Самопроизвольные перестройки атомной структуры полупроводниковых интерфейсов с Сs – покрытиями

Abstract

Полупроводниковые фотокатоды с эффективным отрицательным электронным сродством (ОЭС) являются наиболее совершенными эмиттерами электронов и широко используются в современных фотоприёмниках и фотоэлектронных инжекторах, предназначенных для решения фундаментальных научных и важных практических задач. Дальнейшее повышение технических характеристик ОЭС – фотокатодов сдерживается недостаточным пониманием физических закономерностей формирования атомной структуры ОЭС – интерфейсов с оптимальными Cs – покрытиями, обеспечивающими максимальную вероятность выхода фотоэлектронов в вакуум (Ре) и стабильность Ре во времени. Для изучения этих закономерностей мы экспериментально исследовали спонтанные изменения вероятности выхода фотоэлектронов из p - GaN(Cs) – фотокатода в вакуум (Ре) и их энергетических распределений(ne(εlon)) во время прерываний Cs – потока в экстремально высоком вакууме (ЭВВ), в котором адсорбция остаточных газов на ОЭС – интерфейсе была пренебрежимо мала [1]. Мы выбрали интерфейс p-GaN(Cs) - вакуум как модельный потому, что исходная атомарно – чистая поверхность p-GaN – слоя не содержала избыточного галлия и азота. Эксперименты проводились в широком интервале Cs – покрытий (Сs), как меньших, так и больших оптимального ( op Сs), при котором Ре(Сs) достигала максимума и оставалась стабильной после прерывания Cs – потока. Обнаружено, что прерывания Cs – потока при Сs <  op Сs вызывали спонтанные уменьшения Ре(t), в то время как прерывания Cs – потока при Сs >  op Сs вызывали её спонтанный рост. Для объяснения спонтанных изменений Ре(t) и ne(εlon,t) мы предложили термодинамическую модель, связывающую наблюдаемые изменения с самопроизвольными изменениями атомной структуры интерфейса, снижавшими его удельную свободную энергию и изменявшими его удельную энтропию [1]. Важную информацию о влиянии атомной структуры поверхности полупроводника на фотоэмиссионные свойства ОЭС - фотокатода мы получили из анализа формы зависимостей Ре(Сs), изученных для поверхностей p-GaAs - слоёв с ориентацией [001] при различных концентрациях избыточного мышьяка (As). Величину As в экспериментах мы увеличивали путём снижения максимальной температуры финишного прогрева p-GaAs - слоя. Было установлено, что Ре(Сs) возрастает с увеличением Сs для p-GaAs – слоёв с любой As и достигает максимума при оптимальном Cs – покрытии. Мы обнаружили, что величина  op Сs при этом снижалась с уменьшением As и достигала минимума при формировании Ga – стабилизированной поверхности, для которой As ≈ 0. Наблюдаемые закономерности мы объяснили тем, что слабосвязанные As – атомы на поверхности pGaAs при As > 0 взаимодействуют с адсорбированными Cs – атомами с образованием кластеров арсенида цезия. Формирование кластеров увеличивает удельную энтропию интерфейса p-GaAs(Cs) – вакуум, увеличивая тем самым вероятности рассеяния и рекомбинации фотоэлектронов на интерфейсе и снижению Ре . Из экспериментов известно, что максимальная Ре для интерфейса pGaAs(Cs,О) – вакуум достигается при формировании (Cs,О) – покрытия на Ga – стабилизированной поверхности p-GaAs, для которой As ≈ 0. С другой стороны, если температура и (или) длительность прогрева поверхности p-GaAs – слоя превышают оптимальные значения, то избыточное испарение мышьяка сопровождается появлением на Ga – стабилизированной поверхности полупроводника подвижных Ga – атомов, постепенно объединяющихся в макроскопические Ga – капли. Наблюдаемые нами нестабильности Ре(t) на Ga – стабилизированных поверхностях p-GaAs мы объяснили взаимодействием подвижных Cs- атомов с Ga – каплями с образованием различных интерметаллических соединений, увеличивающих вероятности рассеяния и рекомбинации фотоэлектронов во время их перехода из полупроводника в вакуум.