Введение к работе
Актуальность темы. История учения о фотоэмиссии насчитывает более 100 лет. Внешний фотоэффект был обнаружен Герцем в 1887 г. Фундаментальные работы по исследованию фогоэмиссии были выполнены Столетовым в 1888 г. В 1905 г. Эйнштейн объяснил закономерности внешнего фотоэффекта на основании квантовых представлений. В тридцатые годы освоение промышленного производства фотоэлементов дало толчок к созданию разнообразных конструкций фотоэлектронных приборов, таких как многокаскадные фотоэлектронные умножители и передающие телевизионные трубки. В шестидесятые годы было обнаружено [1,2], что нанесение цезий-кислородного покрытия на атомарно-чистую поверхность /»-GaAs приводит к состоянию поверхности с эффективным отрицательным электронным сродством (ОЭС), при котором уровень вакуума расположен ниже дна зоны проводимости в объеме полупроводника. Фотоэлектронные эмиттеры с ОЭС обладают уникальными характеристиками: квантовый выход внешнего фотоэффекта Y достигает 0.4-0.5, возможна генерация спин-поляризованных электронов, возможно получение электронных пучков с узкими угловым и энергетическим распределениями. Использование полупроводников с ОЭС позволило существенно улучшить характеристики фотоэлектронных умножителей и электронно— оптических преобразователей. В последние годы фотоэмиттеры с ОЭС нашли важное применение как высокоэффективные источники монохроматических и спин-поляризованных электронов в физике высоких энергий, в молекулярной и атомной физике, а также в физике твердого тела.
Несмотря на большой интерес к использованию фотоэмиттеров с ОЭС, до сих пор однозначно не определены физические механизмы, ограничивающие квантовый выход и спиновую поляризацию фотоэмитиро-ванных электронов. Не ясны и детали механизмов деградации фотоэмиттеров с ОЭС в вакуумных приборах и в установках с непрерывной откачкой. Для выяснения этих вопросов необходимо построение более детальной атомной и электронной модели поверхности с отрицательным электронным сродством. Решение этой задачи требует развития экспериментальных методов исследования электронных свойств поверхности полупроводников с ОЭС.
В работе [3] было показано, что измерение энергетических распределений (спектров) фотоэмитированных электронов (СФЭ) обеспечивает наиболее полную информацию о фотоэмиссии электронов в вакуум из полупроводников с ОЭС. Однако в большинстве работ эти спектры измеря-
лись недостаточно точно. Дело в том, что в случае эмиттеров с ОЭС кинетическая энергия основной части электронов лежит в интервале 10-200 мэВ. Электроны со столь малой кинетической энергией очень чувствительны к слабым магнитным полям и неоднородностям электрических полей, обусловленных пятнистостью потенциала поверхности электродов, используемых в традиционных электронных спектрометрах. В результате, энергетическое разрешение и точность калибровки большинства электронных спектрометров были не лучше 50—100 мэВ, что в 2-3 раза превышает энергии характерных фононов и сравнимо с шириной изучавшихся спектров. Неоднозначность полученных ранее экспериментальных результатов была связана и с несовершенством используемых технологий приготовления и очистки поверхности, о чем косвенным образом свидетельствовали низкие (<0.05) значения квантового выхода полупроводников с ОЭС. В то время как использование более совершенных технологий приготовления и очистки поверхности, например [4], обеспечивает высокие (до 0.25-0.3) значения квантового выхода GaAs(100) фотокатодов.
Целью диссертационной работы является совершенствование метода фотоэлектронной спектроскопии электронов низких энергий в направлении повышения энергетического разрешения, точности калибровки, обеспечения возможности низкотемпературных экспериментов, и исследование этим методом электронных процессов вблизи поверхности полупроводников с отрицательным электронным сродством.
Научная новизна работы.
-
Развита методика спектроскопии фотоэмитированных электронов низких энергий, обеспечившая высокие энергетическое разрешение (не хуже 25 мэВ) и точность калибровки (±7 мэВ), а также возможность проведения экспериментов при криогенных температурах.
-
Впервые исследована фотоэмиссия электронов из >+-GaAs(Cs,0) при температуре жидкого гелия. В спектрах фотоэлектронов обнаружен резонансный пик и его фононные повтореній, свидетельствующие о том, что одним из основных механизмов релаксации энергии электронов в приповерхностной области является испускание фононов.
-
Обнаружено, что вероятность выхода электрона в вакуум зависит от взаимной ориентации спина электрона и направления магнитного поля, что, по-видимому, обусловлено спин-зависимым захватом электронов на поверхностные парамагнитные центры.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанный метод измерения спектров фотоэмитированных электронов позволяет детально изучать состояние поверхности фотокатодов с ОЭС непосредственно в пленарных фотоэлектронных приборах. Полученные знания помогают совершенствовать технологию эмиттеров с ОЭС.
Положения, выносимые на защиту:
-
Использование вакуумного фотодиода с полупрозрачным фотокатодом в качестве энергоанализатора позволяет проводить детальные исследования фотоэмнссии в широком интервале температур (4.2-300 К), измерять спектры фотоэлектронов в вакууме с высокими энергетическим разрешением (не хуже 25 мэВ) и точностью калибровки (±7 мэВ), детектировать спиновую поляризацию фотоэмитированных электронов.
-
Испускание фононов является одним из главных механизмов потери энергии электронами в приповерхностной области /?+-GaAs(Cs,0) в процессе выхода электронов в вакуум.
-
Выход фотоэлектронов в вакуум из p+-GaAs(Cs,0) является двухступенчатым процессом, включающим захват электронов на поверхностные состояния с их последующим "переизлучением" в вакуум.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на SPIE Conference: The International Society for Optical Engineering (San Diego, 1995); 12th International Symposium on High-Energy Spin Physics (Amsterdam, 1996); II Российской конференции по физике полупроводников (Зеленогорск, 1996); Seventh International Workshop on Polarized Gas Targets and Polarized Beams (Urbana, IL, 1997); Ш Российской конференции по физике полупроводников (Москва, 1997); на семинарах ИФП СО РАН, Stanford University (Palo Alto, CA), Stanford Linear Accelerator Center (Palo Alto, CA).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 7 работ [А1-А7].
Структура диссертация. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Объем диссертации составляет 144 машинописных страниц и включает 35 рисунков и список литературы из 98 наименований.
Похожие диссертации на Исследование фотоэмиссии из GaAs с отрицательным электронным сродством методом спектроскопии эмитированных электронов
