d o o r H . B R U I N I N G
F O T O - E L E C T R I S C H E E M IS S IE
Bepaling van op. Z o o als door D r V e e n e m a n s is uiteenge zet, kan de u ittre e -a rb e id cp b ep aald w o rd en uit em issiem etingen bij verschillende te m p e ra tu u r m et behulp van de form ule van R i c h a r d s o n , I s = A T~ exp ( — ecp/kT). D a a rn a a s t k an cp ech ter ook langs foto-electrische w eg w o rd en b ep aald en w el volgens verschillende m ethoden. M e e sta l b e p a a lt men h et functioneele v erb an d tusschen de fotostroom en de golflengte 1 van h et in g estraald e licht. W a a r deze krom m e de A-as snijdt (fig. 1), ligt
30 /foto t 20 10 0 2400 2600 2800 3000 A —X Fig. 1.
Bepaling d er foto-electrische roodgrens A0.
de foto-electrische roodgrens ]), w elke m et de u ittree-arb eid verbonden is door de vergelijking
In w erkelijkheid is de m ethode iets gecompliceerder, d a a r de krom m e de A-as ra a k t, hetgeen een gevolg is van de therm ische energie d er elec- tronen. D o o r F o w l e r (P h y s. Rev. 3 8 , 45, 1931) is een formule a a n g e geven, die het verloop in de b u u rt van de roodgrens beschrijft en w a a r mee (p n a u w k e u rig k an w o rd en bepaald.
70 H. BRUINING ecp — hcjX0 = kv0 .
D e op deze wijze foto-electrisch gem eten op stem t voor de m e talen goed overeen m et de therm ische cp, zooals de volgende aan R e i m a n n (1) ontleende ta b e l la a t zien.
T herm ische en foto-electrische cp voor enkele m etalen. cpth (V ) 9 /ou ( V ) T a . . . 4,12 4,11 M o . . 4,15 4,15 W . . 4,54 4,54 F e . . . 4,77 4,77 N i. . . 5,03 5,01
E en tw eed e m ethode om de foto-electrische cp te bepalen is o n tw ik k eld door S u h r m a n n (2) en R o y (3). Zij b e s tra le n d e fo to -k ath o d e m et licht afk o m stig van een z w a rt lichaam en vinden d an een fo to stro o m
Ifoto = C T r exp ( — ecpjkT) .
C en r zijn co n stan ten , T is de te m p e ra tu u r van h e t z w a rte lichaam en cp de u ittre e -a rb e id . O o k m et behulp van deze w e t m atigheid k an cp w o rd en gem eten. O p v allen d is, d a t de fo to stroom hier evenals in de form ule van R i c h a r d s o n d o o re e n exponentieele functie w o rd t b ep aald .
D e overeenstem m ing tusschen therm ische en foto-electrische <p w o rd t alleen w aargenom en bij de zuivere m etalen, w a a r h e t de geleidingselectronen zijn, die foto-electrisch of therm isch w o rd en vrij gem aakt. E en a n d e r ty p e k ath o d en b e s ta a t uit electropositieve atom en g ead so rb eerd aan h e t o p p erv lak van een m etaal of van een halfgeleider. V o o rb eeld en zijn B a g ead so rb eerd op BaO of Cs op Cs20 , w a a ro v e r D r V e e n e m a n s reed s sp rak . D e foto-electrische en de therm ische em issie kom en dan to t stan d door ionisatie van de g ead so rb eerd e atom en en aan de h and van een p a a r p o tentiaalkrom m en kunnen w e ons een beeld vorm en van de processen, die d aarb ij p laatsg rijp en (fig. 2, D e B o e r (4) ). Bij ionisatie door een foton zal volgens h e t F ran ck -C o rd o n p rin cip e de a fsta n d van h e t atoom to t h e t ad so rb eeren d o p p erv lak n iet veranderen. V o o r deze ionisatie
FOTO-ELECTRISCHE EN SECUNDAIRE ELECTRONENEMISSIE 71 is dus m instens een energie €p foto v ereisch t en h ierd o o r w o rd t de foto-electrische p b ep aald . D e therm ische ionisatie kom t d aaren teg en to t stan d , d o o rd a t de am plitude d e r therm ische trillingen zoo gro o t w o rd t, d a t h e t snijpunt A d er beide poten- tiaalkrom m en w o rd t b ereik t. D a n b e s ta a t een zekere kans, d a t een atoom in een ion o v erg aat, m .a.w . d a t een electron w o rd t vrijgem aakt. H e t is u it de figuur duidelijk, d a t pth (p foto en d it w o rd t door h et experim ent b ev estig d ; zoo heeft men bijv. voor
Cs op CsuO w aargenom en p th = 0,82 V en p/ oto = 0,95 V (5 ).
H oew el de p s verschillen zal algem een toch een lage th e r mische <p m et een lage foto-electrische p g e p aard gaan. O o k zien w e uit de figuur, d a t de ionisatie-energie van een g ead so r b eerd atoom veel kleiner«is dan die van een vrij atoom .
Fig. 2.
P otentiaalkrom m en voor een ion en een atoom, illustreerend d a t V th ^ V fo to *
De folo-eleclnoche gevoeligheid. In de p ractijk v e rlan g t m en fo to cellen van zoo g ro o t mogelijke gevoeligheid, d.w .z. die p e r in g e stra a ld lich tq u an t een zoo g ro o t m ogelijk a a n ta l electronen leveren. W a n n e e r w e ons b ep erk en to t w it licht (continu spectrum ), zal men op grond van h e t v o o rafg aan d e in de eerste p la a ts denken aan de m etalen m et een lage p. D e roodgrens is dan v er n a a r de roode k a n t verschoven, zo o d at een g ro o t deel van h et spectrum to t de fotostroom b ijd raag t. H e t gunstig effect van een lage p kom t onder m eer in de form ule van S u h r m a n n en R o y duidelijk to t uitdrukking.
72 H. BRUINING
cellen to eg ep ast. D eze zijn th an s ech ter overvleugeld door de om streeks 1925 ontw ikkelde sam engestelde foto-kathoden. D eze zijn opgebouw d analoog aan de o x y d ek ath o d en d.w .z. m et elec- tro p o sitiev e m etaalato m en g ead so rb eerd aan een halfgeleidende onderlaag. Z ooals boven is uiteengezet (fig. 2), o n ts ta a t de foto- stroom bij deze k ath o d en door ionisatie van een g ead so rb eerd atoom . H e t is nu gebleken, d a t bij d it proces de foto-electrische gevoeligheid belangrijk g ro o ter is dan bij h e t vrijm aken van de geleidingselectronen uit een m e ta a l1). D it w o rd t fra a i gedem on stre e rd door proeven van S u h r m a n n (6), w aarb ij K aan een /^ -o p p e rv la k w e rd g ead so rb eerd (fig. 3). Bij geringe bedekkings- g ra a d w o rd en ionen g ead so rb eerd en de op w o rd t v erlaag d
Fig. 3.
Fotogevoeligheid als functie van de golflengte van p latina b e d e k t m et kalium.
I Z w a k k e bedekking, 11 bedekking m et minimale op, III, I V en V achtereenvolgens toenem ende bedekkingen.
(krom m e I). V o eren w e de b ed ek k in g sg raad op, dan w o rd en ook atom en g ead so rb eerd en w e krijgen een veel g ro o tere elec- tro n en o p b ren g st (II, I I I , IV ). T en slo tte w o rd t bij nog g ro o tere b ed ek k in g sg raad een laagje van h e t g ead so rb eerd e m etaal m et
9 D e foto-electrische emissie door geadsorbeerde atom en w o rd t ook w e l de selectieve foto-electrische emissie genoemd. D e emissie is in tw ee opzichten selectief. In de eerste p laats verto o n t de fotostroom als functie v an de golflengte uitgesproken maxima. In de tw eed e p la a ts is bij scheeve inval de polarisatie van het licht v an groote in v lo e d ; w a n n e e r de elec- trische vector in het invalsvlak ligt, is de fotostroom veel grooter d an w a n n e e r zij d a a r loodrecht op staat.
FOTO-ELECTRISCHE EN SECUNDAIRE ELECTRONENEMISSIE 73 m etallische eigenschappen gevorm d, w a a rd o o r de o p b ren g st w eer aanzienlijk d a a lt (V ).
E r zijn tallooze fo to k ath o d en van h e t sam engestelde ty p e b e schreven, gew oonlijk b estaan d e u it een o n d erlaag van m e ta al verbindingen (fluoriden, oxyden), w a a ra a n atom en zijn g ead so r b eerd van een m etaal m et lage u ittree-arb eid , m eestal alkali- m etaal (7). D e m eest to eg ep aste com binatie is atom en Cs g ead so rb eerd aan Cs20 , om dat hierm ee de laag ste u ittre e -a rb e id voor electronen w o rd t verkregen, terw ijl h e t maximum, d a t bij deo ad so rp tie van K aan een m etaalo p p erv lak bij 35°° A w o rd t
o
verkregen, in d it geval bij ÓOOO.—8ooo A ligt. H e t Cs20 w o rd t aa n g eb ra c h t op een m etallische onderlaag, gew oonlijk zilver. Z o o als reeds e e rd e r is opgem erkt, b e s ta a t de foto-electrische emissie van een dergelijk o p p erv lak u it de foto-ionisatie van de g ead so rb eerd e atom en. D a t de ionisatie-energie van de ge ad so rb eerd e atom en kleiner is dan die van h et vrije atoom , is reeds e e rd e r door D r V e e n e m a n s uiteengezet.
E r b e sta a n tallooze v a riaties om dergelijke sam engestelde fo to k ath o d en op te bouw en. Z oo k an bijv. e x tra Cs of zilver in de Cs20 -laag w o rd en opgenom en, m et h e t gevolg, d a t de roodgrens n a a r de zijde d e r lange golven w o rd t verschoven (8J.
Samenstelling Foto-electrische roodgrens
Maximum (zijde der lange golven)
|Ag] — Cs20 — Cs 11500 A 6100 A
[Ag] — Cs20, A g— Cs 12000 7000 tot 8000
[Ag] — Cs20, A g — Cs (extra Ag) 12000 7500 tot boven 8000
. / [Aê) — Cs*0,Cs, — tot 14000 7500 tot boven 8000
sponzig 1 [Alr]_ cs'0 , Cs, A g - Cs (extra Ag)tot 17000 7500 tot 8500
D e o p b ren g st van deze k ath o d en is in h et maximum van de orde van I electro n p e r IOO lich tq u an ta.
H e t lijkt op h et eerste gezicht vreem d, d a t de io n isatie-en er gie w o rd t v eran d erd door h et inbouw en van m etaalatom en in de onderlaag. D it h o u d t v erb an d m et de z.g. nalevering van electronen. H e t Cs20 is nl. een electrische iso lato r. W oorden de Ck-atomen nu door foto-ionisatie van hun electronen o n td aan , dan m oeten de achtergebleven Ck-ionen d o o r electronen, die door h e t Cs20 w o rd en aangevoerd, w o rd en g en eu traliseerd . Is h et Cs20 onvoldoende geleidend, dan blijft de n eu tralisatie u it en
74 H. BRUINING
v erliest de k ath o d e h a a r fotogevoeligheid. W o r d t de licht stroom onderbroken, dan v in d t w e e r een geleidelijk h erstel p la a ts, d a a r de electro n en aan v o er, alth an s gedeeltelijk, blijft b estaan . M en sp re e k t dan van foto-electrische verm oeidheid. H ie ru it blijkt w el, d a t onder b ep aald e om standigheden h e t ge- leidingsverm ogen van h et Cs20 de g ro o tte d e r fo to-electrische em issie k an bepalen, m .a.w . d a t de energie, die noodig is om de electronen in de geleidingsband van h e t Cs20 te brengen, ook van belang is. D o o r e x tra m etaalato m en in te bouw en kan deze energie v erlaag d w orden. D e foto-electrische roodgrens w o rd t dan n iet b e p a ald door de energie, die noodig is om van een £k-atoom h e t electron in vacuum te brengen, m aar door de energie om een electron n a a r een niveau in de geleidingsband van h e t Cs20 op te heffen. H e t em issiem echanism e van d erg e lijke k ath o d en is dus gecom pliceerd. H e t beeld d a t hier gegeven w o rd t, is zeer ru w en slechts in s ta a t om de verschijnselen q u a lita tie f te v erk laren .
V olledigheidshalve zij nog verm eld, d a t de fotostroom van deze sam engestelde fo to k ath o d e als functie van de golflengte
O pog een tw eed e maximum v e rto o n t en w el bij ongeveer 4000 A.
/3e d an o p tred en d e foto-electronenstroom is afkom stig van h et Cs20 en niet van a an h et o p p erv lak g e a d so rb eerd e £k-atom en.
D e v ra a g ligt voor de hand, w aaro m deze k ath o d en n iet als therm ische electro n en b ro n w o rd en g ebruikt. D it is niet mogelijk, d a a r de tem p eratu u r, w aarb ij een voldoend hooge em issie w o rd t verkregen, zoo hoog ligt, d a t h e t slechts w einig gebonden Cs- atoom daarbij snel v erd am p t en de k ath o d e d erh alv e in k o rte tijd h a a r ac tiv iteit verliest.
S E C U N D A I R E E L E C T R O N E N E M I S S I E
W o r d t een v aste sto f beschoten m et geladen deeltjes, bijv. electronen, dan zen d t deze w ederom electronen uit. M en sp re e k t van secundaire electronen en van secundaire electronenem issie. O n d e rzo e k t men de energieverdeeling d e r secundaire electronen, d an blijken drie groepen aanw ezig te zijn (fig. 4):
1) E lectronen, die een energie hebben gelijk aan die van de prim aire electronen. D it zijn de z.g. elastisch v erstro o id e electronen, ook w el „gereflecteerde electro n en ” genoem d. 2) E lectro n en m et een w a t kleinere energie dan de prim aire
electronen. H e t energieverschil tusschen de electron en van deze en de vorige groep is o n afhankelijk van de
FOTO-ELECTRISCHE EN SECUNDAIRE ELECTRONENEMISSIE 75 energie d er prim aire electronen, zo o d at men hier b lijk b aar te doen h eeft m et prim aire electronen, die een b ep aald e hoeveelheid energie hebben afg estaan aan de electronen van de beschoten v aste sto f; men sp re e k t derhalve van onelastisch v erstro o id e electronen. 1) en 2) w o rd en sam en ook w el rückdiffundierte electronen genoem d (nom enclatuur volgens L e n a r d (9 )).
3) Langzam e electro n en (m eest voorkom ende energie 5 — 10 eV ), die echte secundaire electronen w orden genoem d. D e energie van deze electronen is in tegenstelling m et die van de electronen d er vorige groepen nagenoeg onafhankelijk van de energie d er prim aire electronen. M en h eeft blijk b a a r te doen m et electronen, die u it de v aste sto f zijn
E nergieverdeeling der secundaire electronen van zilver. ( R u d b e r g , P hys. Rev.
5 0
, 138, 1936).R elastisch verstrooide electronen, O onelastisch verstrooide electronen,
S echte secundaire electronen.
vrijgem aakt, over w elk verschijnsel P r o f . K r o n i g r e e d s in de inleiding h eeft gesproken.
In technische vacuum buizen tre d en de drie soorten electronen tegelijk op. D e belan g rijk ste groep is de groep d e r echte secun daire electronen, d a a r deze v errew eg h e t g ro o tste deel d er u it gezonden electronen v erteg en w o o rd ig t. H e t is gebruikelijk om de elastisch en onelastisch v erstro o id e electronen en de echte secun daire electronen sam en k o rtw eg secundaire electronen te noemen.
E en m aat voor h et secundair eniilteerend vermogen is de v e r houding van secundaire en prim aire electronenstroom 1). D eze
76 H. BRUINING
zullen wij m et de le tte r d aangeven. M en zou v erw ach ten , d a t de facto r d toeneem t, w a n n e er de energie d er prim aire elec- tro n en eVp toeneem t; d it is ech ter niet h e t geval. D e facto r d g a a t als functie van Vp door een maxim um en w el bij w a a r den van Vp, die liggen tusschen 5° en iooo V . O m een indruk te geven van de g ro o tte van ö zij reed s th an s verm eld, d a t de m axim ale w a a rd e van d bij m etalen tusschen 0,5 en 1,5 ligt, bij m etaalverbindingen tusschen I en 10. H iero v er zal nog n a d e r w o rd en uitgew eid. W e lis w a a r neem t h et a a n ta l vrijgem aakte secundaire electronen in de éloj m et toenem ende Vp t o e ; de theorie le e rt echter, d a t h et a a n ta l p e r eenheid van w eglengte
D e secundaire em issiefactor <5 als functie v an de energie ( Vp ) d er prim aire electronen voor enkele metalen.
van de prim aire electronen vrijgem aakte secundaire electronen om gekeerd evenredig m et de energie van de prim aire electronen is. Bij toenem ende Vp w o rd t derhalve h et g ro o tste a a n ta l d er secundaire electronen op zoo groote diepte vrijgem aakt, d a t zij een ab so rp tie ondergaan, v o o rd a t zij h et o p p erv lak hebben b e re ik t; o p deze wijze k an h e t o p tred en van een maximum in de d— k^-krom m e begrijpelijk w o rd en g em aak t (fig. 5).
Ik zal v e rd e r in hoofdzaak sp rek en over de g ro o tte van de fa cto r d. B e s ta a t er een co rrelatie tusschen h et verm ogen voor foto-electrische em issie en voor secundaire em issie en w el in die zin, d a t stoffen m et groote foto-electrische em issie ook een groote secundaire em issie (een groote fa c to r (3) v erto o n en ? In de p ractijk zal men bij de secundaire em issie gew oonlijk te doen
ons steeds een veld aanw ezig, d a t alle geëm itteerde secundaire electronen w egtrekt.
FOTO-ELECTRISCHE EN SECUNDAIRE ELECTRONENEMISSIE 77 hebben m et prim aire electronen m et een energie van de orde van l O O e V , terw ijl de lich tq u an ta bij de foto-electrische emissie van de orde van I eV zijn. D a a rd o o r is ook de energie d er secundaire electronen (io eV ) veel g ro o ter d an die van de foto- electronen (i eV ). H e t gevolg hiervan is, d a t de invloed van een verlaging van de cp op de secundaire em issie veel geringer is dan op de foto-electrische em issie. D it w o rd t gedem onstreerd door hg. 6, w a a rin h et verloop is aangegeven van de secundaire
Fig. 6.
Foto-electrische en secundaire emissie voor B a op M o als functie van de b ed ek k in g sg raa d 0 } V^ — 200,V.
Bij 0 — 0 is de uittreepotentiaal minimaal.
en de foto-electrische em issie van m olybdeen, d a t m et barium w o rd t b ed ek t, als functie van de b ed ek k in g sg raad 0 . D e foto- electrische emissie is gem eten m et h et continu licht van een w olfraam bandlam p. V erg elijk t men de m etalen m et hooge en lage 99, dan blijkt, d a t bij kleine energieën d er prim aire elec tro n en io eV ) de d van de m etalen m et lage <p g ro o ter is d an die van de m etalen m et hooge (p (fig. 7). Bij gro o tere e n e r gieën ioo eV ) is h e t om gekeerde h et geval 1).
*) E en om slagrekening m a a k t het aannemelijk, d a t de prim aire elec tronen dieper in het barium dringen dan in het zilver. D a a r de a b so rp tie coëfficiënt (u itgedrukt in cm voor beide m etalen van dezelfde orde van
78 H. BRUINING
U it d it alles blijkt, d a t een verlaging van de op niet h et ju iste m iddel is om een sto f m et een groote fa c to r d te v e r
krijgen. Stoffen m et een groote <5 (max. io) v in d t men onder de eenvoudige m etaalverbindingen d e r alkali- en aard alk alim etalen (oxyden, halogeniden). V o o r een groote fa c to r d is geen e x tra m etaalo v ersch o t vereischt, indien de prim aire electronenstroom voldoende klein w o rd t gehouden. In d it opzicht zijn wij een an d ere m eening to eg ed aan dan vele R ussische onderzoekers (10), die m eenen, d a t een m etaalo v ersch o t w el noodzakelijk is. V o l gens onze inzichten is in de eerste p laats b ep alen d de ligging van de energienivau’s, die de electronen bezetten, in de v aste stof. .Zooals reed s d o o r P r o f . K r o n i g is uiteengezet, vorm en
1,00 <■ 0,75 050 075 0 — Ba ©ƒ / •• 1 0 20 40 60 l b(Van) 100 Fig. 7.
H e t verloop van 5 bij kleine snelheden d er invallende electronen.
deze niveau’s energiebanden, die door v erboden in terv allen van e lk a a r gescheiden zijn (fig. 8). D e stoffen m et g ro o t secundair em itteeren d verm ogen hebben een volledig b ezette energieband I, w a arb o v en de energieband II is gelegen, die geheel onbezet is. D e energieband II is zoo gelegen, d a t een electron, d a t d a a rin een niveau bezet, zonder e x tra energie-opnam e h e t k rista l k an v erlaten . In een dergelijke sto f k an een p rim air electron alleen energie verliezen d o o r een electronenovergang van b an d I n a a r b an d II te b ew erk stellig en ; d it b eteek en t, d a t h e t u itslu iten d p o rtie ’s energie aan de electronen in de sto f k an afsta an , die voldoende g ro o t zijn om deze te kunnen doen u ittred en . Bij stoffen m et gering secundair em itteeren d verm ogen is de ligging van b an d II zoodanig, d a t een electron, d a t een niveau in deze
grootte is, w o rd e n de secundaire electronen in het bariu m d a a rd o o r s te r k e r g eab so rb eerd d an in het zilver.
FOTO-ELECTR ISCHE EN SECUNDAIRE ELECTRONENEMISSIE 79 b an d bezet, n iet u it h et k rista l k an tred en . D a a rto e m oet h et op een niveau in de b an d I I I w orden g eb rach t (11). E en p ri m air electron „v ersp ilt” dan ech ter energie aan electronenover- gangen, die n iet kunnen bijdragen to t de secundaire em issie. T o t de stoffen m et h et eerste energieschem a behooren, zooals reed s w erd gezegd, de halogeniden en oxyden van alkali- en aard alk alim etalen , to t die m et h et tw eed e schem a halfgeleidende verbindingen als M oS2, Cn^O en ook de m etalen. Bij deze la a tste w o rd t h et m echanism e iets an d ers d o o r de aanw ezigheid van halfgevulde banden.
O o k voor de secundaire em issie b e s ta a t nog geen volledige theorie. D aaro m is een min of m eer phenom enologisch overzicht
Fig. 8. E n erg ieb an d en
a) voor een halfgeleider met hooge secundaire emissie, b) voor een halfgeleider m et geringe secundaire emissie, c) voor een m etaal ; hier is ö eveneens gering.
gegeven. H e t volgende sta a tje geeft een overzicht van de v e r schillende groepen:
<5 bij
Vp = 150 V um ax
1
groep oxyden en halogeniden vanalkali- en aard- voorbeeld NaCl ca. 4 ca. 7,schema«
metaalver-bindingen
|
alkalimetalen groep halfgelei
dende verbin- voorbeeld MoS,2 0,9 1,10, schema b metalen
j
dingengroep ( p ^ A V voorbeeld M o 1,00 1,26, schema c groep ( p ^ 2 V voorbeeld B a 0,63 0,83, schema*:80 H. BRUINING
H e t sp re e k t vanzelf, d a t d it ste rk geschem atiseerde overzicht niet volledig is. Z oo zijn e r tallooze verbindingen, die v erteg en w oordigers zijn van een tusschengeval. V o o rts kunnen zich speciaal bij de stoffen m et hooge ö gecom pliceerde verschijnselen voordoen. D eze b etreffen :
1) Levensduur. D e halogeniden zijn in de p ractijk o n b ru ik b aar, d a a r deze bij beschieten m et electronen zeer snel on tled en ; de b uitenelectronen d er CY-ionen w o rd en geëm itteerd en h e t o v er blijvende chlooratoom ontw ijkt. In de secundair em itteerende sto f vorm en zich m etaalconglom eraten m et lage secundaire- em issiefactor. In d it opzicht zijn de oxyden veel b eter. E en bekende secundaire em itter is de laag A g — Cs20 — A g — Cs, die ook reed s bij de foto-electrische em issie w erd genoem d. D eze laag h eeft een hooge secundaire-em issiefactor (d m ax ^ io) d ank zij de aanw ezigheid van h et Cs20 , een goede fo to -electri sche em issie d an k zij de aanw ezigheid van h e t ato m aire Cs.