Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 6, с. 414-418
© 2015 г. 25 марта
Нелокальный и локальный механизмы цезий-индуцированной хемосорбции кислорода на поверхности р-СаА8(С8,0)
В. В. Бакин, К. В. Торопецкий, Г. Э. Ш&йблер, А. С. Терехов^ Институт физики полупроводников им. Ржанова СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия Поступила в редакцию 29 декабря 2014 г.
Установлено, что вероятность Св-индуцированной хемосорбции молекулярного кислорода на поверхности р-СаАв^в) определяется в основном вероятностью диссоциации молекулы во время ее столкновения с поверхностью. При увеличении количества адсорбированного кислорода на поверхности р-СаАв(С8,0) вероятность его хемосорбции снижается и в зависимости от величины цезиевого покрытия может либо по-прежнему определяться вероятностью диссоциации молекулы, либо ограничиваться вероятностью "захвата" атомов кислорода локальными центрами хемосорбции, либо зависеть от этих двух процессов.
БО!: 10.7868/80370274X15060041
Много лет назад было установлено [1], что адсорбция цезия и кислорода на поверхности р-СаАв(001) формирует на ней дипольный (Св,0)-слой. Благодаря этому слою уровень вакуума поверхности р-СаАв(С8,0) снижается настолько, что оказывается ниже дна зоны проводимости в объеме полупроводника. Вероятность выхода термализованных фотоэлектронов при этом возрастает до 55% [1]. На основе созданы фотокатоды, широко
используемые в научных исследованиях для создания "однофотонных" сверхбыстродействующих фотоприемников [2] и источников электронов с высокой спиновой поляризацией [3], узким энергетическим распределением [4], высокими быстродействием и плотностью электронного пучка [5]. Основные параметры р-СаА8(С8,0)-фотокатодов - вероятность выхода фотоэлектронов в вакуум и среднеквадратичный разброс их поперечных скоростей - критически зависят от "степени упорядоченности" (Св,0)-диполей. Существующие технологии формирования (Св,0)-слоев не имеют рычагов влияния на степень упорядоченности (Св,0)-диполей и поэтому не могут удовлетворить в полной мере возрастающие требования к фотокатодам. Поиск путей их совершенствования продолжается [6], но пока не дал желаемых результатов. Стремясь найти рычаги влияния на степень упорядоченности (Св,0)-слоев, мы изучили в этой работе взаимосвязи между вероятностью Се-индуцированной хемосорбции (г/ох) молекулярного кислорода на поверхности р-СаАв(С8,0) и составом (Св,0)-слоя. Впервые установлено, что величи-
Че-таП: terek@isp.nsc.ru
на г/ох на поверхности р-СаАэ (Се,О) в зависимости от состава (Св,0)-слоя может контролироваться либо вероятностью диссоциации молекулы кислорода во время столкновения с поверхностью (нелокальный механизм [7]), либо вероятностью захвата атомов кислорода локальными центрами хемосорбции (локальный механизм [8]), либо комбинацией этих двух механизмов.
Эксперименты проводились на образцах эпитак-сиального р-СаАэ р « 1 • 1019 см~3) с ориентаци-ями (001) и (111)А. Окислы и загрязнения удалялись с поверхности образцов раствором хлористого водорода в изопропиловом спирте в герметичной камере с чистым азотом. Для переноса образцов в камеру с экстремально высоким вакуумом (ЭВВ) использовались герметичный транспортный контейнер и высоковакуумная шлюзовая камера [9, 10]. Остаточное давление в ЭВВ-камере не превышало 4 • 10~9 Па и поддерживалось комбинацией магниторазрядного насоса и порошкового титан-ванадиевого (нераспы-ляемого) геттерного насоса с большой скоростью откачки. Состав остаточной атмосферы контролировался квадрупольным масс-спектрометром и на 85 % состоял из Н2. Избыточный мышьяк удалялся с поверхности р-СаАэ прогревом при температуре 350550 °С [9, 10]. Стабильный поток цезия формировался путем термического разложения хромата цезия в источнике, нагреваемом прямым пропусканием электрического тока. Ток нагрева источника определяющий поток цезия, предварительно выбирался таким, чтобы минимум работы выхода Ф на поверхности р-СаАв^в) достигался через ¿о = 50 мин после включения нагрева источника. Мы полагали, что
Нелокальный и локальный механизмы цезпй-пндуцпрованной
415
минимум Ф на поверхности р-СаАв^э) достигается при цезиевом покрытии 6с$ примерно в 0.5 монослоя (МС) и что коэффициент прилипания цезия к поверхности р-СаАв^в) при < 0.5 МС близок к единице [11]. Зная 18 и Iо, мы могли изменять 9са в интервале 0.002-0.5 МС, выбирая длительность нанесения цезия. Экспозиции образца в кислороде проводились при помощи термического разложения перекиси бария в источнике, нагреваемом прямым пропусканием электрического тока. Величина Ф поверхности р-СаАв(С8,0) измерялась по положению низкоэнергетического порога энергетического распределения пе(е) эмитированных фотоэлектронов, которое отождествлялось с положением максимума производной с1пе(ь)/с1,£ [12]. Для возбуждения фотоэмиссии использовались УФ-светодиод с Нш = 4.35 эВ или дейтеривая лампа ДДС-30. Измерения пе{е) проводились с помощью простейшего электронного спектрометра с однородным задерживающим полем [12]. Обкладками спектрометра служили исследуемый образец и плоская молибденовая сетка, расположенные параллельно друг другу на расстоянии « 1 мм. Диаметры сетки и образца были примерно одинаковыми и равными 20 мм, так что тормозящее поле в центре спектрометра являлось достаточно однородным. Работы выхода Ф поверхностей р-СаАв^в,О) с (Св,0)-слоями разного состава привязывались к величине Ф поверхности р-СаАв(С8,0)-фотокатода с оптимальным составом (Св,0)-слоя [12]. Небольшие изменения работы выхода молибденовой сетки спектрометра, вызванные постепенным накоплением на ее поверхности неконтролируемых загрязнений, корректировались путем периодических измерений работы выхода вспомогательного вторичного эталона из поликристаллической молибденовой фольги, постоянно находившегося в ЭВВ-камере. Постоянство работы выхода эталона поддерживалось его регулярными прогревами в ЭВВ при Т « 800 °С. Суммарная погрешность измерения Ф изучаемых поверхностей р-СаА8(С8,0) согласно оценке не превышала 0.2 эВ.
Вероятность Св-индуцированной хемосорбции кислорода 1]ох определялась по изменению работы выхода ДФ поверхности исследуемого образца после его экспозиции в известной дозе (-Оож) кислорода [13]. Величина Пох вычислялась интегрированием скачка давления АРох(1) в ЭВВ-камере, вызванного включением и выключением источника кислорода. Величина г/0х рассчитывалась как результат деления ДФ на произведение дипольного момента хемосор-бированного атома кислорода пох и £>ож. Величина 7тох не является фундаментальным параметром и зависит не только от состава и кристаллической
структуры адсорбента, но и от многих деталей атомной структуры его поверхности. Поэтому мы не могли взять 7гож из литературы и определили ее сами следующим образом. Было постулировано, что при адсорбции кислорода на р-СаАв^в) при 0св ~ 0.5 МС величина г/0х равна единице. Количество адсорбированного на поверхности кислорода 9ох вычислялось делением ДФ на 7гож. Нечувствительность измеряемых Ф и ДФ к работе манометрической лампы с холодным катодом и магниторазрядного насоса была подтверждена прямыми экспериментами. Мы убедились также в том, что интенсивность УФ-излучения в наших экспериментах была мала и оно не влияло на вероятность хемосорбции кислорода. Источником УФ-излучения, источниками цезия и кислорода, а также средствами измерения Рож(£) и пе(е) управляла автоматизированная система. Измерения проводились при комнатной температуре.
Результаты измерений г/ох на поверхности р-СаАв(С8,0) на нескольких образцах с ориентацией (001) при различных составах (Св,С))-слоя показаны на рис.1. Большими и малыми темными точка-
Рис. 1. Вероятность хемосорбции кислорода в зависимости от работы выхода поверхности p-GaAs(Cs,0)-(100)
ми изображены начальные г/ох, измеренные на поверхностях p-GaAs(Cs) с использованием малых Dox, при которых влияние адсорбированного кислорода на r/ох несущественно. Видно, что положения темных точек соответствуют экспоненциальной зависимости r/ох от Ф с наклоном Uaci = 320 ± 20 мэВ, показанной на рис. 1 штриховой линией. Экспоненциальная зависимость r/ох от Ф хорошо объясняется нелокальным механизмом [7], в котором вероятность хемосорбции кислорода на поверхности p-GaAs(Cs) определяет-
416
В. В. Бакпн, К. В. Торопецкпй, Г. Э. Шайблер, А. С. Терехов
ся вероятностью диссоциации молекулы во время ее столкновения с поверхностью. Вероятность диссоциации, в свою очередь, полагается пропорциональной вероятности переходов электронов с уровня Ферми полупроводника на частично заполненную антисвя-зываюгцую 27г*-орбиталь молекулы. Экспоненциальная зависимость г/0х{Ф) возникает из-за того, что вероятность зарядки молекулы электронами экспоненциально зависит от эффективного энергетического барьера между уровнем Ферми полупроводника и уровнем 27г*-орбитали, а высота этого барьера тесно связана с Ф. Таким образом, величина иас1, определенная по наклону г1]ох(Ф), характеризует величину эффективного энергетического барьера, определяющего вероятность зарядки молекулы кислорода во время ее столкновения с поверхностью.
Адсорбция "электроотрицательного" кислорода на поверхности р-СаАв^в) при 6>с8 < 0.5 МС повышает работу выхода поверхности и, следовательно, должна приводить к снижению г/0х- Изменения г/0х, вызванные увеличением экспозиции образцов в кислороде, показаны на рис. 1 светлыми точками. Измерения проводились на двух образцах, начальные которых обозначены большими темными точками. Видно, что для образца с начальной Ф « 1.8 эВ дополнительные экспозиции в кислороде увеличили Ф от 1.8 до 2.5 эВ. Величина г/0х при этом действительно уменьшилась, причем таким образом, что темные и светлые точки оказались лежащими примерно на одной и той же зависимости ?уож(Ф). Полученный результат свидетельствует о том, что вероятность хемо-сорбции кислорода в этом интервале составов (Св,0)-слоя не зависит от его состава, а определяется работой выхода поверхности. Таким образом, можно утверждать, что при 6>с8 « 0.5 МС и Вох < 1.5 Л вероятность Св-индуцированной хемосорбции кислорода также определяется нелокальным механизмом. Экспозиция втор
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.