Metody wyznaczania pracy wyjścia

Praca wyjścia to najmniejsza energia, jaką należy dostarczyć elektronowi danego ciała, aby opuścił on ciało i stał się elektronem swobodnym.

Spektroskopia fotoemisyjna

Jest jedną z głównych odmian spektroskopii elektronowej, polegającą na analizie rozkładu energii kinetycznej fotoelektronów emitowanych
w wyniku wzbudzenia próbki promieniowaniem elektromagnetycznym z danego zakresu. W metodyce spektroskopii wykorzystywane jest zjawisko fotoelektryczne. Z powodu wysokiej częstotliwości światła, znacznego ładunku i energii emitowanych elektronów, spektroskopia fotoemisyjna jest jedną z najbardziej czułych i dokładnych technik pomiaru energii, kształtów stanów elektronowych oraz orbitali molekularnych
i atomowych.

Metody PES można podzielić na:

• rentgenowską spektrometrię fotoelektronów (XPS) - (rycina powyżej)

• nadfioletową spektrometrię fotoelektronów (UPS)

W ostatnich dekadach rozwinięto wiele pochodnych techniki PES tj.:

• fotoemisja z kątową zdolnością rozdzielczą (ARPES),

• analizą spinu (SPPES, SPARPES),

• fotoemisja rezonansowa (RPES).

.

Schemat spektrometru XPS

• Działo jonowe - pozwala na „ścieranie” kolejnych powłok próbki i analizę głębiej położonych warstw.

• Działo niskoenergetycznych elektronów - pozwala skompensować wytwarzający się w trakcie pomiaru dodatni ładunek próbki.

Wynikiem przeprowadzenia spektroskopii fotoemisyjnej jest wyznaczenie liczby zliczeń fotoelektronów w funkcji energii wiązania.

Podstawowym równaniem opisującym efekt fotoelektryczny jest równanie Einsteina:

Gdzie:

E_K - energia kinetyczna wybitego elektronu

E_B - energia wiązania elektronów na n-tej powłoce

Natężenie promieniowania wpływa tylko na ilość wybijanych elektronów

Wynikiem przeprowadzenia spektroskopii fotoemisyjnej jest wyznaczenie liczby zliczeń fotoelektronów w funkcji energii wiązania.

Gdzie:

• E_B - energia wiązania elektronu w atomie/cząsteczce

• øsp - praca wyjścia materiału

Pozwala nam to wyznaczyć pracę wyjścia elektronu.

Emisja termoelektronowa

Polega na emisji elektronów przez ciała rozgrzane powyżej 1000K, w wyniku cieplnego pobudzenia elektronów. Ze wzrostem temperatury zwiększa się ruch cieplny atomów i energia kinetyczna elektronów tak, że coraz większa ich ilość przebija się przez barierę potencjału na powierzchni metalu. Po wydostaniu się elektronów na zewnątrz, siła przyciągania dodatniego ładunku obrazowego, powstającego w metalu szybko pokonuje początkową prędkość emisji i elektrony padają z powrotem na powierzchnię metalu. Przy braku pola elektrycznego elektrony nigdy nie oddalą się zbytnio od powierzchni ogrzanego metalu. Owen Richardson badający to zjawisko sformułował wzór który pozwolił wyznaczyć gęstość prądu. Wykorzystał do tego dwuelektrodową lampę próżniową - diodę.

Zjawisko emisji termoelektronowej obrazuje poniższy wykres:

Prawo Richardsona:

• T - jest temperaturą w kelwinach,

• W - jest pracą wyjścia elektronu z metalu,

• k - jest stałą Boltzmana,

• m i e - to masa i ładunek elektronu,

• h - to stała Plancka.

• A - stała Richardsona

W pomiarach natężenia prądu termoemisji elektrony wylatujące z metalu są zbierane przez odpowiednią elektrodę, do której przykładamy potencjał dodatni w stosunku do badanego materiału. Tym samym mamy do czynienia z układem złożonym z katody (z której elektrony wylatują) i anody (do której elektrony dolatują). Układ taki, zamknięty w bańce szklanej, nosi nazwę diody lampowej. Gdy do anody przyłożony jest ten sam potencjał co do katody (U=0), to przez diodę płynie niewielki prąd. Jest to spowodowane tym, iż elektrony wylatujące z katody w wyniku emisji termoelektronowej posiadają pewną prędkość pozwalającą im na dotarcie do anody. Przyłożenie do anody niewielkiego ujemnego napięcia Uh (zwanego napięciem hamowania) takiego, iż pozwala całkowicie powstrzymać dopływ elektronów z rozgrzanego metalu do anody. Energia kinetyczna elektronów nie pozwala im na wykonanie pracy przeciwko siłom pola elektrycznego. Gdy do anody przyłożony jest wysoki, dodatni potencjał to wszystkie elektrony wylatujące z katody wychwytywane są przez pole elektryczne anody. Natężenie prądu płynącego przez diodę osiąga maksymalną wartość opisaną równaniem Richardsona. Mówimy wówczas o tzw. prądzie nasycenia.

Wykres zmniejszenia energii wyzwolenia elektronu pod wpływem przyłożonego zewnętrznego pola elektrycznego:

---