5.1.3. Квантовый выход и селективность

Зависимости квантового выхода от энергии фотонов получены для многих материалов (рис.5.1.5). В большинстве случаев Y(h) представляет собой монотонную кривую. Квантовый выход быстро возрастает с удалением энергии кванта света от красной границы. Экспериментально установлено, что при значениях h близких к красной границе поведение Y(h) может быть описано следующим выражением:

Y

Рис.5.1.5. Зависимости квантового выхода для некоторых металлов [P1].

~ h(₀)ⁿ (5.1.8)

где n в случае металлов равно 2. У полупроводников n может отличаться от двойки и принимать значения от 3/2 до 5/2. При больших h квантовый выход может достигать 10%. При этом иногда наблюдается и некоторая структура на кривых Y(h).

Однако, в некоторых случаях наблюдается немонотонное изменение Y и при h, близких к красной границе, наблюдается максимум фотоэмиссионного тока в некоторой области оптического спектра. Это явление называют селективным внешним фотоэффектом. Различают два вида селективной ФЭЭ: векториальная (или поляризационная) и размерная.

Вектор напряженности поля электромагнитного излучения E может быть различно ориентирован относительно плоскости падения света (плоскостью падения называют плоскость, проходящую через нормаль к поверхности и направление распространения света). При поляризации света под произвольным углом можно разложить E на компоненту, параллельную плоскости падения E_||, и на компоненту, перпендикулярную ей E_ (рис.5.1.6 а). Эксперименты показали, что при падении под углом света, поляризованного в плоскости падения, величина фототока существенно больше, чем

а	б	в
Рис.5.1.6. а - вектор напряженности поля электромагнитного излучения E можно разложить на компоненту, параллельную плоскости падения E||, и на компоненту, перпендикулярную ей E. б – спектральная зависимость при различных направлениях поляризации. в – зависимость от угла падения света [P1].

в случае поляризации E_._. На рис.5.1.6 приведены спектральные зависимости фототока с поверхности жидкого сплава натрия и калия для двух случаев поляризации (б), а также зависимости от угла падения света (в). Такого рода эффект сравнительно слабо выражен, пока исследовали фотоэмиссию с поверхности твердых тел, но значительно усиливается после их плавления. Этого следовало ожидать, поскольку обычно поверхность шероховата, что приводит к разориентации направления поляризации.

Появление селективности объясняется величиной световой энергии, поглощаемой в приповерхностном слое. В случае идеального металла электромагнитное поле не проникает в металл, а на поверхности поле равно нулю. В действительности диэлектрическая постоянная реальных металлов отлична от бесконечной, электромагнитное излучение проникает в поверхностный слой.Проведенные расчеты показали, что зависимости плотности световой энергии в приповерхностном слое вполне соответствуют наблюдаемым зависимостям фотоэмиссионного тока.

Решающее влияние концентрирования световой энергии в приповерхностном слое на величину фототока великолепно было продемонстрировано в опытах Айвса и Ф

Рис.5.1.7. Эксперимент Айвса и Фрея. На подложку нанесен кварцевый клин, покрытый фоточувствительным слоем. Узкий пучок поляризованного света смещается вдоль образца. б – зависимости фототока и энергии излучения, поглощенной в фоточувствительном слое от координаты вдоль клина.

рея [X]. На подложку (Ag, Pt, Se) напылялся кварцевый клин (рис.5.1.7а), поверх которого наносилась пленка Cs, являющаяся источником фотоэлектронов вследствие малой работы выхода. Пленка была достаточно тонкой, чтобы поглощение света было не велико. Система освещалась пучком поляризованного света, ограниченным щелевой диафрагмой так, чтобы можно было считать постоянной толщину кварцевой прослойки на освещенном участке. При сканировании щели вдоль пленки наблюдались периодические изменения фототока (рис.5.1.7 б). Причем максимумы располагались примерно в тех местах, в которых максимум энергии интерферирующего светового потока приходился на пленку Cs. Естественно, это отражается на зависимости квантового выхода, поскольку при изменении длины волны света изменяются условия интерференции, следовательно, изменяется энергия, поглощаемая фоточувствительным слоем.

На основе полученных результатов была разработана теория фотоэлектронной эмиссии, позволяющая объяснить целый ряд экспериментальных фактов. Первой и простейшей теорией была теория Фаулера.