6 КОНТАКТНІ І ПОВЕРХНЕВІ ЯВИЩА

6.1 Робота виходу

При зближенні атомів і утворенні з них кристалів потенціальні бар'єри для електронів, що відділяють сусідні атоми, знижуються і звужуються. Потенціальний же бар'єр біля поверхні кристала (біля зовнішньої його межі) залишається практично таким же високим, як і у ізольованих атомів (рис. 6.1, а). Тому електрони в кристалі знаходяться ніби в потенціальній ямі, вихід з якої вимагає витрати роботи з подолання сили, діючої на них з боку кристала. Для металів вираз для цієї сили легко визначити з таких міркувань.

Електрон, що вийшов з металу і знаходився біля його поверхні на відстані х (рис. 6.1, б), індукує в металі заряд +q. Цей наведений заряд діє на електрон, що вийшов, так, ніби він був зосереджений під поверхнею металу на глибині х в точці, симетричній тій, в якій знаходиться електрон. Індукований заряд + називають тому електричним зображенням заряду – .Він притягує електрон з силою

               ,                              (6.1)

названою силою електричного зображення.

На відстані х₀ від поверхні кристала рівної або менше міжатомної, визначити сили, що утримують електрон в кристалі, досить важко і вираз (6.1) для х < х₀ не використовується. Але, на щастя, для більшості практично важливих завдань достатньо знати лише повну висоту бар'єра, що розрахована від дна зони, провідності Е_с названу зовнішньою роботою виходу (work out) х_вн (рис. 6.1, в), висоту бар'єра, що розрахований від рівня Фермі, яку називають термодинамічною роботою виходу x₀ (рис. 6.1,в), і, нарешті, потенціал сили дзеркального зображення при х > х₀, який може бути знайдений шляхом інтеграції виразу (6.1).

Для напівпровідника або діелектрика (рис. 6.2) термодинамічна робота виходу x₀ не відповідає роботі виходу якого-небудь реального електрона, якщо рівень Фермі лежить в забороненій зоні і не збігається ні з яким рівнем домішки.

Великий вплив на роботу виходу роблять мономолекулярні адсорбційні шари. На рис. 6.3, а показаний одноатомний шар цезію, що покриває поверхню вольфраму. Цезій є лужним металом. Його зовнішній валентний електрон пов'язаний з ядром значно слабкіше, ніж валентні електрони у вольфрамі.

Тому при адсорбції атоми цезію віддають вольфраму свої валентні електрони і перетворюються на позитивно заряджені іони. Між цими іонами і їх електричним зображенням у вольфрамі виникає сила тяжіння, що утримує іони на поверхні вольфраму. При покритті вольфраму одноатомним шаром цезію виникає подвійний електричний шар, зовнішня сторона якого заряджена позитивно. Поле подвійного шару допомагає виходу електрона з вольфраму, тому у присутності шару цезію робота виходу електронів з вольфраму зменшується з 4,52 до 1,36 еВ. Подібно цезію діють одноатомні шари інших електропозитивних металів – барію, церію, торію і т.д.

Рисунок 6.1 – Робота виходу електронів з металу: а – потенціальний бар'єр для електронів біля поверхні кристала; б – сили електричного зображення; в – зміна потенціальної енергії електрона з видаленням його з поверхні металу

Зменшення роботи виходу під впливом адсорбції електропозитивних металів знаходить широке практичне застосування при виготовленні катодів електронних ламп, фотокатодів і под.

Зовсім інакше діє, наприклад, кисень, адсорбований поверхнею металу. Зв'язок валентних електронів в атомі кисню значно сильніший, ніж в металах. Тому при адсорбції атом кисню не віддає, а, навпаки, одержує від металу два електрони, перетворюючись на негативно заряджений іон. В результаті цього зовнішня сторона подвійного електричного шару виявляється зарядженою негативно (рис. 6.3, б), внаслідок чого електричне поле гальмує вихід електронів з металу і робота виходу збільшується.