WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 9 05;11 Поверхностная фотоэмиссия ультратонких пленок калия, адсорбированных на вольфраме © М.В. Кнатько, М.Н. Лапушкин, В.И. Палеев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия e-mail: lapushkin@ms.ioffe.rssi.ru (Поступило в Редакцию 23 ноября 2000 г.) Исследована начальная стадия формирования ультратонких пленок калия на W (100) методом пороговой фотоэмиссионной спектроскопии с использованием p- и s-поляризованного света в диапазоне энергий квантов 1.6-3.5 eV. Найдено, что вид спектральных зависимостей тока фотоэлектронов зависит от величины покрытия поверхности щелочными атомами и в первую очередь определяется изменением с покрытием матричных элементов возбуждения фотоэмиссии. Показано, что изменение матричных элементов связано с тем, что глубина выхода фотоэлектронов мала и при облучении как p-, так и s-поляризованным светом эмиссия происходит из поверхностного слоя.

Введение Методом ПФС были изучены различные системы цезий–металлическая подложка: Cs / W (100), Системы, образующиеся при адсорбции атомов щеCs / W (111), Cs / W (110) [1], Cs / Ag [9], в которых лочных металлов на металлических подложках, предстабыли обнаружены зоны поверхностных состояний, вляют предмет многочисленных исследований в течение индуцированных адсорбцией щелочного металла, вблизи многих десятилетий. Интерес к этим системам вызван не EF и модификация этих состояний в субмонослойном только тем, что они являются модельными при изучении диапазоне покрытий Cs. Для системы Cs / Au [10] взаимодействия атомов с твердотельным адсорбентом, этим методом была исследована начальная стадия но и имеют практическое значение, поскольку щелочные образования поверхностного сплава CsAu.

адсорбаты широко применяются в приборах различноИсследования спектра ПС при адсорбции калия на го назначения. К иследованиям сравнительно недавнеметаллах были проведены для систем K / Al (111) [3,11], го времени в этой области следует отнести изучение K/ Cu(110) [12], K / Cu (100) [13]. Ниже приводятся образования и модификации поверхностных состояний результаты исследования начальной стадии формирова(ПС), инициированных адсорбцией щелочного адсорбата ния электронной структуры поверхности адсорбционной на металлических адсорбентах.

системы K / W(100) в процессе нанесения на вольфраНа основании экспериментальных [1–3] и теоретичемовую подложку ультратонких пленок калия методом ских [4–7] исследований можно предложить следующий пороговой фотоэмиссионной спектроскопии.

сценарий изменений электронной плотности ПС вблизи уровня Ферми (EF) при нанесении щелочного адсорба1. Эксперимент та. Зона собственных поверхностных состояний (СПС) адсорбента находится ниже EF. На начальной стадии Исследования проводились в сверхвысоковакуумной формирования покрытия взаимодействие адсорбата с установке при давлении P 5 · 10-10 Torr. В каподложкой приводит к сдвигу СПС в сторону больших честве подложки использовали монокристалл W (100).

энергий связи и к появлению зоны ПС, индуцированных При комнатной температуре на подложку напылялись щелочными атомами (ИПС). Эта зона первоначально пленки калия толщиной до 3 монослоев из атомарнонаходится выше EF. С ростом покрытия как зона СПС, чистого источника K. Степень покрытия () опредетак и зона ИПС сдвигается в сторону больших энергий ляли по известной зависимости работы выхода от связи, и при покрытиях, соответствующих минимуму величины покрытия; минимум работы выхода адсистемы работы выхода адсистемы, зона ИПС расположена ниK/ W(100) достигается при покрытии = 0.6 моноже EF. Дальнейшее увеличение покрытия изменяет как слоя [7]. Регистрировали спектральные зависимости зону ИПС, так и СПС интегральных фотоэмиссионных токов Ip(h) и Is(h) Электронную структуру вблизи EF систем щелочной металл–металлическая подложка легче всего исследо- при возбуждении соответственно p- и s-поляризованным вать методом пороговой фотоэмиссионной спектроско- светом в диапазоне энергий 1.6-3.5 eV для различных.

Угол падения света на образец = 45.

пии (ПФС), которая обладает намного более высокой чувствительностью к поверхностным состояниям, рас- На рис. 1 и 2 приведены спектральные зависимости положенным вблизи EF, по сравнению с традиционно фототоков Is(h) и Ip(h) для различных покрытий K используемым методом ультрафиолетовой спектроско- на вольфраме. Как и в исследованных ранее системах пии [1,8]. Cs / W (100), Cs / W (111), Cs / W (110) [1], Cs / Ag [9] 106 М.В. Кнатько, М.Н. Лапушкин, В.И. Палеев зависимости фототоков Ip(h) и Is(h) различаются интенсивностью и формой. Изменения фототоков Ip(h) и Is(h) при увеличении происходят по разному.

Фототоки Is(h) монотонно возрастают, за исключением зависимости Is(h) для = 0.6, которая имеет выпуклую форму. Форма зависимостей Ip(h) существенно изменяется со степенью покрытия.

Очевидно, что наблюдаемые различия в зависимостях фототоков Ip(h) и Is(h) для = 3.0 и для массивных образцов толщиной более 100 нм [14] связаны с тем, что нанесенные пленки K еще слишком тонкие. Форма зависимости Is(h) для массивного образца во многом определяется тем, что у металлического K зона проводимости узкая, Eband = 1.60 eV [15].

Рассмотрим особенности полученных зависимостей при возбуждении фотоэмиссии светом различной поРис. 1. Спектральные зависимости фототока Is(h) для разляризации. Фототок Is(h) вблизи порога подчиняется личных калиевых покрытий. : 1 — 0.30, 2 — 0.60, 3 —1.0, закону Фаулера [16] 4 —2.0, 5 —3.0, 6 — для толстой пленки калия [14].

Is = a(h - )2, (1) где a — постоянная.

Для металлов величина энергии кванта фотоэмиссионного порога h0 равна работе выхода, т. е. h0 =.

Область энергий, в котором фототок подчиняется закону Фаулера, зависит от, т. е. изменение приводит к изменению диапазона энергий, в которых зависимость Is(h) квадратичная. Можно выделить две области покрытий <0.3 и 1.1 < <2.8, в которых зависимость Is(h) квадратичная во всем исследованном диапазоне энергий возбуждения.

Обработка кривых Is(h) при разных покрытиях по формуле (1) позволяет определить вид зависимости () (рис. 3). Величина = 2.30 ± 0.03 eV Рис. 2. Спектральные зависимости фототока Ip(h) для для = 3.0 немного больше справочного значеразличных калиевых покрытий. 1–6 — то же, что и на рис. 1.

ния = 2.22 eV [17].

В случае p-поляризованного возбуждения фототок вблизи порога не подчиняется закону Фаулера.

2. Теоретическое рассмотрение процесса и обработка результатов В теории пороговой фотоэмиссии, разработанной в [18], для фототоков Ip(h) и Is(h) получены следующие выражения:

Ip(h) =|K|2(h - h0)2(h - h0) |E0|2 sin m cos + m - sin |M1|2|m|2 sin2 + |M2|2|m - sin2 | Рис. 3. Зависимости (1), hpl (2), hm0 (3) от степени калиевого покрытия, а также зависимость hpl для системы Cs / W (100), рассчитанная по данным [1] (4).

+ 2 sin Re M1 M2m m - sin2, (2) Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Поверхностная фотоэмиссия ультратонких пленок калия, адсорбированных на вольфраме Is(h) =|K|2(h - h0)2(h - h0) Втеории [18] величины Mi представляют в виде Mi = |Mi|eii, |E0|2 cos2 |M3|, (3) где i — фаза матричного элемента, не зависящая от h.

cos + m - sinТогда интерференционный член в выражении (2) будет зависеть только от разности фаз = 1 - 2. Слегде 0 — пороговая частота; (h - h0) — функция довательно, интерференционный член можно отбросить, Хэвисайда; m — диэлектрическая постоянная металла;

E0 — амплитуда падающей на поверхность световой когда сомножитель e-im m - sin2 близок к нулю.

волны; M1, M2, M3 — матричные элементы переходов Для этого необходимо производить дополнительные испод действием параллельных компонент Ei(i = 2, 3) и следования в каждом конкретном случае.

перпендикулярной компоненты Ei(i = 1) электрического Если мы хотим найти значение |K|2|M1|2, то нам вектора световой волны относительно поверхности; K — необходимо сделать определенные предположения о виде постоянная, в которую входят особенности плотности зависимости |K|2|M1|2. Она подбирается для каждой состояний вблизи EF и особенности перехода электронов конкретной системы. Параметры, определяющие вид зана границе металл / вакуум. висимости |K|2|M1|2, находятся с помощью одного из меОтметим, что матричные элементы M2 и M3 в теории тодов поиска минимума. Ищется минимум следующего связываются с возбуждением фотоэмиссии в глубине выражения:

металла, т. е. с объемной фотоэмиссией, а матричный Iexp(h) p элемент M1 — с возбуждением фотоэмиссии на границе -|K|2(h - h0) (h - h0)металл–вакуум, т. е. с поверхностной фотоэмиссией. Таким образом, s-поляризованный свет возбуждает только |E0|2 sin фотоэмиссию из объема металла, а p-поляризованный m cos + m - sinсвет должен возбуждать как объемную фотоэмиссию, так и поверхностную фотоэмиссию. Для изотропных |M1|2|m|2 sin2 + |M2|2|m - sin2 | материалов справедливо равенство M2 = M3 [18].

Из уравнения (3) можно выделить следующую величину:

+ 2 sin Re M1 M2m m - sin2, (5) Is cos + m - sin2 exp где Ip (h) — измеренные значения фототока.

|K|2|M3|2 =. (4) (h - h0)2(h - h0)|E0|2 cos2 Ниже приводятся результаты обработки экспериментальных данных по формулам (4) и (5).

На рис. 4 приведена энергетическая зависимость мат1) s - поляризация. Все полученные из обработки ричного элемента |K|2|M3|2, вычисленного по формуэкспериментальных данных зависимости |K|2|M3|2, вид ле (4). Матричный элемент поверхностной фотоэмиссии которых иллюстрирует рис. 2, хорошо описываются из уравнения (2) напрямую найти невозможно. Этому уравнением мешает интерференционный член M1 M2. Пренебречь KM3 = Km3 (h - h0) +(h - hvplato) этим членом в оптическом диапазоне частот для металлов без дополнительных предположений нельзя.

-n (hnnh-nplato - 1), (6) где — Km3 — амплитуда матричного элемента (ее величина связана с плотностью состояний вблизи EF).

В диапазоне h0 h hplato фототок Is(h) подчиняется закону Фаулера, т. е. определяется электронными состояниями ниже EF, плотность которых можно считать постоянной при вызывающих фотоэффект энергиях квантов. Показатель степени n определяет, насколько резко изменяется (уменьшается или увеличивается) плотность состояний для возбуждающих эмиссию квантов с энергией h >hplato.

Параметры hplato, n и Kms находились исходя из минимума выражения exp Is (h) -|K|2(h - h0) (h - h0)|E0|2 cos2 |M3|2, (7) | cos + m - sin2 |exp Рис. 4. Вид матричных элементов |K|2|M3|2 и |K|2|M1|2. где Is (h) — измеренные значения фототока.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 108 М.В. Кнатько, М.Н. Лапушкин, В.И. Палеев На рис. 3 приведена зависимость от величины hpl = hplato - h0.

При увеличении покрытия до значений min длина плато уменьшается. При дальнейшем напылении калия hpl увеличивается. В области 1.2 < <2.0 плато достигает максимальной величины и остается постоянным. Дальнейший рост пленки > 2.0 приводит к уменьшению hpl. При = 3.0 значение hpl = 0.85 eV, что больше hpl = 0.40 eV, рассчитанного для толстого слоя K по данным работы [14]. Отметим, что видна тенденция к уменьшению hpl с ростом.

В области покрытий до <0.3 показатель степени n равен 0. При увеличении в области 0.3 < < min происходит уменьшение величины n до -3, которая достигается при min. При дальнейшем росте покрытия Рис. 5. Зависимости |K|2|m3|2 (1) и |K|2|m1|2 (2) от степени происходит увеличение n до 0 при = 1.0. В области калиевого покрытия и зависимость |K|2|m3|2 для систеот 1 < < 2.5 этот параметр остается постоянным и мы Cs / W (100), рассчитанная по данным [1] (3).

равным 0. Дальнейшее увеличение покрытия приводит к падению n вплоть до значения -0.5 при = 3.0.

Для толстого слоя K, рассчитанного нами по данным Разность фаз между матричными элементами Mработы [14], было найдено значение n = -11, что и M3 одинакова для всех исследованных покрытий указывает на правильную тенденцию уменьшения n с ( = 1.0 ± 0.1). Найденное значение немного больше, ростом пленки адсорбата.

чем = 0.8, определенное для системы Cs / W в [1].

На рис. 5 приведена зависимость |K|2|m3|2 от. При На рис. 3 приведена зависимость от смещеувеличении покрытия в области 0.3 <

стигающей максимального значения при min. При дальДля области покрытий 0 <<2 форма зависимости нейшем увеличении покрытия |K|2|m3|2 уменьшается.

hm0() очень похожа на форму зависимости hpl().

При покрытиях > 2.0 величина |K|2|m3|2 остается При малых < 0.6 увеличение приводит к уменьпрактически постоянной. Сопоставление наших данных шению величины hm0, которая достигает минимума для |K|2|m3|2 с толстым слоем K мы не делали, так как при min. Дальнейшее увеличение приводит к роне производили абсолютных измерений фототоков.

сту hm0. В диапазоне 1.0 <<1.8 этот параметр остаВидно, что изменение экспериментально определенется постоянным. При >1.8 происходит рост hm0.

ных параметров hplato, n, |Km3|2 с ростом покрытия На рис. 5 приведена зависимость |K|2|m1|2 от.

коррелирует с изменением ().

Во всей области исследованных покрытий калием ве2) p - п о л я р и з а ц и я. Форма матричного элемента личина |K|2|m1|2 значительно меньше |K|2|m3|2. Аналоповерхностной фотоэмиссии KM1 в системе K / W (100) гичный результат был получен в исследованиях фотолучше всего описывается асимметричной функцией Гаусэмиссии из индия в электролит [18]. Несмотря на то са что KM1 много меньше KM3, фотоэмиссия под действием E1, нормальной компоненты электрического вектоKM1 = Km1 exp - ln(0.5) ра p-поляризованного света больше, чем под действием параллельной компоненты электрического вектора (h - hmax) (/2(1 + Casim(hmax - h)/)), p-света, E2. Это связано с тем, что в уравнении (2), (8) определяющем фототок Ip(h), коэффициент перед Mгде hmax — положение максимума функции, —шив m раз больше, чем перед M2. Для вольфрама в рина пика на полувысоте, Km1 — амплитуда матричного оптическом диапазоне частот m 20 [19]. Вид завиэлемента, Casim — коэффициент асимметрии.

симости |K|2|m1|2 от похож на зависимость |K|2|m3|2.

На рис. 4 приведен матричный элемент M1. Максимум Рост |K|2|m1|2 наблюдается до покрытия = 0.80, после матричного элемента hmax незначительно сдвинут в сточего происходит уменьшение |K|2|m1|2 практически до рону больших энергий относительно положения макси- первоначальных значений.

мума зоны ПС. Ширина матричного элемента возбуж- На рис. 6 приведена зависимость параметра от.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.