Способы определения работы выхода

Работа выхода

Работа выхода — разница между минимальной энергией (обычно измеряемой в электрон-вольтах), которую необходимо сообщить электрону для его «непосредственного» удаления из объёма твёрдого тела, и энергией Ферми. Здесь «непосредственность» означает то, что электрон удаляется из твёрдого тела через данную поверхность и перемещается в точку, которая расположена достаточно далеко от поверхности по атомным масштабам (чтобы электрон прошёл весь двойной слой), но достаточно близко по сравнению с размерами макроскопических граней кристалла. При этом пренебрегают дополнительной работой, которую необходимо затратить на преодоление внешних полей, возникающих из-за перераспределения поверхностных зарядов. Таким образом, работа выхода для одного и того же вещества для различных кристаллографических ориентаций поверхности оказывается различной.

При удалении электрона на бесконечность его взаимодействие с зарядами, остающимися внутри твёрдого тела приводит к индуцированию макроскопических поверхностных зарядов (при рассмотрении полубесконечного образца в электростатике это называют «изображением заряда»). При перемещении электрона в поле индуцированного заряда совершается дополнительная работа, которая определяется диэлектрической проницаемостью вещества, геометрией образца и свойствами других поверхностей. За счет этого полная работа по перемещению электрона из любой точки образца в любую другую точку (в том числе и точку бесконечности) не зависит от пути перемещения, то есть от того, через какую поверхность был удален электрон. Поэтому в физике твёрдого тела эта работа не учитывается и не входит в работу выхода.

Содержание

Работа выхода в фотоэффекте

Работа выхода в внешнем фотоэффекте — минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества под действием света

Измерение работы выхода

Единицами измерения работы выхода являются Джоуль (Дж) или электронвольт (эВ).

Работа выхода электрона из различных металлов

Единица измерения: эВ электронвольт
Источник: CRC Handbook of Chemistry and Physics version 2008, стр. 12-114.
Примечание: Работа выхода может зависеть от ориентации освещаемого кристалла. К примеру, Ag: 4.26, Ag(100): 4.64, Ag(110): 4.52, Ag(111): 4.74. Диапазоны изменения работы выхода для типичных кристаллографических направлений указаны в таблице.

4.45

5

3.3

2.59

3.84

Элемент	эВ	Элемент	эВ	Элемент	эВ	Элемент	эВ	Элемент	эВ
Ag:	4.52 – 4.74	Al:	4.06 – 4.26	As:	3.75	Au:	5.1 – 5.47	B:
Ba:	2.52 – 2.7	Be:	4.98	Bi:	4.31	C:	Ca:	2.87
Cd:	4.08	Ce:	2.9	Co:	5	Cr:	4.5	Cs:	2.14
Cu:	4.53 – 5.10	Eu:	2.5	Fe:	4.67 – 4.81	Ga:	4.32	Gd:	2.90
Hf:	3.9	Hg:	4.475	In:	4.09	Ir:	5.00 – 5.67	K:	2.29
La:	3.5	Li:	2.93	Lu:	Mg:	3.66	Mn:	4.1
Mo:	4.36 – 4.95	Na:	2.36	Nb:	3.95 – 4.87	Nd:	3.2	Ni:	5.04 – 5.35
Os:	5.93	Pb:	4.25	Pd:	5.22 – 5.6	Pt:	5.12 – 5.93	Rb:	2.261
Re:	4.72	Rh:	4.98	Ru:	4.71	Sb:	4.55 – 4.7	Sc:	3.5
Se:	5.9	Si:	4.60 – 4.85	Sm:	2.7	Sn:	4.42	Sr:
Ta:	4.00 – 4.80	Tb:	3.00	Te:	4.95	Th:	3.4	Ti:	4.33
Tl:	U:	3.63 – 3.90	V:	4.3	W:	4.32 – 5.22	Y:	3.1
Yb:	2.60 [1]	Zn:	3.63 – 4.9	Zr:	4.05

Литература

1. ↑ (1996-02) «The dependence of the work function of rare earth metals on their electron structure». Microelectronics Journal27 (1): 93–96. DOI:10.1016/0026-2692(95)00097-6. ISSN0026-2692. Проверено 2009-09-22.

• Solid State Physics, by Ashcroft and Mermin. Thomson Learning, Inc, 1976

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Работа выхода» в других словарях:

РАБОТА ВЫХОДА — энергия Ф, к рую необходимо затратить для удаления эл на из твёрдого или жидкого в ва в вакуум (в состояние с равной нулю кинетич, энергией). Р. в. Ф=еj, где j потенциал Р. в., е абс. величина электрич. заряда электрона. Р. в. равна разности… … Физическая энциклопедия

работа выхода — электрона; работа выхода Работа, соответствующая разности энергий между уровнем химического потенциала в теле и уровнем потенциала вблизи поверхности тела вне его при отсутствии электрического поля … Политехнический терминологический толковый словарь

РАБОТА ВЫХОДА — работа, которую необходимо затратить для удаления электрона из конденсированного вещества в вакуум. Измеряется разностью между минимальной энергией электрона в вакууме и Ферми энергией электронов внутри тела. Зависит от состояния поверхности… … Большой Энциклопедический словарь

РАБОТА ВЫХОДА — РАБОТА ВЫХОДА, энергия, затрачиваемая на удаление электрона из вещества. Учитывается при ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ЭФФЕКТЕ и в ТЕРМОЭЛЕКТРОНИКЕ … Научно-технический энциклопедический словарь

работа выхода — Энергия, необходимая для переноса в бесконечность электрона, находящегося в исходном положении на уровне Ферми в данном материале. [ГОСТ 13820 77] Тематики электровакуумные приборы … Справочник технического переводчика

работа выхода — [work function] энергия, затрачиваемая на удаление электрона из твердого тела или жидкости в вакуум. Переход электрона из вакуума в конденсированную среду сопровождается выделением энергии, равной работе выхода; чем меньше работа выхода, тем… … Энциклопедический словарь по металлургии

работа выхода — Work Function Работа выхода Минимальная энергия (обычно измеряемая в электрон вольтах), которую необходимо затратить для удаления электрона из объема твёрдого тела. Электрон удаляется из твердого тела через данную поверхность и перемещается в … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. — М.

работа выхода — работа, которую необходимо затратить для удаления электрона из конденсированного вещества в вакуум. Измеряется разностью между минимальной энергией электрона в вакууме и ферми энергией электронов внутри тела. Зависит от состояния поверхности… … Энциклопедический словарь

работа выхода — išlaisvinimo darbas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Darbas, kurį atlieka 1 molis dalelių (atomų, molekulių, elektronų) pereidamas iš vienos fazės į kitą arba į vakuumą. atitikmenys: angl. work function vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

работа выхода — išlaisvinimo darbas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. work function; work of emission; work of exit vok. Ablösearbeit, f; Auslösearbeit, f; Austrittsarbeit, f rus. работа выхода, f pranc. travail de sortie, m … Fizikos terminų žodynas

Источник

Способ определения работы выхода

Владельцы патента RU 2250527:

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения высоких напряжений в процессе испытания электрической изоляции. Технический результат — расширение функциональных возможностей определения координат движущегося объекта за счет снятия ограничений на время непрерывной работы и на величину пройденного пути. Для достижения данного результата на электроды подают высоковольтные прямоугольные импульсы фиксированной длительности. При этом постепенно увеличивают амплитуду импульсов до величины, достаточной лишь для инициирования пробоя. Осуществляют обработку электродов импульсами напряжения длительностью равной времени запаздывания пробоя, обеспечивая оптимальность режима кондиционирования, формирующего поверхность катода с минимальным коэффициентом усиления поля на ее микронеоднородностях. Затем определяют время запаздывания и соответствующую ему величину напряженности электрического поля на катоде.

Изобретение относится к технике высоких напряжений, в частности к области электрической изоляции и разрядов в вакууме, и может быть использовано в электронной промышленности при определении работы выхода катодов высоковольтных электровакуумных приборов и конструкций.

Известен способ определения работы выхода электронов материала катода из экспериментов с термоэлектронной эмиссией [1], включающий подачу напряжения на вакуумный промежуток нитевидный катод — цилиндрический анод, измерение температуры катода, измерение плотности термоэлектронного тока при разных температурах катода, построение прямой Ричардсона

где j_T — плотность тока термоэлектронной эмиссии;

Т — температура катода,

и расчет величины работы выхода по тангенсу угла наклона этой прямой.

Недостатком способа является необходимость применения специально изготовленных образцов материала катода и специальных ламп для определения эмиссионных констант металлов и невозможность его использования в случае рабочих электродов высоковольтных электровакуумных приборов и конструкций.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения работы выхода из экспериментов с автоэлектронной эмиссией [2]. Способ включает подачу высокого напряжения на вакуумный промежуток с катодом в виде тонкой цилиндрической нити или острия конического типа с малым радиусом вершины, измерение тока автоэлектронной эмиссии, определение напряженности электрического поля на катоде, построение вольтамперной характеристики в координатах Фаулера-Нордгейма log(I/E 2 )=f(1/E) и расчет величины работы выхода по тангенсу угла наклона этой прямой

где ϕ — работа выхода электронов материала катода, эВ;

I — эмиссионный ток, А;

Е — напряженность электрического поля на катоде, В/м.

Однако этот способ определения работы выхода предполагает использование эмиттера известной геометрии для расчета напряженности электрического поля и не применим в случае катодов электровакуумных приборов и конструкций с большими рабочими поверхностями, на которых присутствуют микровыступы неизвестной геометрии, напряженность поля на вершине которых также остается неизвестной.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении эффективности способа за счет расширения сферы его применения на рабочие электроды высоковольтных электровакуумных приборов и конструкций.

Это достигается тем, что в известном способе определения работы выхода, включающем подачу высокого напряжения на электроды вакуумного промежутка и определение напряженности электрического поля на катоде, на электроды подают высоковольтные прямоугольные импульсы фиксированной длительности, постепенно увеличивают их амплитуду до величины, достаточной лишь для инициирования пробоя, при этом осуществляют обработку электродов импульсами напряжения длительностью, равной времени запаздывания пробоя, обеспечивая оптимальность режима кондиционирования, формирующего поверхность катода с минимальным коэффициентом усиления поля на ее микронеоднородностях, определяют время запаздывания и соответствующую ему величину напряженности электрического поля на катоде, затем на электроды подают прямоугольные импульсы другой длительности, повторяют все упомянутые операции и вычисляют величину работы выхода по формуле

где ϕ — работа выхода электронов материала катода, эВ;

E₁, E₂ — значения напряженности электрического поля на катоде при разных длительностях высоковольтного импульса, В/м;

t_з1 и t_з2 — значения времени запаздывания, соответствующие напряженностям Е₁, Е₂, с.

Введение операций подачи на электроды высоковольтных прямоугольных импульсов фиксированной длительности, постепенного увеличения их амплитуду до величины, достаточной лишь для инициирования пробоя, осуществления обработки электродов импульсами напряжения длительностью, равной времени запаздывания пробоя, обеспечивает реализацию оптимального режима импульсного кондиционирования и формирование поверхности катода с минимальным коэффициентом усиления поля на ее микронеоднородностях.

Использование прямоугольных импульсов фиксированной длительности позволяет определить величину Е₁ напряженности электрического поля на катоде, соответствующую времени запаздывания пробоя t_з1. Постепенное увеличение амплитуды импульсов до величины, достаточной лишь для инициирования пробоя, обеспечивает плавное приближение к оптимальному режиму импульсного кондиционирования, исключая возникновение пробоев промежутка. Обработка электродов импульсами напряжения длительностью, равной времени запаздывания пробоя t_и≈ t_з, соответствует оптимальному режиму кондиционирования, формирующего поверхность катода с минимальным коэффициентом усиления поля.

Согласно критерию оптимальности импульсного кондиционирования [3],

основанному на механизме джоулева разогрева эмиттера протекающим автоэлектронным током, энергия, выделяемая в эмиттере за время действия импульса t_и, остается величиной постоянной и равной энергии его разрушения. При оптимальном режиме импульсы фиксированной длительности выделяют в эмиттере одну и ту же мощность, достаточную лишь для разрушения существующих микронеоднородностей катодной поверхности без образования новых, и формируют поверхность катода с минимальным значением коэффициента усиления поля. С изменением длительности кондиционирующих импульсов оптимального режима изменяется мощность, выделяемая на катоде, и изменяется состояние его поверхности. Для улучшения состояния поверхности катода следует уменьшать длительность импульсов оптимального режима, для ухудшения — увеличивать.

Достижение оптимального режима состоит в поддержании времени запаздывания пробоя, равным длительности кондиционирующих импульсов t_и≈ t_з. В результате кондиционирования импульсами t_и≈ t_з формируется строго определенное состояние поверхности катода, при этом время запаздывания пробоя оказывается функцией пробивной напряженности Е, работы выхода ϕ и совокупности физических постоянных α ρ c/к₀, определяющих удельную энергию разрушения материала катода, и для высоковольтных прямоугольных импульсов принимает вид [4]

где ρ — плотность, кг/м 3 ;

с — удельная теплоемкость, Дж/(кг· К);

к₀ — коэффициент пропорциональности в зависимости между удельным сопротивлением к и температурой Т (к=к₀T), Ом· м/К;

α — безразмерная величина, медленно изменяющаяся с изменением напряженности Е.

Средством однозначного установления условия оптимальности импульсного кондиционирования является осциллографирование импульсов напряжения.

Из осциллограмм напряжения и геометрии электродов определяют пробивную напряженность Е₁, получаемую в результате оптимального режима кондиционирования импульсами фиксированной длительности, и соответствующее ей время запаздывания пробоя t_з1≈ t_и.

Подача на электроды импульсов другой длительности и повторение всех упомянутых операций позволяют реализовать оптимальный режим кондиционирования импульсами другой мощности. Изменение мощности, выделяемой в эмиттере при оптимальном режиме кондиционировании, сопровождается изменением состояния поверхности катода и приводит к другим значениям импульсной электрической прочности Е₂ и времени запаздывания t_з2≈ t_и.

На основании выражения (5) при использовании двух разных режимов оптимального кондиционирования катода импульсами длительностью t_и=t_з1 и t_и=t_з2 получена формула (3) для вычисления работы выхода.

Применение двух разных режимов оптимального импульсного кондиционирования с измерением характеристик электрической прочности: импульсной электрической прочности и времени запаздывания пробоя, приводит к повышению эффективности способа за счет расширения сферы его применения на рабочие катоды высоковольтных электровакуумных приборов и конструкций.

Способ определения работы выхода осуществляют следующим образом. На электроды вакуумного промежутка, образованного рабочими электродами, подают высоковольтные прямоугольные импульсы фиксированной длительности, плавно увеличивают амплитуду импульсов до величины, достаточной лишь для инициирования пробоя, при этом осуществляют тренировку электродов высоковольтными импульсами длительностью, равной времени запаздывания пробоя. Кондиционирование импульсами t_и≈ t_з соответствует оптимальному режиму и формирует поверхность катода с наименьшим значением коэффициента усиления на ее микронеоднородностях. По достижении установившегося режима определяют время запаздывания t_з1 и соответствующую ему напряженность Е₁ электрического поля на катоде. После чего подают на электроды прямоугольные импульсы другой длительности, повторяют все упомянутые операции и вычисляют значение работы выхода по формуле (3).

Для осуществления способа используют генератор высоковольтных прямоугольных импульсов наносекундной длительности.

Согласно заявляемому способу с помощью генератора, формировавшего на несогласованной нагрузке импульсы напряжением 5≤ U_и≤ 60 кB, длительностью 4≤ t_и≤ 800 нс и фронтом t_ф=4 нс, на электроды из хрома площадью S=500 мм 2 в однородном поле при величине межэлектродного промежутка d=0,9 мм подавали высоковольтные прямоугольные импульсы длительностью t_и=130 нс, постепенно увеличивали их амплитуду до величины достаточной лишь для инициирования пробоя, осуществляя при этом обработку электродов высоковольтными импульсами t_и≈ t_з. По осциллограммам напряжения определено напряжение пробоя и рассчитана напряженность поля E₁=2.1· 10 7 B/м, соответствующая времени запаздывания пробоя t_з1≈ t_и=130 нс. Затем подавали на электроды высоковольтные прямоугольные импульсы длительностью t_и=10 нс. При обработке электродов импульсами t_з2≈ t_и=10 нс напряженность составила E₂=6.4· 10 7 В/м. Вычисленное значение работы выхода по формуле (3) составило ϕ =4.6 эВ. Согласно [5], значение работы выхода для хрома равно ϕ =4.58 эВ.

Данный способ позволяет повысить эффективность известного способа за счет расширения сферы его применения на катоды высоковольтных электровакуумных приборов и конструкций и может быть использован в электронной промышленности.

1. Соболев В.Д., Физические основы электронной техники — М.: Высшая школа, 1979, с.260-263.

2. Латам Р. Вакуумная изоляция установок высокого напряжения — М.: Энергоатомиздат, 1985, с.43.

3. Емельянов А.А., Запаздывание пробоя в вакууме // ЖТФ, 2003, Т.73, Вып.9, с.113-119.

4. Емельянов А.А., Об оптимальном режиме электроимпульсного кондиционирования напыленных электродов в вакууме // ПТЭ, 1998, №6, с.90-91.

5. Физический энциклопедический словарь / Под ред. А.М.Прохорова — М.: Сов. Энциклопедия, 1983. с.601.

Способ определения работы выхода, включающий подачу высокого напряжения на электроды вакуумного промежутка и определение напряженности электрического поля на катоде, отличающийся тем, что на электроды подают высоковольтные прямоугольные импульсы фиксированной длительности, постепенно увеличивают их амплитуду до величины достаточной лишь для инициирования пробоя, при этом осуществляют обработку электродов импульсами напряжения длительностью, равной времени запаздывания пробоя, обеспечивая оптимальность режима кондиционирования, формирующего поверхность катода с минимальным коэффициентом усиления поля на ее микронеоднородностях, определяют время запаздывания и соответствующую ему величину напряженности электрического поля на катоде, затем на электроды подают прямоугольные импульсы другой длительности, повторяют все упомянутые операции и вычисляют величину работы выхода по формуле

где ϕ — работа выхода материала катода, эВ;

E₁, E₂ — значения напряженности электрического поля на катоде при разных длительностях высоковольтного импульса, В/м;

t_з1 и t_з2 — значения времени запаздывания, соответствующие напряженностям E₁, Е₂, с.

Источник