УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА ФОТОЭЛЕКТРОНОВ Советский патент 1994 года по МПК G01N23/227 G01T1/36 

Изобретение относится к технике исследования физических свойств приповерхностного слоя твердых тел (ТТ) и может использоваться при измерениях плотности уровней электронов вблизи поверхности Ферми и работы их выхода из ТТ.

Известен прибор для измерения энергетического спектра и работы выхода электронов из ТТ с помощью воздействия на поверхность ТТ квантов ультрафиолетового излучения, в котором работа выхода определяется по граничной частоте квантов, вызывающих фотоэмиссию. Такой прибор имеет недостаточную точность измерения.

Известен также прибор, в котором фотоэмиссия из ТТ вызывается квантами от короткоимпульсного лазера, а энергия и ток фотоэлектронов по времяпролетной методике, причем времяпролетная база представляет собой экранированный от геомагнитного поля конический вакуумированный объем между эмиттирующим образцом ТТ и коллектором, у которого принимающая фотоэлектроны поверхность имеет сферическую форму с центром сферы на образце.

Недостатком его является существенное искажение результатов измерения из-за того, что фотоэлектроны, будучи частицами заряженными, воздействуют на измеряемый потенциал коллектора не только в момент попадания на воспринимающую его поверхность, но и в течение времени пролета каждой частицей как по самой полетной базе от образца до коллектора, так и во время движения всех других фотоэлектронов, на коллектор не попадающих, а летящих мимо него.

Целью изобретения является улучшение энергетического разрешения устройства.

Она достигается путем устранения искажений результатов измерения энергии фотоэлектронов по времяпролетной методике, вносимых электрическим полем от не достигших коллектора электронов. Для этого в предлагаемое устройство вводится эквипотенциальный заземленный метал- лический экран, окружающий весь времяпролетный вакуумированный объем между образцом и коллектором. Помимо устранения влияния на коллектор электрических полей от не достигших коллектора фотоэлектронов экран должен также обеспечивать прохождение сквозь него и лазерного луча на образец и фотоэлектронов на коллектор. Поэтому в сплошной примыкающей к образцу плоской части оболочки экрана есть отверстие диаметром 2-4 мм. Наряду с обеспечением экранирования эта плоская часть экрана поглощает основную долю электронов, скорости которых направлены мимо коллектора, а остальные фотоэлектроны с такими направлениями скоростей поглощаются боковой (конической или цилиндрической) сплошной частью оболочки экрана. Вся же примыкающая к коллектору сферическая часть экрана имеет сетчатую структуру, причем радиус сферы меньше радиуса воспринимающей электроны поверхности коллектора на величину δ минимально необходимого зазора между экраном и коллектором (δ≈ 1 мм при пролетной базе 200-500 мм). В коллекторе и в сетке экрана имеются отверстия диаметром 8-10 мм для прохождения лазерных квантов.

Благодаря этому влияние заряда каждого фотоэлектрона на измеряемый потенциал коллектора имеет место только в момент его проникновения на коллектор сквозь сферическую сетку экрана, т. е. только по истечении измеряемого известными средствами времени пролета им всего расстояния от образца до зазора между сферической сеткой экрана и коллектором. Это и обеспечивает улучшение точности определения энергии фотоэлектронов (по результатам измерения времени пролета) и плотности электронных уровней в ТТ (по распределению амплитуд потенциала коллектора по измеренным энергиям) в приповерхностном слое образца.

На чертеже показано предлагаемое устройство, где 1 - образец, 2 - кварцевое окно для входа квантов, 3 - коллектор, 4 - сплошная оболочка экрана, 5 - сетка, 6 - секция образца, 7 - пролетная секция, 8 - секция коллектора.

Работает устройство следующим образом. После вакуумирования объема и очистки поверхности образца 1 сквозь кварцевое окно 2 на образец направляют короткие ( <1 нс) импульсы излучения лазера. В каждом импульсе фотоэлектроны с образца имеют спектр энергий от 0 до hν- ϕ (hν - энергия кванта, ϕ- работа выхода электрона из образца ТТ) и соответствующий набор скоростей со всевозможными их направлениями. Благодаря экранированию геомагнитного и электрического полей во всем пролетном объеме траектории всех фотоэлектронов в нем прямолинейны. Все электроны с направлениями скоростей не на коллектор 3 поглощаются сплошной оболочкой экрана 4. Те же фотоэлектроны, скорости которых направлены на коллектор 3, достигают сферического участка 5 экрана перед коллектором в разные моменты времени, обусловливаемые только скоростью каждой частицы, так как пролетная база для них всех одна и та же - радиус сферы, а скорость на всем пути постоянна. Каждый фотоэлектрон влияет на потенциал коллектора только после прохождения практически всей пролетной базы в момент своего проникновения сквозь сферический участок экрана. Поэтому в измеряемом импульсе с коллектора имеет место строго однозначное соответствие между энергией (скоростью) электронов и показаниями временной шкалы. Это и обеспечивает возможность более точного измерения энергетического спектра выбитых из образцов фотоэлектронов. (56) Царев Б. М. Контактная разность потенциалов. М. , ГИТТЛ, 1959, с. 127.

Журавлев В. В. и др. Схема эксперимента для измерения работы выхода электронов из ВТОП. Препринт ОИЯИ. Р 13-88-296. Дубна, ОИЯИ, 1988.

Изобретение позволяет повысить точность измерения энергетического спектра фотоэлектронов, эмиттированных твердым телом, по времяпролетной методике за счет устранения искажений результатов измерений, вносимых электрическим полем от не достигших коллектора электронов. Устройство состоит из вакуумной камеры, импульсного лазера, устройства компенсации геомагнитного и электрического полей, сферического коллектора, секций образца, коллектора и пролетной, каждая из которых ограничена металлическим заземленным экраном. Экран перед коллектором имеет набор сквозных малых отверстий. Зазор между экраном и коллектором выбирается минимальным. Фотоэлектроны влияют на потенциал коллектора только после прохождения практически всей пролетной базы, после прохождения сквозь экран, поэтому имеется строго однозначное соответствие между энергией электронов и сигналом с коллектора. 1 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА ФОТОЭЛЕКТРОНОВ, эмиттированных твердым телом, состоящее из вакуумной камеры, импульсного лазера, устройства компенсации геомагнитного поля и сферического коллектора, отличающееся тем, что, с целью улучшения энергетического разрешения, внутри вакуумной камеры размещены секция образца, пролетная секция и секция коллектора, каждая из которых ограничена металлическим заземленным экраном, причем экран перед коллектором имеет набор малых сквозных отверстий, при этом зазор между поверхностью, обращенной к коллектору, и коллектором выбран минимальным, а в экранной стенке между секцией образца и пролетной секцией расположено сквозное отверстие.