ÿþ W y k Ba d 7
P o m i a r y z m i a n p r a c y w y j [c i a
F . G o Be k
( g o l e k @ i f d . u n i . w r o c . p l )
w w w . p e . i f d . u n i . w r o c . p l
W s t p
P o j a w i e n i e s i p o j c i a p r a c y w y j [c i a
w i |e s i z w c z e s n y m i b a d a n i a m i
f o t o e m i s j i .
P r a c a w y j [c i a t o e n e r g i a p o t r z e b n a d o
p r z e n i e s i e n i a e l e k t r o n u z p o z i o m u
F e r m i e g o n a p o z i o m p r ó |n i .
P r a c a w y j [c i a t o w i e l k o [ m a k r o s k o p o w a
z w y k l e w y n o s z c a k i l k a e V .
P o c z t k i f o t o e m i s j i
F o t o e f e k t o d k r y l i : H e r t z w 1 8 8 7 r . o r a z
H a l l w a c h s w 1 8 8 8 r .
H e r t z b a d a B z a c h o w a n i e s i i s k r y w t ó r n e j
( i s k r y 2 ) w o b e c n o [c i p r o m i e n i o w a n i a z
i s k r y p i e r w o t n e j ( i s k r y 1 ) p r z y r ó |n y c h
m a t e r i a Ba c h z a s Bo n y i s t w i e r d z i B, |e t o
u l t r a f i o l e t z i s k r y 1 s t y m u l u j e i s k r 2 .
O b e c n i e w i e m y , |e c z y n i t o f o t o e l e k t r o n y
z e l e k t r o d i s k r o w n i k a 2 . H a l l w a c h s
z a u w a |y B, |e u j e m n i e n a Ba d o w a n a p By t k a
c y n k u p o Bc z o n a z e l e k t r o s k o p e m s z y b k o
u l e g a r o z Ba d o w a n i u g d y j e s t o [w i e t l a n a
u l t r a f i o l e t e m . D o k Ba d n i e j s z e b a d a n i a
f o t o e m i s j i n i e s p o d z i e w a n i e p o k a z a By , |e
e n e r g i a k i n e t y c z n a f o t o e l e k t r o n ó w n i e
z a l e |y o d n a t |e n i a [w i a t Ba l e c z o d j e j
c z s t o t l i w o [c i ( b a r w y ) .
P o c z t e k r o z w a |a D n a d p r a c w y j [c i a
z n a j d u j e m y w p u b l i k a c j i A . E i n s t e i n a : O n t h e
p r o d u c t i o n a n d t r a n s f o r m a t i o n o f l i g h t a c c o r d i n g t o a
h e u r i s t i c p o i n t o f v i e w . A n n . d . P h y s i k 1 7 , ( 1 9 0 5 ) 1 3 2 .
W t e j p r a c y f o t o e f e k t w y j a [n i o n y j e s t p r z y p o m o c y b i l a n s u e n e r g e t y c z n e g o :
E e = h ½ I ( 1 )
g d z i e : I j e s t m i n i m a l n e n e r g i k o n i e c z n d o w y e m i t o w a n i a e l e k t r o n u ( - p r a c
w y j [c i a z w y k l e w y r a |a n s y m b o l e m $ l u b W ) . E e j e s t m a k s y m a l n e n e r g i
k i n e t y c z n w y e m i t o w a n e g o e l e k t r o n u . h ½ j e s t e n e r g i c z s t k i [w i a t Ba E v = h ½.
F o t o e f e k t z a c h o d z i g d y h v e" I . P r a c a t a d a Ba p o c z t e k r o z w a |a n i o m n a d
d u a l i z m e m f a l o w o - c z s t k o w y m i p r z y c z y n i Ba s i d o u z y s k a n i a p r z e z E i n s t e i n a
n a g r o d y N o b l a w 1 9 2 1 r .
J e s t t o j e d n a z p i c i u p u b l i k a c j i n a p i s a n y c h p r z e z E i n s t e i n a w 1 9 0 5 r . P o z o s t a Be c z t e r y p r a c e t o :
1 ) A n e w d e t e r m i n a t i o n o f t h e m o l e c u l a r d i m e n s i o n s , A n n . d . P h y s i k 1 9 , 2 8 9 ( 1 9 0 6 ) - z a t p r a c
E i n s t e i n o t r z y m a B d o k t o r a t ( b y Bo t o j e g o d r u g i e p o d e j [c i e d o d o k t o r a t u ) .
2 ) O n t h e m o t i o n o f p a r t i c l e s s u s p e n d e d i n a l i q u i d a t r e s t , a s r e q u i r e d b y t h e m o l e c u l a r - k i n e t i c
t h e o r y o f h e a t . A n n . d . P h y s i k 1 7 , 5 4 9 ( 1 9 0 5 ) .
3 ) O n t h e e l e c t r o d y n a m i c s o f m o v i n g b o d i e s A n n . d . P h y s i k 1 7 , 8 9 1 ( 1 9 0 5 )
4 ) D o e s t h e i n e r t i a l m a s s o f a b o d y d e p e n d o n i t s e n e r g y c o n t e n t ? A n n . d . P h y s i k 1 8 , 6 3 9 ( 1 9 0 5 ) .
W i g n e r i B a r d e e n o p i s a l i p r a c w y j [c i a j a k o s u m w k Ba d u
o b j t o [c i o w e g o i w k Ba d u z w i z a n e g o z w a r s t w p o d w ó j n n a
p o w i e r z c h n i m e t a l u .
W i g n e r i B a r d e e n z a p r o p o n o w a l i t e | d e f i n i c j p r a c y w y j [c i a j a k o
r ó |n i c m i d z y e n e r g i n e u t r a l n e g o m e t a l u E N z N e l e k t r o n a m i w
s t a n i e p o d s t a w o w y m ( c z y l i w t e m p . 0 K i o p o t e n c j a l e V = 0 V ) a
e n e r g i E N - 1 t e g o u k Ba d u p o u s u n i c i u j e d n e g o e l e k t r o n u d o
o b s z a r u o p o t e n c j a l e V 0 : $ = ( E N - 1 + e V 0 ) - E N
P r a c w y j [c i a $ m o |n a t e | d e f i n i o w a p o p r z e z r ó |n i c m i d z y
e l e k t r o c h e m i c z n y m p o t e n c j a Be m e l e k t r o n u w m e t a l u µ , a e n e r g i
e l e k t r o n u $0 w e l e k t r o s t a t y c z n y m p o t e n c j a l e n a z e w n t r z m e t a l u :
$ = $0 - µ
P r z y s t a By c h : c i [n i e n i u p i t e m p e r a t u r z e T , µ = ( "G / "n ) T , P
G e n t a l p i a s w o b o d n a ( e n e r g i a G i b b s a )
P r a c a w y j [c i a j e s t j e d n y m z f u n d a m e n t a l n y c h p a r a m e t r ó w m e t a l i .
B y w a t a k , |e p o m i m o i | z d e f i n i c j i p r a c a w y j [c i a j e s t e n e r g i p o t r z e b n d o
p r z e n i e s i e n i a e l e k t r o n u z p o z i o m u F e r m i e g o n a p o z i o m p r ó |n i t o n i e k t ó r z y
a u t o r z y w y r a |a j t w i e l k o [ w V ( a n i e w e V ) i p i s z r ó w n a n i a w p o s t a c i :
e $ = - e $0 - µ
( n p . : D . P . W o o d r u f f , T . A . D e l c h e r M o d e r n t e c h n i q u e s o f s u r f a c e s c i e n c e , s t r .
3 5 6 ) . P e w n y m u s p r a w i e d l i w i e n i e m m o |e b y f a k t , |e p r z y w y z n a c z a n i u p r a c y
w y j [c i a m i e r z o n e s w Ba [n i e n a p i c i a s t o s o w a n y c h w e k s p e r y m e n c i e
z a s i l a c z y . P o n a d t o d o z m i a n p r a c y w y j [c i a p r z y c z y n i a j s i l i c z n e e f e k t y n a t u r y
e l e k t r o s t a t y c z n e j ( n p . m o m e n t d i p o l o w y a d s o r b a t u ) , g d y | p r a c a p r z e n i e s i e n i a
e l e k t r o n u t o p r a c a p r z e n i e s i e n i a j e g o Ba d u n k u e l e k t r y c z n e g o ( m a s a n i e g r a r o l i ) .
W l i t e r a t u r z e z d a r z a s i , |e d l a w y g o d y p o j c i e p o t e n c j a Bu u |y w a s i j a k o
e n e r g i i p o t e n c j a l n e j e l e k t r o n ó w i d e f i n i c j p r a c y w y j [c i a W i g n e r a - B a r d e e n a
z a p i s u j e j a k o :
W = ( E N - 1 + V 0 ) - E N
O d c z e g o z a l e |y p r a c a w y j [c i a $?
I ) Z a l e |y o d p o Bo |e n i a p o z i o m u F e r m i e g o , z a t e m
z a l e |y o d w n t r z a ( t j . r o d z a j u m e t a l u l u b
p ó Bp r z e w o d n i k a )
I I ) Z a l e |y r ó w n i e | o d s t a n u i s t r u k t u r y p o w i e r z c h n i .
D l a w y b r a n e g o m e t a l u p r a c a w y j [c i a z a l e |y o d :
"
t e m p e r a t u r y ,
"
s t r u k t u r y p o w i e r z c h n i t j . r o d z a j u [c i a n y , i l o [c i s t o p n i
a t o m o w y c h , w i e l k o [c i t a r a s ó w i t p . ,
"
z a n i e c z y s z c z e D i z d e f e k t o w a n i a ,
"
r o d z a j u a d s o r b a t u ,
"
g r u b o [c i a d s o r b a t u .
w s z y s t k i e g o c o z m i e n i a p o w i e r z c h n i o w y m o m e n t d i p o l o w y .
C z y p o m i a r p r a c y w y j [c i a j e s t p r z y d a t n y ?
" J e s t u |y t e c z n y d z i k i t e m u , |e s t a n o w i r e l a t y w n i e p r o s t
m e t o d m o n i t o r o w a n i a s t a n u p o w i e r z c h n i ( c z y s t o [c i , o r i e n t a c j i i
r e k o n s t r u k c j i p o w i e r z c h n i , z d e f e k t o w a n i a , o b e c n o [c i a d s o r b a t u ,
f a z y a d s o r b a t u , k o r o z j i i t p . ) . C z s t o p o m i a r z m i a n y p r a c y
w y j [c i a ”$ d l a m o n o k r y s z t a Bu m e t a l u m o |e o k r e [l a s t o p i e D
p o k r y c i a ( k a l i b r o w a n y n p . p r z e z o b r a z L E E D l u b k i n e t y k i T D S ) .
" P o j a w i e n i e s i j e d n e j m o n o w a r s t w y a d s o r b a t u m o |e z m i e n i
p o t e n c j a B p o w i e r z c h n i o w a r t o [ o d 0 . 1 V d o o k o Bo 1 , 5 V .
P o n i e w a | z m i a n y t e g o p o t e n c j a Bu m o |n a m i e r z y z
d o k Ba d n o [c i 0 , 0 0 1 V , t o m e t o d a o k a z u j e s i b a r d z o c z u B.
E f e k t
S m o l u c h o w s k i e g o
c z y l i w y g Ba d z a n i e s i r o z k Ba d u
g s t o [c i e l e k t r o n o w e j . W a r t o [ p r a c y
w y j [c i a d l a d a n e g o m e t a l u z a l e |y o d t y p u p o w i e r z c h n i ( [c i a n y )
k r y s z t a Bu . P r z y k Ba d o w o d l a u s z e r e g o w a n i a [c i a n k r y s z t a Bu
w o l f r a m u ( b c c ) : 1 1 0 , 2 1 1 , 1 0 0 , 1 1 1 r o [n i e c h r o p o w a t o [ i m a l e j e
p r a c a w y j [c i a . E f e k t t e n S m o l u c h o w s k i w y j a [n i a n a s t p u j c o .
G d y b y a t o m y p o w i e r z c h n i b y By o t o c z o n e i d e n t y c z n y m r o z k Ba d e m
g s t o [c i Ba d u n k u u j e m n e g o j a k w o b j t o [c i k r y s z t a Bu t o e f e k t u b y
n i e b y Bo . J e d n a k z e w z g l d u n a m i n i m a l i z a c j e n e r g i i c a Bk o w i t e j
d o c h o d z i d o m o d y f i k a c j i r o z k Ba d u c h m u r e l e k t r o n o w y c h n a
p o w i e r z c h n i . M a j t u m i e j s c e d w a e f e k t y : p i e r w s z y p o l e g a n a
p e w n y m w y s u n i c i u s i [r o d k a c i |k o [c i Ba d u n k u u j e m n e g o d o
p r ó |n i p r z y p a d a j c e g o n a a t o m p o w i e r z c h n i o w y ( w t e d y $‘!) i
d r u g i p o l e g a j c y n a w y g Ba d z a n i u g s t o [c i Ba d u n k u u j e m n e g o
n a p o w i e r z c h n i ( w t e d y $ ) . O b a e f e k t y k o n k u r u j i w p By w a j n a
w y p a d k o w w a r t o [ m o m e n t u d i p o l o w e g o p o w i e r z c h n i m e t a l u .
G d y d w i e s s i e d n i e [c i a n y k r y s z t a Bu
m e t a l u r ó |n i s i p r a c w y j [c i a .
W e w n t r z m e t a l u n i e m a p o l a
e l e k t r y c z n e g o : m a m y p o z i o m c i e c z y
F e r m i e g o . Z a t e m n a r y s . o b o k n a o d c i n k u A D
p r ó b n y Ba d u n e k n i e w i d z i z m i a n p o t e n c j a Bu .
P o t e n c j a B d o z n a j e s k o k u n a p o w i e r z c h n i a c h .
J e |e l i m o m e n t y d i p o l o w e n a [c i a n a c h s
r ó |n e t o s k o k i p o t e n c j a Bu n a o d c i n k a c h D C i
A B t e | s r ó |n e . Z a t e m p u n k t y B i C r ó |n i
s i p o t e n c j a Be m c o o z n a c z a , |e n a z e w n t r z
k r y s z t a Bu m a m y p o l e e l e k t r y c z n e . W i d a , |e
p r a c a w y j [c i a w o k o l i c y p u n k t u C j e s t
w i k s z a n i | w o k o l i c y p u n k t u B j e s t t o
o c z y w i s t e . P o d o b n o n i e - e l e k t r y c y m a j t u
j a k i [ p r o b l e m z w y j a [n i e n i e m s y t u a c j i .
G d y n a z e w n t r z k r y s z t a Bu
w y s t p u j e p o l e e l e k t r y c z n e .
G d y n a z e w n t r z k r y s z t a Bu w y s t p u j e
p o l e e l e k t r y c z n e t o t z w . p o z i o m p r ó |n i
z m i e n i a s i z o d l e g Bo [c i o d p o w i e r z c h n i
t e g o k r y s z t a Bu . W t e d y p r a c w y j [c i a
d e f i n i u j e s i j a k o : e n e r g i p o t r z e b n d o
p r z e n i e s i e n i a e l e k t r o n u z p o z i o m u
F e r m i e g o n a p o z i o m p r ó |n i w
o d l e g Bo [c i r o o d p o w i e r z c h n i .
G d y p o t e n c j a B m a l e j e z o d l e g Bo [c i r t o
w a r t o [ r o o k r e [l a m a k s i m u m e n e r g i i
p o t e n c j a l n e j ( d l a r = r o s p e Bn i o n y j e s t
w a r u n e k : d V / d r = 0 ) .
G d y p o t e n c j a B r o [n i e t o z a r o m o |n a p r z y j
w a r t o [ m a k r o s k o p o w o m a B a l e d u | w
s k a l i a t o m o w e j n p . 1 µ m , t a k b y p o z o s t a By
w k Ba d e n e r g i i o b r a z o w e j b y B d o
z a n i e d b a n i a .
W n i o s e k : n a z e w n t r z p o w i e r z c h n i
p o l i k r y s z t a Bó w w y s t p u j p o l a
e l e k t r y c z n e .
T a k i e p o l a w p By w a j n a p o w o l n e j o n y i
e l e k t r o n y w u k Ba d a c h U H V .
D l a M o r ó |n i c a p r a c w y j [c i a m i d z y
n i s k o i n d e k s o w y m i [c i a n a m i n i e p r z e k r a c z a
0 , 4 e V n a t o m i a s t d l a N b i W s i g a 0 , 8 e V .
D l a t e g o l e p i e j s t o s o w a m o l i b d e n n i |
w o l f r a m w k r y t y c z n y c h m i e j s c a c h a p a r a t u r y
p o m i a r o w e j w u k Ba d a c h U H V .
K o n t a k t o w a r ó |n i c a
p o t e n c j a Bu - K R P l u b K P D .
P o Bo |e n i e p o z i o m u F e r m i e g o j e s t c e c h
c h a r a k t e r y s t y c z n ( i w y r ó |n i a j c ) k a |d e g o
m e t a l u . D w a k a w a Bk i r ó |n y c h ( a l e n e u t r a l n y c h
e l e k t r y c z n i e ) m e t a l i z a n i m p o Bc z y m y k o n t a k t e m
g a l w a n i c z n y m m a j t e n s a m p o z i o m p r ó |n i ,
p o n i |e j k t ó r e g o p o z i o m y F e r m i e g o z n a j d u j s i
n a d w ó c h r ó |n y c h g Bb o k o [c i a c h . P o p o Bc z e n i u
g a l w a n i c z n y m o d r o b i n a e l e k t r o n ó w z w y |s z e g o
p o z i o m u F e r m i e g o p r z e l e j e s i d o m e t a l u o
p o c z t k o w o n i |s z y m p o z i o m i e F e r m i e g o . D z i k i
t a k p r z e n i e s i o n e m u Ba d u n k o w i e l e k t r y c z n e m u
d o j d z i e d o w y r ó w n a n i a p o z i o m ó w F e r m i e g o a l e
p o j a w i s i r ó |n e p o t e n c j a By e l e k t r y c z n e n a
r ó |n y c h m e t a l a c h . P r z e n i e s i o n y Ba d u n e k
o c z y w i [c i e r o z Bo |y s i t a k n a p o w i e r z c h n i a b y
w e w n t r z m e t a l i n i e b y Bo p ó l e l e k t r y c z n y c h .
P o n i e w a | t a r ó |n i c a p o t e n c j a Bó w p o w s t a j e p r z y
k o n t a k c i e g a l w a n i c z n y m u m o |l i w i a j c y m
p r z e l a n i e s i e l e k t r o n ó w , n a z y w a m y j K P D .
P o m i a r y p r a c y w y j [c i a m o |n a
p o d z i e l i n a t r z y g r u p y :
a ) P o m i a r y a b s o l u t n e j w a r t o [c i p r a c y w y j [c i a
b ) P o m i a r y w z g l d n e j w a r t o [c i i z m i a n p r a c y
w y j [c i a ( w y k o r z y s t a n i e k o n t a k t o w e j r ó |n i c y
p o t e n c j a Bu ) p r z e d m i o t t e g o w y k Ba d u .
c ) P o m i a r y m i k r o s k o p o w e ( P E E M , L E E M , S T M ) .
M e t o d y p o m i a r u a b s o l u t n e j w a r t o [c i
p r a c y w y j [c i a
a ) M e t o d a f o t o e m i s y j n a ,
b ) M e t o d a t e r m o e m i s y j n a ,
c ) M e t o d a e m i s j i p o l o w e j ,
d ) M e t o d a j o n i z a c j i p o w i e r z c h n i o w e j .
T e m e t o d y z a p e w n i a j d o s k o n a By w y n i k d l a
j e d n o r o d n e j i c z y s t e j p o w i e r z c h n i m e t a l u .
P o m i a r p r a c y w y j [c i a z z a s t o s o w a n i e m U P S
P o l e g a n a p o m i a r z e p e Bn e j s z e r o k o [c i s p e k t r u m
f o t o e l e k t r o n ó w ( l u b i c h e n e r g i i m a k s y m a l n e j ) S
w z b u d z a n y c h m o n o e n e r g e t y c z n y m i f o t o n a m i z
z a k r e s u u l t r a f i o l e t u ( n p . H e 1 , h v = 2 1 . 2 2 e V )
i z a s t o s o w a n i u
r e l a c j i : $ = h v - S
P o m i a r p r o g ó w f o t o e m i s j i i p r a c a w y j [c i a $.
E m a x = h v - $
M e t o d a t e r m o e m i s y j n a d l a p r ó b e k j e d n o r o d n y c h
g s t o [ p r d u t e r m o e m i s j i J o z p o w i e r z c h n i m e t a l u o
t e m p e r a t u r z e T i e f e k t y w n e j p r a c y w y j [c i a $ w y r a |a s i
r ó w n a n i e m R i c h a r d s o n a - D u s h m a n n a w p o s t a c i :
J o = C ( 1 - r ) T 2 e x p ( - $/ k B T ) g d z i e ; C = 1 2 0 A c m - 2 K - 2 , r w s p . o d b i c i a
e l e k t r o n ó w o d p o w i e r z c h n i p r ó b k i o d w e w n t r z , k B - s t a Ba B o l t z m a n n a .
M i e r z c z a l e |n o [ l n ( J o / T 2 ) o d 1 / T m o |n a w y z n a c z y $
( s t o s o w a n e s p o p r a w k i n a : w s p . o b i c i a r , z e w n . p o l e e l e k t r y c z n e E ) .
P r z y k Ba d o w e u k Ba d y p o m i a r o w e
p l a n a r n y c y l i n d r y c z n y
M e t o d a e m i s j i p o l o w e j .
N a t |e n i e e m i s j i p o l o w e j ( p o d o b n i e j a k w p r z y p a d k u t e r m o e m i s j i )
z a l e |y o d w a r t o [c i p r a c y w y j [c i a . W p r a k t y c e a b y u z y s k a
z n a c z n e n a t |e n i a p r d u e m i s j i p r z y n i e w i e l k i c h n a p i c i a c h
e l e k t r y c z n y c h s t o s u j e s i p r ó b k i w p o s t a c i o s t r z a o o d p o w i e d n i o
m a By m p r o m i e n i u k r z y w i z n y . G s t o [ p r d u e m i s j i p o l o w e j p o d a j e
d o [ z Bo |o n e w y r a |e n i e F o w l e r a - N o r d h e i m a . W y r a |e n i e F o w l e r a -
N o r d h e i m a m o |n a u p r o [c i d o p o s t a c i : J / V 2 = a e x p [ - b $3 / 2 / c V ]
g d z i e a , b i c s t a Be , V n a p i c i e e l e k t r y c z n e , c V = E n a t |e n i e
p o l a e l e k t r y c z n e g o . Z n a j c w a r t o [c i s t a By c h m o |n a w y z n a c z y
p r a c w y j [c i a $.
W y k r e [l a j c w y n i k i p o m i a r u w p o s t a c i z a l e |n o [c i
l n ( J / V 2 ) o d 1 / V o t r z y m u j e m y l i n i e p r o s t e z n a c h y l e n i e m
p r o p o r c j o n a l n y m d o $3 / 2 .
W y k o n u j c z a t e m p o m i a r y d l a c z y s t e g o o s t r z a o r a z d l a p o k r y t e g o
a d s o r b a t e m u z y s k u j e m y m o |l i w o [ o k r e [l e n i a z m i a n y p r a c y
w y j [c i a w y w o Ba n e j a d s o r b a t a m i . S t o s u n e k n a c h y l e D w y k r e s ó w
b d z i e r ó w n y s t o s u n k o w i p r a c w y j [c i a w p o t d z e 3 / 2 .
M e t o d a j o n i z a c j i p o w i e r z c h n i o w e j .
P o l e g a n a p o m i a r z e w y d a j n o [c i j o n i z a c j i n e u t r a l n y c h
a t o m ó w o d b i j a n y c h o d b a d a n e j p o w i e r z c h n i . J o n i z a c j a
a t o m ó w n a p o w i e r z c h n i o p r a c y w y j [c i a $ i
t e m p e r a t u r z e T o p i s y w a n a j e s t p r z e z r ó w n a n i e S a h a -
L a n g m i u r a :
Y i / Y o = C e x p [ ( $ e U i ) / k T ]
g d z i e C s t a Ba , Y i / Y o s t o s u n e k i l o [c i j o n ó w d o i l o [c i
n e u t r a l n y c h a t o m ó w , $ p r a c a w y j [c i a , e U i e n e r g i a
j o n i z a c j i a t o m u , k s t a Ba B o l t z m a n a .
W y k r e [l a j c e k s p e r y m e n t a l n z a l e |n o [ l n ( Y i / Y o ) o d T - 1
d l a w y |s z y c h t e m p e r a t u r m o |n a z n a l e z w i e l k o [ p r a c y
w y j [c i a .
M e t o d y p o m i a r u z m i a n p r a c y w y j [c i a
" M e t o d a p o j e m n o [c i o w a w i b r a c y j n a
m e t o d a K e l v i n a .
" M e t o d a d i o d o w a
M e t o d a K e l v i n a
W i b r a c j e m e t a l o w e j s o n d y p o w o d u j o s c y l a c j e p o j e m n o [c i
k o n d e n s a t o r a j a k i t w o r z y u k Ba d p r ó b k a - s o n d a . P r z y s t a Be j
n i e z e r o w e j r ó |n i c y p o t e n c j a Bu n a k o n d e n s a t o r z e z m i a n a j e g o
p o j e m n o [c i w y m u s z a z m i a n Ba d u n k u n a k o n d e n s a t o r z e b o
U = Q / C . Z a t e m w i b r a c j e s o n d y w y w o Bu j z m i e n n y p r d d o p ó k i
p r z y p o m o c y n a p i c i a k o m p e n s a c j i n i e w y z e r u j e m y p o l a
e l e k t r y c z n e g o w t y m z m i e n n y m k o n d e n s a t o r z e . N a s t p i t o g d y
U k o m p = ”$/ e .
N a p i c i e k o m p e n s a c j i
j e s t r ó w n e k o n t a k t o w e j
r ó |n i c y p o t e n c j a Bó w .
Z n a j c p r a c w y j [c i a
s o n d y m o |n a o k r e [l i
w a r t o [ p r a c y w y j [c i a
b a d a n e g o m a t e r i a Bu
p r ó b k i .
M o d y f i k a c j a m e t o d y K e l v i n a ( K P )
M . S c h m i d t , H . W o l t e r , M . N o h l e n , K . W a n d e l t , J . V a c . S c i . T e c h n o l . A 1 2 ( 1 9 9 4 ) 1 8 1 8 .
S p r |y s t a f o l i a
M e t o d a K e l v i n a
P y t a n i e : C z y m o |n a z m i e r z y k o n t a k t o w r ó |n i c p o t e n c j a Bó w
z w y k By m w o l t o m i e r z e m ( n a w e t o o l b r z y m i e j o p o r n o [c i
w e w n t r z n e j ) b e z u |y c i a w i b r a c j i s o n d y ?
N i e s t e t y n i e !
W o l t o m i e r z m ó g Bb y z a r e a g o w a t y l k o w c h w i l i d o t y k u j e d n e j j e g o
m e t a l o w e j k o Dc ó w k i z p r ó b k w k r ó t k i m c z a s i e w y r ó w n y w a n i a
p o z i o m ó w F e r m i e g o ( p o m i d z y p r ó b k i k o Dc ó w k a ) .
S t a c j o n a r n e p o k a z y w a n i e k o n t a k t o w e j r ó |n i c y p o t e n c j a Bu p r z e z
w o l t o m i e r z p o b i e r a j c y n i e z e r o w y p r d o z n a c z a Bo b y i s t n i e n i e
p e r p e t u u m m o b i l e !
N a t o m i a s t z a s t o s o w a n i e n a n o e l e k t r o s k o p u m i a Bo b y s e n s .
M e t o d a d i o d o w a
W b a d a n i a c h z m i a n p r a c y w y j [c i a
w l a b o r a t o r i a c h f i z y k i p o w i e r z c h n i
n a j c z [c i e j s t o s o w a n j e s t m e t o d a
d i o d o w a . W m e t o d z i e t e j u k Ba d
d i o d y s t a n o w i : p r ó b k a j a k o
a n o d a o r a z k a t o d a o d p o w i e d n i e g o
d z i a Ba e l e k t r o n o w e g o . Z d a r z a s i ,
|e d o t e g o c e l u w y k o r z y s t y w a n e
j e s t d z i a Bo o p t y k i L E E D l u b
s p e k t r o m e t r u A u g e r a .
W y r ó |n i a s i d w a z a k r e s y n a p i w
t e j m e t o d z i e : a ) o g r a n i c z a n i e
Ba d u n k u p r z e s t r z e n n e g o ( n a p i c i e
U a - k p r z y s p i e s z a j c e e l e k t r o n y z
k a t o d y ) b ) p o l e h a m u j c e ( n a p i c i e
U a - k j e s t n a p i c i e m h a m u j c y m ) .
W a d a : k a t o d a b l i s k o p r ó b k i !
M e t o d y d i o d o w e
M e t o d a d i o d o w a m a w i e l e o d m i a n :
1 ) D i o d y c y l i n d r y c z n e i s f e r y c z n e w s z k l a n y c h u k Ba d a c h
p o m i a r o w y c h ( a n o d j e s t w e w n t r z n a [c i a n a k o m o r y ) .
2 ) D i o d y s t r u m i e n i o w e ( m e t o d a A n d e r s o n a ) .
3 ) D i o d y z e s k r z y |o w a n y m i w Bó k n a m i k a t o d y i a n o d y .
4 ) D i o d y s k a n u j c e i u k Ba d y m i k r o s k o p o w e .
D i o d a s t r u m i e n i o w a ( m e t o d a A n d e r s o n a )
W m e t o d z i e A n d e r s o n a f o r m o w a n a j e s t w s k a w i z k a e l e k t r o n ó w
i k i e r o w a n a p r o s t o p a d l e d o p o w i e r z c h n i p r ó b k i ( a n o d y ) . W c z a s i e
e k s p e r y m e n t u z a k Ba d a s i , |e p r a c a w y j [c i a k a t o d y ( f i l a m e n t u ) n i e
z m i e n i a s i a n a p i c i a z a s i l a j c e d z i a Bo e l e k t r o n o w e s s t a b i l n e .
P i e r w s z e z a Bo |e n i e u z a s a d n i a b a r d z o d o b r a p r ó |n i a w k o m o r z e
p o m i a r o w e j i b a r d z o w y s o k a t e m p e r a t u r a k a t o d y ( z w y k l e o k o Bo
2 0 0 0 K ) .
P r z y z a Bo |e n i u , |e p r a c a w y j [c i a k a t o d y w u k Ba d z i e
p o m i a r o w y m s i n i e z m i e n i a , p r d p r ó b k i ( a n o d y ) j e s t
m o n o t o n i c z n f u n k c j p r a c y w y j [c i a p r ó b k i $p i n a p i c i a
e l e k t r y c z n e g o U p U k m i d z y p r ó b k a k a t o d ( w
p o m i a r o w y m z a k r e s i e k i l k u V o l t ó w ) : I p = f o ( U p U k $p ) .
P r z y u s t a l o n y m n a p i c i u k a t o d y i u s t a l o n y c h n a p i c i a c h
z a s i l a j c y c h d z i a Bo e l e k t r o n o w e m o |e m y n a p i s a :
I p = f ( U p $p ) .
Z w y r a |e n i a I p = f ( U p $p ) w i d a , |e z m i a n y $p m o |n a
k o m p e n s o w a z m i a n a m i U p . I d e n t y c z n w a r t o [ p r d u I p p o
z m i a n i e $p o ”$p u z y s k u j e m y z m i e n i a j c U p o w a r t o [ - ”$p . ( ”U p
= - ”$p ) . D a w n i e j p o m i a r z m i a n p r a c y w y j [c i a p o l e g a B n a
p o m i a r z e p r z e s u n i k r z y w y c h r y s u j c y c h z a l e |n o [ I p o d U p .
O b s e r w a c j i p r z e s u n i c i a d o k o n y w a n o o c z y w i [c i e w o b s z a r z e
n a j w i k s z e j s t r o m o [c i k r z y w y c h , z w y k l e m i d z y 1 0 % a 5 0 %
w a r t o [c i n a s y c e n i a I p .
S t o s u j c u k Ba d s p r z |e n i a
z w r o t n e g o p o m i a r s t a j e s i b a r d z i e j
a u t o m a t y c z n y b o s a m u k Ba d
k o r y g u j e n a p i c i a a n o d a - k a t o d a ,
t a k b y u t r z y m a s t a B w a r t o [
p r d u a n o d y . N a p i c i a k o r e k t y s
r e j e s t r o w a n e j a k o ”$p .
D z i a Bo e l e k t r o n o w e z w i z k k o l i m o w a n o s i o w y m
p o l e m m a g n e t y c z n y m ( o k o Bo 1 0 m T ) . S o l e n o i d
e l i m i n u j e n i e p o |d a n y w p By w r e s z t k o w e g o p o l a
m a g n e t y c z n e g o w u k Ba d z i e p o m i a r o w y m .
W y b r a n e w y n i k i
Z a l e |n o [ p r a c y w y j [c i a o d g r u b o [c i a d s o r b a t u
O d d a w n a w i a d o m o , |e g s t o u p a k o w a n e [c i a n y
m o n o k r y s z t a Bu w y k a z u j w i k s z p r a c w y j [c i a
n i | [c i a n y m n i e j u p a k o w a n e - b a r d z i e j o t w a r t e .
( R . S m o l u c h o w s k i , P h y s . R e v . 6 0 ( 1 9 7 1 ) 6 6 1 ) .
B e s o c k e i W a g n e r w y k a z a l i , |e a d s o r p c j a
a t o m ó w w o l f r a m u n a p o w i e r z c h n i ( 1 1 0 )
m o n o k r y s z t a Bu w o l f r a m u z n a c z c o ( b o o 0 . 6 e V )
z m i e n i a p r a c w y j [c i a . W y k a z a n o , |e t o
p o j e d y n c z e a t o m y d a j z n a c z n y m o m e n t
d i p o l o w y a n i e d u |e w y s p y .
( K . B e s o c k e , H . W a g n e r , P h y s . R e v . 8 ( 1 9 7 3 ) 4 5 9 7 o r a z p r a c e t a m
z a c y t o w a n e ) .
B a d a n i e p r z e j [c i a f a z o w e g o w y s p y -
d w u w y m i a r o w y g a z a t o m ó w A u n a W ( 1 1 0 )
P r z y j m u j c N i l o [ z a a d s o r b o w a n y c h a t o m ó w A u n a
j e d n o s t k o w e j p o w i e r z c h n i - k o n c e n t r a c j a ,
n i l o [ a t o m ó w p o j e d y n c z y c h ( o d i z o l o w a n y c h ) z d u |y m
m o m e n t e m d i p o l o w y m p , N - n i l o [ a t o m ó w
w w y s p a c h z m a By m
m o m e n t e m d i p o l o w y m
p o , m o |e m y z a p i s a :
”$ = - e [ n p + ( N - n ) p o ] / µ0
W y k r e s i l u s t r u j e
p r z e c h o d z e n i e w y s p
w j e d n o a t o m o w y g a z
p o w i e r z c h n i o w y .
T r a n s m i s j a p o w o l n y c h e l e k t r o n ó w L E E T ( l o w e n e r g y
e l e c t r o n t r a n s m i s s i o n ) i s p e k t r o s k o p i a p r d u p r ó b k i
T C S ( T a r g e t c u r r e n t s p e c t r o s c o p y ) . J e s t t o w z a s a d z i e
u d o s k o n a l o n a t e c h n i k i d i o d y s t r u m i e n i o w e j . U d o s k o n a l e n i e p o l e g a n a t y m , |e
p r o s t o p a d l e d o p r ó b k i k i e r o w a n a j e s t z m o n o c h r o m a t y z o w a n a w i z k a
e l e k t r o n ó w i r e j e s t r u j e s i n i e t y l k o p o c z t k o w y n a r o s t n a t |e n i a p r d u a l e
r ó w n i e | o b s z a r p o w y |e j n a s y c e n i a . W i d a t u o b o k z m i a n p r a c y w y j [c i a j a k
z m i e n i a s i w s p ó Bc z y n n i k e m i s j i w t ó r n e j z e z m i a n g r u b o [c i a d s o r b a t u i
e n e r g i e l e k t r o n ó w p i e r w o t n y c h .
N . U e n o e t a l , J . A p p l . P h y s . 9 2 ( 2 0 0 2 ) 5 2 0 3 .
F . G o Be k , S u r f . S c i . 4 4 8 ( 2 0 0 0 ) L 1 8 8 .
M i k r o s k o p i a P E E M i L E E M
H . H . R o t e r m u n d , S u r f . S c i . R e p . 2 9 ,
M i k r o s k o p i e P E E M i L E E M
( p h o t o - e m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p y i l o w e n e r g y
e l e c t o n m i c r o s c o p y ) s t a n o w i n a j b a r d z i e j
b e z p o [r e d n i m e t o d b a d a n i a p o w i e r z c h n i o w y c h
2 D ( d w u w y m i a r o w y c h ) p r z e j [ f a z o w y c h .
P o z w a l a j o b s e r w o w a n u k l e a c j i w z r o s t
u p o r z d k o w a n y c h s t r u k t u r p o d c z a s c h Bo d z e n i a
o r a z i c h z a n i k p o d c z a s p o d g r z e w a n i a b a d a n y c h
p r ó b e k .
W i a d o m o , |e o 2 D p r z e j [c i a c h f a z o w y c h d e c y d u j t r z y c z y n n i k i :
i ) o d d z i a By w a n i e m i d z y a t o m a m i a d s o r b a t u , i i ) n i e d o p a s o w a n i e
s t a By c h s i e c i a d s o r b a t u i p o d Bo |a o r a z i i i ) e n e r g i a a k t y w a c j i d l a
d y f u z j i p o w i e r z c h n i o w e j .
S c h e m a t m i k r o s k o p u L E E M
( E . B a u e r 1 9 6 2 , p o m y s B z a s t o s o w a n i a p o w o l n y c h e l e k t r o n ó w d o
m i k r o s k o p o w e g o o b r a z o w a n i a p o w i e r z c h n i )
J u | p i e r w s z e o b r a z y T e l i p s a i B a u e r a z a m i e s z c z o n e w p r a c y : W . T e l i e p s
a n d E . B a u e r , S u r f a c e S c i . , 1 6 2 ( 1 9 8 5 ) 1 6 3 , p o k a z a By w s p ó Bi s t n i e n i e
d w ó c h f a z ( 1 x 1 ) i ( 7 x 7 ) n a [c i a n i e S i ( 1 1 1 ) . W y n i k i t e w y j a [n i By w i e l e w
t o c z c e j s i p r z e z 2 5 l a t d y s k u s j i n a t e m a t r e k o n s t r u k c j i p o w i e r z c h n i
( 1 1 1 ) k r z e m u p o n i |e j t e m p e r a t u r y 8 6 0 ° C .
S c h e m a t m i k r o s k o p u L E E M
( R . T r o m p 2 0 0 0 )
M i k r o s k o p i a P E E M i L E E M
L E E M u s e d f o r s u r f a c e s c i e n c e s t u d i e s a t U n i v e r s i t y o f
I l l i n o i s ' F r e d e r i c k S e i t z M a t e r i a l s R e s e a r c h L a b o r a t o r y i n
U r b a n a , I L , U S A .
1 6 3
M i k r o s k o p i a P E E M
( p h o t o e m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p y ) .
M i k r o s k o p i a P E E M
U t l e n i a n i e C O n a P t ( 1 1 0 )
o b s e r w o w a n e p r z y p o m o c y
P E E M . C i e m n e o b s z a r y
d o m i n u j e t l e n , j a s n e o b s z a r y
d o m i n u j e C O . ( a ) F a l e
s p i r a l n e , 4 0 0 × 4 0 0 µ m 2 , ( b )
f a l e t y p u t a r c z a , 2 0 0 × 3 0 0
µ m 2 , ( c ) f a l e s t o j c e ,
3 0 0 × 2 0 0 µ m 2 , ( d )
c h e m i c z n e t u r b u l e n c j e ,
3 6 0 × 3 6 0 µ m 2 . ( T = 5 3 6 K ,
P C O = 6 , 4 × 1 0 - 5 m b a r ,
P O = 2 0 × 1 0 - 5 m b a r ) .
S . N e t t e s h e i m , A . v o n O e r t z e n , H .
H . R o t e r m u n d , a n d G . E r t l , J .
C h e m . P h y s . 9 8 ( 1 9 9 3 ) 9 9 7 7 ;
S . J a k u b i t h , H . H . R o t e r m u n d , W .
E n g e l , A . v o n O e r t z e n , G . E r t l ,
P h y s . R e v . L e t t . 6 5 ( 1 9 9 0 ) 3 0 1 3 ; S .
J a k u b i t h , P h D , F r e e U n i v e r s i t y o f
B e r l i n 1 9 9 1 ; M . B e r t r a m , P h D ,
T e c h . U n i v e r s i t y B e r l i n 2 0 0 2 .
M i k r o s k o p i a L E E M
O b s e r w a c j a p r o c e s u s a m o -
o r g a n i z a c j i , k t ó r y p o j a w i a s i
p o d c z a s n a n o s z e n i a P b n a C u ( 1 1 1 ) .
F a z a c i e m n a t o s t o p P b - C u
( n i e u p o r z d k o w a n y ) , f a z a j a s n a t o
w a r s t w a s a m e g o P b . T e m p e r a t u r a
p r ó b k i = 6 7 5 K , p o l e w i d z e n i a
w y n o s i 4 µ m .
R . P l a s s , J . A . L a s t , N . C . B a r t e l t , G . L . K e l l o g g , N a t u r e 4 1 2 , 8 7 5 ( 2 0 0 1 ) .
( P o k a z f i l m u )
P r z y k Ba d z a s t o s o w a n i a
m e t o d y K e l v i n a : K P F M
( K e l v i n p r o b e f o r c e m i c r o s c o p y )
z p r a c y : S . S a d e w a s s e r , T h . G l a t z e l , M . R u s u , A . J ä g e r -
W a l d a u , a n d M . C h . L u x - S t e i n e r , A p p l . P h y s . L e t t . 8 0 ( 2 0 0 2 )
2 9 7 9 .
a ) T o p o g r a f i a w a r s t w y C u G a S e 2 n a
p o w i e r z c h n i ( 1 1 0 ) k r y s z t a Bu Z n S e .
b ) O b r a z p r a c y w y j [c i a .
c ) T o p o g r a f i a u w i d o c z n i o n a j a k o
e f e k t 3 D , a p r a c a w y j [c i a j e s t
n a Bo |o n a j a k o s k a l a k o l o r ó w .
M i k r o s k o p i a K P F M j e s t b a r d z o c e n n a
d l a i n |y n i e r i i m a t e r i a Bo w e j .
S c h e m a t i d e o w y K P F M
E n e r g i a k o n d e n s a t o r a p r z y
n a p i c i u U C w y r a |a s i p r z e z :
E = ( U C ) 2 C / 2 . S i Ba p r z y c i g a n i a
m i d z y o k Ba d k a m i ( t j . m i d z y
o s t r z e m a p r ó b k ) j e s t
p o c h o d n t e j e n e r g i i p o
o d l e g Bo [c i m i d z y o k Ba d k a m i :
F = - d E / d z = - ( 1 / 2 ) ( U C ) 2 d C / d z .
Z a t e m s i Ba j e s t p r o p o r c j o n a l n a d o k w a d r a t u a k t u a l n e j r ó |n i c y p o t e n c j a Bó w , k t ó r a
j e s t s u m k o n t a k t o w e j r ó |n i c y p o t e n c j a Bu U C P D i n a p i c i a j a k i e w Bc z a m y w
o b w ó d p r ó b k a - o s t r z e U = U D C + V s i n Ét : F " ( U C ) 2 = ( U C P D + U D C +
V s i n Ét ) 2 = [ ( U C P D + U D C ) 2 + 2 ( U C P D + U D C ) V s i n Ét + ( V s i n Ét ) 2 ] ; F "
[ ( U C P D + U D C ) 2 + V 2 / 2 + 2 ( U C P D + U D C ) V s i n Ét - ( V 2 / 2 ) c o s 2 Ét ] .
P t l a s p r z |e n i a z w r o t n e g o z m i e n i a j c w a r t o [ U D C , m i n i m a l i z u j c
s i B F i a m p l i t u d o s c y l a c j i u t r z y m u j e r ó w n o [: ( U C P D + U D C ) = 0
c z y l i : U D C = - U C P D .
L i t e r a t u r a
1 ) R . S m o l u c h o w s k i , P h y s . R e v . 6 0 ( 1 9 4 1 ) 6 6 1 .
2 ) E . W i g n e r , J . B a r d e e n P h y s . R e v . 4 8 ( 1 9 3 5 ) 8 4 .
3 ) P . A . A n d e r s o n , P h y s . R e v . 8 8 ( 1 9 5 2 ) 6 5 5 .
4 ) N . D . L a n g , W . K o h n , P h y s . R e v . B 3 ( 1 9 7 0 ) 1 2 1 5 .
5 ) J . H ö l z l , F . K . S c h u l t e , H . W a g n e r , S p r i n g e r T r a c t s i n M o d e r n P h y s . 8 5 ( 1 9 7 9 ) .
6 ) E . B a u e r , A p p l . P h y s . A 5 1 ( 1 9 9 0 ) 7 1 .
7 ) J . K o Ba c z k i e w i c z , E . B a u e r : P h y s . R e v . L e t t . 5 3 ( 1 9 8 4 ) 4 8 5 .
8 ) H . G o l l i s c h : S u r f . S c i . 1 7 5 ( 1 9 8 6 ) 2 4 9 .
9 ) U . Z e n w e c k , e t a l l , P h y s . R e v . B 7 1 ( 2 0 0 5 ) 1 2 5 4 2 4 .
1 0 ) N . W . A s h c r o f t , N . D . M e r m i n , F i z y k a c i a Ba s t a Be g o .
1 1 ) K . B o |e k , A c t a P h y s . P o l o n . A 1 0 9 ( 2 0 0 5 ) 5 4 1 .
1 2 ) L . K e l v i n . P h i l . M a g . , 4 6 ( 1 8 9 8 ) 8 2 .
1 3 ) L . A . Z i m m e r l i , P h D , B a s e l U n i v e r s i t y 2 0 0 7 .
1 4 ) A , C i s z e w s k i , A . K i e j n a , W r o c Ba w 1 9 8 6 , W y d . U i w e r s y t e t u W r o c Ba w s k i e g o .
1 5 ) K . W o j c i e c h o w s k i , W r o c Ba w 1 9 9 3 , W y d . U i w e r s y t e t u W r o c Ba w s k i e g o .
1 6 ) J . A . V e n a b l e s , I n t r o d u c t i o n t o S u r f a c e a n d T h i n F i l m p r o c e s s e s , C a m b r i d g e 2 0 0 0 .
1 7 ) S . J . K l a u s e r , E . B . B a s J . P h y s . E : S c i . I n s t r u m . , V o l . 1 2 , ( 1 9 7 9 ) 8 4 1 .
1 8 ) L . E . C h e r a n , H . D . L i e s s , M . T h o m p s o n , A n a l y s t 1 2 4 ( 1 9 9 9 ) 9 6 1 .
1 9 ) H . S h e l t o n , P h y s . R e v . 1 0 7 ( 1 9 5 7 ) 1 5 5 3 .
2 0 ) L . D i e d e r i c h , O . M . K u t t e l , P . A e b i , L . S c h l a p b a c h , S u r f . S c i . 4 1 8 ( 1 9 9 8 ) 2 1 9 .
2 1 ) R . B l a s z c z y s z y n e t a l , S u r f . S c i . 5 1 , 3 9 6 ( 1 9 7 5 ) .
2 2 ) R . P l a s s , J . A . L a s t , N . C . B a r t e l t , G . L . K e l l o g g , N a t u r e 4 1 2 , 8 7 5 ( 2 0 0 1 ) .
2 3 ) E . B a u e r , R e p . P r o g . P h y s . , 5 7 ( 1 9 9 4 ) 8 9 5 .
2 4 ) E . B a u e r , E l e c t r o n M i c r o s c o p y , 1 ( 1 9 6 2 ) e d S . S . B r e e s e J r ( N e w Y o r k : A c a d e m i c ) .
2 5 ) N . U e n o e t a l , J . A p p l . P h y s . 9 2 ( 2 0 0 2 ) 5 2 0 3 .
2 6 ) F . G o Be k , S u r f . S c i . 4 4 8 ( 2 0 0 0 ) L 1 8 8 .
P A X p h o t o e m i s s i o n o f a d s o r b e d x e n o n o r a z d w u f o t o n o w a f o t o e m i s y j n a
s p e k t r o s k o p i a s t a n ó w p o w i e r z c h n i o w y c h j a k o i n s t r u m e n t y p r ó b k u j c e
l o k a l n p r a c w y j [c i a .
K . W a n d e l t , A p p l . S u r f . S c i .
1 1 1 ( 1 9 9 4 ) 1 .