i g o a t ( , m s i n e r e a s e s t l i e e n 。· r g y a n d n u m b e r o f t h e s u r f a e e e l e e t r o n a n d t h e n l o w e r s t h e w o r k f u n ( 二t i o n K e y w o r d s T h e r m i o n i e c a t h o d e ; W o r k f u n c ti o n ; E xn i s s io n c o n s t a n , ; S t l r l a c e P ( ) t e l l t i a l b a r - r l e r ; S u r f a e e e l e c t r o n